Блок бесперебойного питания с аккумулятором от автомобиля

Недорогой ИБП позволяет технике проработать без электричества всего несколько минут. Модели, дающие больше времени, стоят приличных денег. Как найти компромисс? Некоторые умельцы предлагают неожиданный вариант: поменять комплектный аккумулятор дешевого ИБП на автомобильный. Емкость последнего в 50-60 раз больше, по цене выходит солидная экономия. Однако очень часто подобную замену называют опасной и просто недопустимой. Так ли это? Попробуем разобраться.

Пять причин

Невозможность подключения автомобильных АКБ (аккумуляторных батарей) к бесперебойнику объясняют массой причин. Вот самые часто упоминаемые:

• несовпадение напряжений автоаккумулятора и аккумулятора ИБП;
• выделение водорода и паров серной кислоты на автомобильных АКБ при зарядке;
• неподходящий для автомобильных аккумуляторов режим работы ИБП;
• электроника АКБ не рассчитана на высокую емкость;
• ИБП не рассчитан на продолжительную работу.

Разберем все эти аргументы отдельно.

Несовпадение напряжения

Напряжение на входе в ИБП может быть разным — от 4 до 72 В. Но чаще всего ставится один аккумулятор на 12 В. Напряжение в автомобильном аккумуляторе такое же — 12 В. Что может пойти не так?

Да, в обоих случаях напряжение считается одинаковым — 12 В. Однако на деле ровно 12 вольт нет ни в ИБП, ни в автомобиле. Рабочее напряжение ИБП — 13.5-13.8 В, а в бортовой сети автомобиля — 14.0-14.4 В. На клеммах нового аккумулятора ИБП напряжение составляет 12,7-13 В, а у автомобильного может доходить до 14.                     

Для электроники ИБП незначительное повышение напряжения не опасно: работать будет. Важнее то, что напряжение зарядки в ИБП обычно ниже, чем нужно для автомобильного аккумулятора. В результате — постоянный недозаряд батареи. Это приводит к снижению емкости и ресурса аккумулятора. Однако снижение в данном случае не критичное. Так что небольшое расхождение напряжений — не помеха для использования автомобильной АКБ в бесперебойнике.

Другое дело, если напряжение на входе в ИБП отличается от 12 В. Если оно ниже (4 или 6 В), подключить автомобильный аккумулятор не получится.

Если напряжение на ИБП выше, но кратно 12 В, можно собрать батарею из нескольких последовательно соединенных автомобильных аккумуляторов. Но емкость такой батареи будет чрезмерно велика. Ток зарядки маломощного ИБП просто не сможет компенсировать саморазряд аккумуляторов.

Взрывоопасность при зарядке

Один из главных аргументов против установки автомобильных аккумуляторов в ИБП — взрывоопасность процесса зарядки. Да, при заряде аккумуляторных батарей может происходить электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода и кислорода.   

Однако активное выделение газов идет только при перезаряде аккумулятора высоким током. Такого в ИБП в принципе быть не может. При использовании АКБ большой емкости токи зарядки и так намного меньше оптимальных. Того количества газа, который выделится при зарядке малым током, слишком мало для возгорания. Даже если помещение плохо вентилируется.

«Кипение» электролита характерно для старых свинцово кислотных аккумуляторов. В современных необслуживаемых аккумуляторах его свели к минимуму. В аккумуляторах типа AGM и GEL при низких токах зарядки кипения вообще не происходит.

Неподходящий режим работы

В автомобиле АКБ работает в двух режимах. Первый — кратковременные разряды высоким током при работе стартера. Второй — нечастые долговременные разряды малым током при работе потребителей на выключенном двигателе. Оба этих режима обычно не приводят к глубокому разряду батареи.

У ИБП все не так. Ток высокий (хоть и не настолько, как при пуске стартера), но не кратковременный. Простая недорогая модель будет поддерживать работу ПК все время, пока не «высосет насухо» аккумулятор.

«Умные» бесперебойники не допускают глубокого разряда, выключаясь при критическом падении емкости АКБ.

Есть пара подводных камней. Во-первых, так делают не все ИБП. Во-вторых, из-за нестандартного аккумулятора они могут неправильно оценить его остаточную емкость и не выключиться вовремя. Глубокий разряд неприятен и для специализированных аккумуляторов. Но несколько сотен циклов полного разряда-заряда они выдерживают. А вот простые автомобильные — нет. Кислотные аккумуляторы при глубоких разрядах сильно теряют в емкости. Для полного отказа АКБ может быть достаточно двух-трех разрядов.

Решение проблемы

Вариант первый: не допускать глубокого разряда АКБ. Здесь надо или полагаться на помощь автоматики ИБП, либо просто выключать ПК раньше, чем полностью исчерпается емкость аккумулятора.

Вариант второй: купить аккумулятор AGM или GEL, а не кислотный. Они дороже, но боятся глубоких разрядов намного меньше.   

В любом случае, режим работы ИБП — это не слишком серьезное препятствие для использования автомобильного аккумулятора.

Слишком большая емкость АКБ

Оптимальный ток зарядки аккумулятора составляет 0,1 от его емкости в А∙ч. Например, для аккумулятора емкостью 10 А∙ч оптимальный ток зарядки равен 1А.

Для автомобильного аккумулятора емкостью 60 А∙ч оптимальный ток зарядки — 6 А. Емкость аккумуляторов простых ИБП составляет 5-7 А∙ч. Поэтому контроллер зарядки ИБП обычно выдает 0,5- 0,7 А. Это в десять раз ниже, чем у автомобильного аккумулятора!

На самом деле, это скорее хорошо, чем плохо. Зарядка малым током — наиболее щадящий режим зарядки. Правда, чтобы полностью зарядить автомобильный аккумулятор на 60 А∙ч, ИБП потребуется сто часов вместо десяти.   

Автомобильный аккумулятор имеет еще одну особенность — саморазряд. Даже при полном отсутствии потребителей, запас электроэнергии в нем потихоньку снижается. Для кислотных аккумуляторов нормальным считается саморазряд до 1% в день. У старых, изношенных АКБ этот показатель может оказаться выше. Если токи зарядки сравняются с током саморазряда, аккумулятор вообще не будет заряжаться. Поэтому если емкость аккумулятора намного больше, чем у «родной» батареи ИБП, подключать его не стоит.

Еще одна источник возможных проблем при установке аккумулятора большой емкости — «умная» электроника бесперебойника. Современные модели следят за напряжением аккумулятора и его остаточной емкостью. Если измеренные параметры не будут соответствовать ожидаемым, ИБП может «забраковать» аккумулятор. Поэтому для подключения автомобильных аккумуляторов лучше всего подходят не слишком «умные» старые модели ИБП.

По современным бесперебойникам универсального рецепта нет. К некоторым моделям АКБ подключится без проблем. Разве что потребуется провести калибровку аккумулятора с помощью соответствующей программы.   

Для других ИБП требуется погружение в схемотехнику. Вам придется отрегулировать подстроечные резисторы, заменить некоторые элементы и перепрошить контроллеры. Для наиболее распространенных моделей обычно можно найти инструкцию в Сети. Если замена в принципе возможно, конечно же. Меньше всего «танцев с бубном» нужно при подключении внешнего АКБ к простым «безымянным» ИБП на 300-700 Вт. Но здесь таится другая опасность. О ней — ниже.

Продолжительность работы ИБП

Производители недорогих ИБП часто не закладывают в них возможность продолжительной работы. Они стараются всеми силами снизить себестоимость устройства. Поэтому электроника в бесперебойнике будет недорогая и с низким КПД. Низкий КПД = высокое тепловыделение.

На вентиляторах и радиаторах производитель тоже экономит. Он знает, что на полном заряде аккумулятора ИБП проработает минут пять. За это время бесперебойник просто не успеет прогреться до высоких температур.

А теперь мы берем и ставим аккумулятор вдесятеро большей емкости. Итог закономерен. Перегрев трансформатора и силовых ключей вплоть до воспламенения «начинки» ИБП уже через 10-15 минут работы.

Иногда помогает установка вентилятора.   

Точнее, установка вентилятора на недорогой ИБП — первое, что нужно сделать при увеличении емкости аккумулятора. После установки вентилятора проверьте температуру компонентов ИБП через 10 минут работы. Если нагрев некритичен, можно увеличивать продолжительность работы от АКБ, продолжая контролировать температуру. Если силовые элементы греются до 100 °С и выше, нужно улучшать охлаждение. То есть ставить дополнительные радиаторы и вентиляторы.

Будьте осторожны при работе с ИБП со снятой крышкой. На платах сохраняется высокое напряжение и при отключении бесперебойника от сети.

Вентилятор должен работать не только при работе ИБП от батарей, но и при их зарядке. Лучше всего собрать простую схему на термисторе, автоматически включающую вентилятор при росте температуры.      

Греться могут и провода, которыми подключен аккумулятор. Токи от АКБ при работе мощных ПК могут достигать 80 А. Тонкие кабели будут сильно греться, и на них будет теряться немалое количество электроэнергии. Поэтому для подключения аккумулятора к ИБП следует использовать провода сечением 10-16 мм2.

Специализированные ИБП

Иногда от ИБП изначально требуется невысокая мощность при большой емкости батарей. Например, у ИБП для котлов. Они обычно рассчитаны на использование внешних АКБ. Часто — именно автомобильных. Производители таких ИБП предусмотрели все тонкости использования автомобильных аккумуляторов. Так что о всех вышеперечисленных тонкостях можно не беспокоиться.

А еще у котлов особые требования к качеству электроэнергии в питающей сети, поэтому от обычного ИБП они могут просто не запуститься.  

Подробнее об этом можно прочитать в нашей статье.

Выводы

Ставить автомобильный АКБ на ИБП можно, если соблюсти ряд условий.

• Электроника ИБП позволяет подключить АКБ другой емкости.
• При работе не допускать глубокого разряда АКБ. Лучше использовать аккумуляторы типа AGM или гелевые — они меньше боятся полных разрядов.
• Не ставить АКБ емкостью более, чем в 10-20 раз превышающей емкость «родного» аккумулятора.
• Убедиться, что возросшая продолжительность работы не приводит к перегреву ИБП.
• Подключить АКБ проводами сечением 10-16 мм2.

Но проще всего сразу взять бесперебойник, специально предназначенный для использования с автомобильными АКБ. В этом случае никаких условий соблюдать не надо.

Почему автомобильный аккумулятор нельзя использовать в ИБП?

Предыстория

На тот момент, когда я первый раз попробовал заменить в ИБП старый аккумулятор ёмкостью 7Ач на старый автомобильный аккумулятор номинальной ёмкостью 65Ач, я ещё не знал, почему этого нельзя делать, и как это может навредить здоровью аккумулятора, самому ИБП и людям, проживающим в одном помещении с ним.

Доработка бесперебойника не заняла много времени, но профит был заметен сразу же. Сто-ватная нагрузка в виде домашнего «сервера» продержалась порядка двадцати часов без внешнего питания, хотя раньше 10 минут — это был предел, которого хватало разве что на корректное завершение работы. Более длительных отключений за время эксплуатации данной модификации замечено не было, а подключение интернета по технологии GPON позволяло серверу оставаться в сети даже при масштабных отключениях электроэнергии.

Но это было давно. А год назад мне случайно попалось на глаза объявление о продаже нескольких бывших в употреблении ИБП APC 3000 за смешные деньги, 4000 рублей за штуку, без аккумуляторов, но рабочие. Немного подумав, решил что надо брать, причём сразу два, правда к моменту покупки цена успела подняться до 5000 рублей за штуку, но меня это не остановило, ведь в магазине за те же деньги предлагали лишь варианты на 1кВт, да и то от всяких noname фирм с не очень лестными отзывами и модифицированным синусом.

Без аккумуляторов ИБП включаться отказался, судя по информации из интернета, ему требовалось восемь аккумуляторов по 12 вольт, т.е. батарея на 96 вольт, но конденсаторы на входе батарей были номиналом 63 вольта. Оказалось, что в картридже две параллельно соединённых цепочки по четыре аккумулятора, по 5Ач каждый. Итого получается батарея на 48 вольт и 10Ач. И вот тут началось самое интересное.

Выбор АКБ

Настало время покупать аккумуляторы. Разница в цене между специализированным аккумуляторами для ИБП и обычными автомобильными была примерно раза в два при сопоставимой ёмкости. Зачем платить больше? Решил загуглить и нашёл несколько сайтов продающих АКБ для ИБП, которые почти под копирку приводили несколько доводов, почему стоит заплатить больше. В целом звучит правдоподобно, но давайте их рассмотрим поподробнее.

Итак, первая значительная разница — это различное напряжение постоянного тока в автомобиле и у источника автономного электроснабжения. У автомобильной батареи напряжение постоянного тока примерно равно 14-14.2 В, а у аккумулятора для источника бесперебойного питания оно составляет 13.5-13.8 В. Напряжение тока заряда у обычных автомобильных и специальных для ИБП рассчитано на различные значения. После того как Вы подсоедините автомобильный аккумулятор к системе резервного электропитания, то результат будет виден такой — постоянно батарея будет недозаряжена. Высокое внутреннее сопротивление имеется у максимально заряженной батареи, так как потребляется небольшой ток при работе с ИБП. С разряженными аккумуляторами дела состоят с точностью наоборот. В конечном итоге присоединение автомобильного аккумулятора может привести к кипению электролита, так как будет потребляться постоянно ток и аккумулятор не будет до конца заряжаться.

Заглядываем в статью википедии о свинцово-кислотных аккумуляторах и видим, что ЭДС заряженного аккумулятора 2.11-2.17В, для 6 банок это получается 12,66-13,02В. Смотрим на аккумулятор для ИБП и видим надписи о рекомендуемых значениях напряжений: в режим постоянного подзаряда 13.5-13.8В, в циклическом режиме 14.4-15.0В. Смотрим на полностью заряженный автомобильный аккумулятор, видим 12.7В, заводим двигатель, напряжение поднимается до 14.2. Получается что 14.2В — это не напряжение автомобильного аккумулятора, а напряжение которым его заряжает автомобильный генератор. Но разве в автомобиле предусмотрена какая-либо схема заряда аккумулятора? В общем мне показался данный довод несостоятельным.

Второе отличие — временной этап работы и равномерное выделение электрического тока за счет пластин, которые встроены внутри аккумуляторной батареи. Средняя толщина электрода (пластины) у автомобильного аккумулятора составляет примерно 1-1.2 мм, а у специализированных для ИБП 2-2.5 мм. Движение электронов происходит на менее толстой поверхности. Если подключить автомобильный аккумулятор к источнику бесперебойного питания, то пластины которые находятся внутри быстро разрушатся из-за длительного функционирования цикла.

Если бы в автомобиле не было сигнализации и магнитолы, то наверное можно было бы поверить в то, что автомобильный аккумулятор не способен длительное время отдавать малые или средние токи, но ведь они питаются от того же аккумулятора. И это не говоря о том, что автомобиль в принципе может некоторое время двигаться без генератора, только лишь на заряде аккумулятора, и после этого достаточно будет просто зарядить аккумулятор и он продолжит работать. По поводу толщины пластин сложно что либо сказать, разве что в аккумуляторах от ИБП некоторым попадаются нанотехнологические вставки из стекла. Стекло добавляет толщины пластинам и вес батареи, правда в химических реакциях не участвует.

И третье важное отличие — в процессе заряда аккумулятора выделяется водород. Когда батарея установлена под капотом автомобиля, то водород быстро улетучивается и не представляет никакой опасности. Так как источник бесперебойного питания установлен как правило в замкнутом пространстве, то газ начнет скапливаться, а смесь водорода с кислородом образует взрывоопасную смесь, которая может детонировать от любой искры (даже от включения света). Аккумулятор для ИБП полностью герметизирован, в процессе работы он не выделяет водород в атмосферу, а рециркулирует в пространстве батареи.

Данный довод мне сразу показался подозрительным, ввиду того, что мне не доводилось видеть герметичных аккумуляторов в ИБП. Если посмотреть на аккумулятор, то можно увидеть небольшие отверстия для отвода газов, в отличии от автомобильных аккумуляторов, они закрыты резиновыми колпачками и замурованы под пластиковые заглушки, но вовсе не герметично. Если снять пластиковые заглушки и поставить аккумулятор на зарядку, то некоторые резиновые колпачки весело улетят в неизвестном направлении. Значит вода всё таки распадается на кислород и водород, и простой резиновый колпачок не заставит их преобразоваться обратно в воду, а после определённого давления газы всё равно выйдут наружу. Впрочем ладно, если за несколько лет эксплуатации автомобильного аккумулятора в закрытом шкафу ничего не взорвалось, то в проветриваемом подвале и на балконе наверняка проблем с накоплением водорода не возникнет.

Автомобильные аккумуляторы имеют разбавленный электролит, а так как в жидкой среде все процессы протекают быстро, то срок службы этих батарей намного меньше чем у специализированных для ИБП. Внутри АКБ для источников бесперебойного питания находится губчатый материал, который пропитан электролитом. И поэтому ток самозаряда получается небольшим. И когда система перейдет на функционирование от аккумулятора, то батареи для ИБП проработают больше.

Действительно, в автомобильном аккумуляторе электролит находится в жидком состоянии, а в специализированных аккумуляторах для домашних ИБП им пропитан пористый материал, и если перевернуть его с открытыми заглушками, то ничего из него не выльется, это позволяет размещать его внутри ИБП в любом положении, хоть вверх ногами (хотя и не рекомендуется). Как это связано с током саморазряда, полностью электролита и скоростью протекания химических реакций — я не знаю, но вероятнее всего, что никак.

И не стоит забывать о том, что автомобильный аккумулятор работает в суровых условиях, от него несколько раз в день требуют больших токов, несколько месяцев в году это сопровождается очень низкими температурами, а несколько месяцев высокими, кроме того он испытывает вибрационные и ударные нагрузки во время движения автомобиля, а генератор заряжает его без какого либо контроля, и хорошо, если владелец следит за его состоянием.

Так же, некоторые высказывают сомнение по поводу того, что ИБП в состоянии зарядить автомобильный аккумулятор, ведь у него значительно большая ёмкость. Но ведь увеличив ёмкость, мы получаем увеличение длительности работы от батареи, странно ожидать, что последующая зарядка будет производиться за прежнее время.

Прочитав ещё несколько статей о вреде использования автомобильного аккумулятора в быту, стало понятно, что ничего не понятно. Но, учитывая предшествующий положительный опыт, было решено выбрать вариант с большей ёмкостью, т.е. автомобильные аккумуляторы. Для одного ИБП были выбраны самые дешёвые аккумуляторы от Тюменского Медведя на 75Ач, для второго АКБ фирмы BRAVO на 90Ач примерно за ту же стоимость. И вот сейчас, спустя почти год эксплуатации решил попробовать замерить ёмкость аккумуляторов, чтобы понять, насколько всё плохо.

Результаты замеров

Графики процесса разрядки-зарядки по данным самого ИБП можно посмотреть тут и тут. Одна линия показывает напряжение на батарее, вторая мощность нагрузки в процентах.

Хотя я не уверен, что правильно произвёл замер, но лучше способа, чем включить цифровой ватт-метр в разрыв между АКБ и ИБП, я придумать не смог. Сомнения в корректности замеров у меня возникли из-за того, что не смотря на постоянно включенную нагрузку, ИБП потреблял ток периодами (3-5 секунд потребление нарастает до номинала и опускается до нуля, 1-2 секунды потребления нет), возможно это связано с тем, что по аккумуляторному входу установлена пара ёмких конденсаторов, которые сглаживают нагрузку на АКБ. Зарядка производится примерно таким же образом (некоторое время подаётся ток, затем пара секунд перерыв). После полной зарядки ИБП продолжает периодически подавать ток на АКБ в районе 1А.

Не смотря на то, что один бесперебойник нещадно насиловал аккумуляторы каждый день почти полностью разряжая их, а затем вновь заряжая, а второй работал в штатном режиме и разряжал АКБ только при отключениях электричества, спустя год они по-прежнему работают и держат нагрузку. Специализированные аккумуляторы в ИБП, что стоящие с завода, что купленные в процессе эксплуатации не жили у меня даже этого времени, они просто высыхали и переставали держать заявленную ёмкость. В общем я не смог ответить для себя на вопрос, почему же автомобильные аккумуляторы не годятся для использования в ИБП, но через год я постараюсь повторить измерения и сравнить результаты.

P.S. Перед тем, как произвести замер ёмкости аккумуляторной батареи №2, я умудрился закоротить её плоскогубцами. Теперь они будут служить хорошим напоминанием о том, что так лучше не делать. Кстати, все картинки кликабельные.

Бесперебойник с возможностью подключения через автомобильный аккумулятор

Представляем вашему вниманию статью Александра Ткачева из Риги, который в соавторстве с Александром Ярошенко (SamElectric.ru) расскажет о том, как можно использовать обычный автомобильный аккумулятор для резервного питания важного оборудования.

Источник бесперебойного питания (ИБП) является не просто защитником электропотребителей от скачков и перепадов питающего напряжения, но и полноценным источником накопленной энергии.

С постоянным совершенствованием электронных компонентов снижается и их стоимость. Если 10–15 лет назад ИБП мощностью 1000 ВА был достаточно дорогим прибором, то сейчас такой ИБП можно приобрести по доступной цене. В современных ИБП используются дорогие необслуживаемые свинцовые аккумуляторные батареи, произведенные по технологии AGM (Absorbent Glass Mat). Суть технологии — использование вместо жидкого электролита токонепроводящего пористого материала с жидким электролитом в порах. Такой аккумулятор безопасен с точки зрения использования (может использоваться в положении «на боку» или «вниз головой») и не требует обслуживания, но имеет один существенный минус: высокая цена.

Обычная автомобильная стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) имеет жидкий электролит и стоит в 2–3 раза дешевле при такой же емкости, но накладывает на использование в ИБП некоторые ограничения. Поэтому производители ИБП предпочитают ставить в свои изделия именно AGM батареи.

Применение обычных АКБ существенно снизит стоимость, увеличит емкость накопленной энергии и продолжительность работы ИБП

Далее мы рассмотрим обслуживаемые кислотно-свинцовые АКБ, используемые в автомобилях, и покажем, как «обмануть систему» и применить АКБ в обычных ИБП.

Теоретическая часть

АКБ имеет два крайних рабочих состояния — полностью разряжена и полностью заряжена:

Внимательный читатель, а особенно автоэлектрик возразит: «Напряжение на заряженной АКБ не будет выше 13 вольт!» И будет прав! Напряжение на полностью заряженной АКБ будет в пределах 12,75–12,80 вольт при плотности электролита 1,26 г/см3 и при температуре 25°С. И называется оно напряжение покоя АКБ.

Напряжение покоя измеряется только после отключения АКБ от потребителей или зарядных устройств через как минимум 24 часа. Во время зарядки и разрядки в АКБ происходят сложные химические процессы, длящиеся после отключения зарядного устройства или нагрузки какое-то время. Это можно назвать химической инерцией.

Если АКБ отключить от нагрузки, ее напряжение начнет подниматься. А при зарядке, если отключить АКБ от зарядного устройства, напряжение будет снижаться

Во время зарядки АКБ набирает электрическую емкость. Это один из самых главных показателей АКБ. Электроемкость АКБ — это произведение постоянного тока разряда АКБ на время разряда при номинальном напряжении (для автомобильного АКБ это 12 вольт).

За час АКБ электроемкостью 60 А·ч может отдать 60 ампер напряжением 12 вольт до ее полной разрядки. Практически это выглядит так: если АКБ нагружать током 60 ампер один час, ее напряжение снизится с 12,75–12,80 вольт до 12,00 вольт.

Но откуда же 14,4 вольта? Далее мы детально рассмотрим процесс заряда АКБ и откуда берется это напряжение.

Принцип заряда АКБ

Существует два способа зарядки АКБ:

• Зарядка постоянным током используется чаще всего. В начале заряда АКБ заряжается током, равным 1/10 от емкости АКБ, и напряжением, близким к номинальному напряжению заряда или чуть выше (обычно 14,50–14,80 вольт) до начала кипения электролита. Потом ток понижается до 1/20 от емкости АКБ и опять заряжается до начала кипения электролита. После этого процесс зарядки прекращается. Кипение электролита — это процесс выделения из него под воздействием электролиза паров водорода.

Зарядить АКБ до значения, близкого к 100% ее емкости, зарядкой постоянным током можно только постоянно понижая ток заряда. Сначала до 1/40, довести до кипения, потом до 1/80 довести до кипения, потом до 1/160 и так до 1/2000. Причем нужно следить, чтобы процесс кипения электролита не начинался, а только подходил к нему. Это достаточно кропотливая и нудная задача — нужно постоянно следить за процессом зарядки.

• Зарядка постоянным напряжением подразумевает зарядку АКБ точным номинальным напряжением заряда (с точностью до сотых долей вольта) и плавным понижением тока зарядки без кипения электролита. Такие зарядные устройства достаточно сложны и дороги, но позволяют использовать ресурс АКБ по максимуму.

Рассмотрим второй способ заряда АКБ (постоянным напряжением), так как он обычно используется в ИБП при заряде АКБ. Такой способ не допускает кипения электролита и заряжает АКБ до реальных 100% емкости. Процесс зарядки АКБ логарифмичен (нелинеен), поэтому зарядить АКБ полностью на 100% — задача достаточно сложная. Если на начальных этапах зарядки для типичной АКБ емкостью 70 А·ч ток заряда 1/1 0 от емкости (7 А), то на конечных этапах зарядки (90–98%) ток равен 1/400 от емкости (175 миллиампер). И на этапах зарядки (от 98–100%) ток заряда должен быть чуть больше тока саморазряда АКБ. А это менее 1/2000 от емкости АКБ (менее 35 миллиампер).

Номинальное напряжение заряда для каждой АКБ индивидуально (производитель, материалы, технологии и даже смена, в которую АКБ изготавливался на заводе) и может колебаться в пределах от 14,35 до 14,45 вольт.

При выкипании водорода из электролита происходит увеличение его плотности. Поэтому в элек-тролит в таком случае нужно добавлять дистиллированную воду для компенсации его плотности до 1,26 г/ см3. На практике технологии производства стартерных АКБ за более чем 100-летний период производства отточены до совершенства и выпускаются с учетом номинального напряжения заря-да, близкого к 14,40 вольтам.

Полностью зарядить АКБ (на все 100% ее электрической емкости) без выкипания электролита можно только напряжением 14,40 вольт!

Теперь рассмотрим практическую часть зарядки постоянным напряжением на конкретных примерах. Так как АКБ набирает емкость заряда нелинейно, при подключении АКБ к зарядному устройству без ограничения тока заряда АКБ в течение первых секунд может потреблять ток заряда, равный своей емкости. Например, для АКБ емкостью 70 А·ч первые секунды ток заряда будет 70 А. Потом ток заряда плавно понижается с повышением внутреннего сопротивления АКБ.

20–30% своей емкости АКБ может набрать за 15–20 минут зарядки током 1/10 от своей емкости (в нашем примере 7 А).

Автомобилисты знают, что «прикуривать» от соседского автомобиля подсевшую АКБ достаточно минут 5–10, чтобы крутануть стартер, а если АКБ села «в ноль», времени понадобится немного больше — здесь мы и наблюдаем логарифмичность процесса зарядки.

Чтобы зарядить АКБ на 50% емкости, понадобится уже пару часов, а никак не 30–40 минут, так как ток заряда все время уменьшается. А вот чтобы зарядить АКБ на 80%, понадобится как минимум 6–7 часов. 80–85% емкости АКБ достигается, когда напряжение заряда поднялось до 13,60–13,80 вольт. Ток заряда на этом этапе будет меньше одного ампера, и продолжит понижаться. А при 14,20 вольтах АКБ заряжена до 90–95%. Фактически на этапе зарядки около 97–99% происходит прецизионная зарядка. При превышении напряжения зарядки даже на 0,01 вольт или тока зарядки на 10 миллиампер мы получим начало закипания электролита.

Практическая часть

Производители (в меньшей мере) и продавцы (в большей мере) ИБП очень часто критически относятся к использованию дешевых стартерных АКБ в ИБП. Потому что с AGM аккумуляторами меньше хлопот с пользователями, которые не представляют, как работает ИБП и как устроена АКБ. Хотя использовать стартерные АКБ в ИБП в большинстве случаев можно. А если использовать внешнюю схему зарядки АКБ — это отличное дешевое решение для любого ИБП. Поясним некоторые нюансы по-своему 15-летнему опыту использования АКБ с ИБП от APC Back UPS 600I.

Три наиболее частые ошибки при подключении внешних АКБ к ИБП заключаются в следующем:

• малая площадь сечения проводов, которыми подключается АКБ к ИБП;
• длина проводов от АКБ к ИБП;
• нагрузка, которую хотят получить от ИБП при подключении внешней АКБ.

Разберем первый и второй пункт более подробно. Падение напряжения на проводах при передаче постоянного электрического тока в 12 вольт очень сильно зависит как от длины, так и от площади сечения этих проводов, а также от силы тока, протекающего по этим проводам. Наш ИБП при питании от АКБ на полной нагрузке в 600 ВА забирает с нее ток около 35 ампер. Если суммарная длина проводов (плюсового и минусового) от АКБ к ИБП не превышает 50–60 см, достаточно площади сечения под ток в 35 ампер около 16 мм2. А вот если АКБ находится на удалении 5 метров от ИБП (это общая длина проводов 10 метров), падение напряжения будет очень большим — 0,3 вольта. Электроника ИБП будет считать, что АКБ разряжена на половину.

При падении напряжения на АКБ по мере ее разрядки сила тока по закону Ома будет возрастать. При напряжении 9 вольт сила тока будет более 50 ампер. Соответственно будет возрастать и падение напряжения в проводах — до 0,5 вольта. ИБП будет отключаться гораздо раньше, чем если бы АКБ стояла в корпусе ИБП. Стандартные провода в ИБП, которыми штатная батарея подключена в схему, имеют сечение около 8 мм2 и длину около 30 см. Если подключить АКБ проводом такого же сечения, но длиной 10 метров, электроника ИБП будет считать, что АКБ разряжена полностью. Поэтому подключать АКБ к ИБП нужно как можно более толстыми и как можно более короткими проводами.

Теперь третий пункт. В обычные офисные ИБП ставятся АКБ емкостью 7–9 А·ч. При полной нагрузке на ИБП он проработает 1–3 минуты (зависит от производителя и модели). При подключении стартерной АКБ время работы возрастет в разы и может достигнуть одного часа. Но при этом внутренние силовые компоненты схемы могут выйти из строя от перегрева, поскольку они не рассчитаны на долговременную работу.

Поэтому, если использовать АКБ, ИБП должен работать не более чем на 50–60% его полной расчетной мощности. Либо потребуется принудительное охлаждение компонентов.

Пример переделки ИБП под стартерную АКБ

На основе АКБ и Back UPS 600I была собрана и более 10 лет эксплуатируется ИБП собственной конструкции:

На передней панели мы видим цифровой вольтметр, который показывает напряжение заряда или разряда, и амперметр, который показывает электрический ток в двух направлениях — заряд и разряд.

ИБП — всегда стационарные устройства и, как правило, в месте их установки имеется достаточно пространства, чтобы установить АКБ

При подключении нагрузки видно, как проседает напряжение и как амперметр показывает разрядку АКБ с отрицательным значением тока.

ИБП настраивался исходя из того, что забираемый от АКБ ток будет не более 20 ампер. Фактически данный ИБП питает два сервера, рутер и свитч. Гарантированно это все может работать без электричества около 7–8 часов (в зависимости от нагрузки на сервера). Схема подключения позволяет использовать две АКБ и независимо заряжать одну из батарей во время эксплуатации другой. Раз в полгода можно переключаться между батареями, чтобы сравнять процесс старения обоих АКБ.

О таблице

На передней панели ИБП приведена таблица, которая характеризует степень заряда и разряда АКБ. Как видно, АКБ разряжена в ноль, когда напряжение на ней падает до восьми вольт. Поясним термин «глубокий разряд», используемый далее по тексту. АКБ переходит в состояние глубокого разряда, когда напряжение покоя у нее ниже 11,35–11,40 вольт. Это верхний предел глубокого разряда. Как говорилось выше, после отключения нагрузки напряжение на АКБ начинает повышаться. Если в течение 2–6 часов, в зависимости от емкости АКБ, это напряжение поднялось до 11,90–12,00 вольт, АКБ не ушла в глубокий разряд. Но как следует из опыта, даже если АКБ кратковременно разрядится до 11,90–11,8 вольт, ничего страшного не будет, если ее сразу поставить на зарядку.

Производители АКБ указывают кратковременный пусковой ток рядом с емкостью. Такой ток возникает при запуске стартера, уводя АКБ в глубокий разряд с просадкой напряжения на АКБ до 9 вольт, но АКБ это выдерживает и служит в автомобиле 5–6 лет.
Нижний порог отключения производитель ИБП выставляет при полной нагрузке на АКБ. В нашем случае он около 7,55 вольт при нагрузке около 30–35 ампер. 8 вольт в таблице указано на полную нагрузку. Это «памятка для себя». Но лучше не доводить разрядку АКБ до падения напряжения на такой низкий уровень. АКБ «проседает» по напряжению больше под полной нагрузкой, чем под нагрузкой в 50% или 30%. Как только нагрузка пропадает полностью, напряжение на АКБ скачком поднимается и потом продолжает подниматься все медленней до напряжения фак-тического разряда (напряжения покоя).

Например, опытным путем установлено, что при 20-амперной нагрузке на АКБ, когда напряжение проседает до 8 вольт, можно уменьшить ток до 9 ампер, и напряжение мгновенно поднимется до 10,6 вольт, продолжая при этом медленно понижаться.
Если разряжать аккумулятор нагрузкой в 10 ампер, соответственно и нижнее значение будет не 8 вольт, как приведено в таблице на передней панели, а больше (оно может быть 8,4 вольт, к примеру, или 9,0 вольт).

Если нагрузка на АКБ от ИБП 10–20% от расчетной, соответственно напряжение «проседает» меньше, но на АКБ получается нагрузка долговременней. И соответственно АКБ находится в глубоком разряде под нагрузкой дольше. А вот это уже «убийственно» для АКБ. Поэтому нужно стараться не доводить АКБ до глубокого разряда и по возможности, если до этого дошло — сразу поставить на зарядку.

Штатная AGM батарея, проработав 20–30 минут в глубоком разряде, фактически умирает сразу — начинают разрушаться пластины внутри нее, и электроемкость падает в разы в отличие от стартерной АКБ, где потеря электроемкости от работы при глубоком разряде 2–3 часа измеряется процентами.

Стартерная АКБ гораздо выносливей «батареи в комплекте» с ИБП

Если их правильно использовать и обслуживать, но, самое главное, правильно заряжать, они могут прослужить более 15 лет либо выдержать более четырехсот циклов 100% разрядки-зарядки или более тысячи циклов 30–40% разрядки-зарядки! Это проверено на практике!

Уверены, что статья заинтересует читателей. Если хочется узнать больше — полная версия статьи приведена в блоге SamElectric.ru (статья «Аккумуляторы для ИБП»), там же — многочисленные комментарии и ответы на вопросы.

Современные надежные и недорогие источники бесперебойного питания (ИБП) все же не лишены некоторых недостатков. Малая емкость штатной аккумуляторной батареи совместно с небольшим сроком ее службы и дороговизной замены заставляет задуматься над использованием альтернативной АКБ. Наиболее полно в розничной сети представлены автомобильные стартерные батареи, так что система из бесперебойника с автомобильным аккумулятором при ее привлекательной цене и большой емкости может на порядок превзойти специализированные решения.

Преимущества и недостатки

Источники бесперебойного питания спроектированы грамотными инженерами, опыт производства безопасных и компактных ИБП накоплен у десятка авторитетных компаний. Представленные на рынке изделия оптимально сбалансированы по потребительским параметрам: мощности, весу, цене, сроку службы. Следовательно, улучшение какого-либо узла может привести к ухудшению общего удобства использования, будьте к этому готовы.

Замена батареи, предусмотренной изготовителем, на автомобильную батарею большой емкости ожидаемо приведет к увеличению времени работы подключенной нагрузки. Однако придется выделить дополнительное место для размещения большой и тяжелой АКБ, обеспечить условия ее эксплуатации и заряда, выполнять работы по обслуживанию системы.

Потребуется также продумать варианты размещения соединительных проводов, не нарушающие дизайн интерьера.

Перечень оборудования и материалов

Рекомендуем заранее приобрести все комплектующие для замены, в этом случае процедуру можно провести за минимальное время. Вам понадобятся:

• Источник бесперебойного питания;
• Обслуживаемая кислотно-свинцовая стартерная аккумуляторная батарея;
• Желательно приобрести аккумуляторный ящик под размер батареи;
• Провод соединительный гибкий, сечением не менее 4 кв. мм;
• Клеммы для присоединения проводов к аккумулятору и источнику, разъемы для подключения вентиляторов к аккумулятору;
• Вентиляторы охлаждения ИБП с питанием 12 В, рекомендуется две штуки –  приточный и вытяжной.

Перед покупкой оборудования внимательно изучите характеристики вашего ИБП, от номинального напряжения его батареи будут зависеть параметры и количество всех остальных элементов схемы.

Дополнительное охлаждение ИБП потребуется в связи с увеличением времени работы трансформатора на заряд батареи большой емкости. Возможно, дополнительно потребуется изготовление вентиляционных отверстий в корпусе источника.

Способ прокладки соединительных проводов выбирайте по кратчайшему расстоянию, в случае увеличения длины провода придется увеличить его сечение.

Выбор аккумуляторной батареи

До установки АКБ необходимо прояснить ряд особенностей, которые будут сопутствовать нестандартным условиям ее применения:

• Срок службы АКБ. По сравнению с типовым использованием в машине, в схеме работы с ИБП срок службы батареи несколько сократится. Это обусловлено различиями в конструкции аккумуляторных банок. Тем не менее, при большей стоимости время работы штатной батареи источника сопоставимо со временем работы автомобильной АКБ.
• Полный разряд АКБ. Автомобильные аккумуляторы не допускают полного разряда, а в работе с ИБП это вполне может случиться. Решением проблемы должна стать настройка источника питания, при которой он отключится при падении заряда до 20-25% от полной емкости.
• Испарения кислоты и водорода. Принцип действия аккумуляторных батарей предусматривает выделение в воздух водорода и паров кислот. Данное условие характерно, кстати, и для батарей, идущих в комплекте с ИБП. Многочисленные замеры показывают, что количество кислоты и водорода, полученное в процессе работы и заряда АКБ от источника бесперебойного питания, ничтожно и не представляет вреда для человека при соблюдении техники безопасности.
• Взрывоопасность. При работе и заряде ИБП концентрация водорода в объеме стандартного помещения не достигает опасного отношения к кислороду, поэтому взрывоопасной смеси не возникнет.

Практический пример

Собрать собственную систему бесперебойного питания большой емкости с использованием автомобильного аккумулятора поможет следующая небольшая пошаговая инструкция. В качестве примера взят самый распространенный ИБП линейки Back-UPS производства APC.

Рабочее напряжение батареи составляет 12 В постоянного тока.

При производстве работ соблюдайте правила безопасности для электроустановок! Все работы проводите на отключенных от сети устройствах!

1. Отсоедините штатную аккумуляторную батарею источника бесперебойного питания, и если она исправна, ее можно использовать в дальнейшем.
2. Очистите от загрязнений и полностью зарядите автомобильную аккумуляторную батарею. Проверьте уровень электролита, при необходимости долейте дистиллированную воду. Снимите заливные пробки, прикройте их декоративным кожухом, не препятствующим газообмену. Примите меры по предотвращению опрокидывания батареи, надежно закрепив ее или установив в специальный ящик.
3. Провода необходимой длины нужно оконцевать соответствующими клеммами. Для проводов большого сечения применяйте обжимные клещи.
4. Установите вентиляторы дополнительного охлаждения на корпус ИБП, предварительно просверлив вентиляционные отверстия. Рекомендуется использовать два вентилятора – на приток и на вытяжку воздуха. Электропитание системы охлаждения выполняется от проводов аккумулятора через разъемы.
5. Разместите ИБП и автомобильную АКБ на рабочих местах. Уложите провода в кабелепровод. Обязательно убедитесь, что вентиляционные отверстия не заблокированы посторонними предметами или стенками мебели.
6. Соблюдая полярность, подключите провода к ИБП, затем к батарее. При подключении к батарее первым присоединяйте плюсовой провод.
7. Подключите нагрузку к ИБП, включите ИБП в сеть. Настройте бесперебойник так, чтобы он отключался при падении заряда до 20-25% от полного.

Сборка схемы закончена.

Полезным будет посмотреть следующее видео на эту тему

Техника безопасности

При сборке схемы и эксплуатации соблюдайте правила работы с электрическими устройствами. Убедитесь, что электрические провода уложены в кабелепровод (короб, труба) и надежно закреплены.

При заряде батареи не допускайте образования искры или открытого огня рядом с батареей, не забудьте снять заливные пробки. Всегда первым отсоединяйте отрицательный полюс, затем положительный.

Не допускайте попадания металлических предметов на клеммы аккумулятора.

Электролит батареи содержит кислоту и крайне ядовит. Не допускайте выплескивания электролита из АКБ, надежно закрепите батарею на рабочем месте. После снятия заливных пробок будьте особенно внимательны, при попадании электролита на кожу промойте ее большим количеством воды, обратитесь к врачу.

Техническое обслуживание

Периодичность и состав обслуживания собранной схемы не сложнее аналогичного для автомобильного АКБ.

Регулярно проводите осмотр и очистку всех элементов системы, предварительно отключив их от сети.

Периодически контролируйте уровень электролита в АКБ, при необходимости долейте дистиллированную воду.

Заключение

Значительно повысить время работы ответственных электропотребителей при отсутствии основной сети поможет несложная и недорогая система бесперебойного питания на основе стандартного ИБП и автомобильного аккумулятора.

Соблюдая простые правила безопасности и условия эксплуатации, с предложенной схемой можно добиться весьма хороших результатов, и вопрос «Можно ли к бесперебойнику подключить автомобильный аккумулятор?» не вызовет сомнений.

ПРивет!
Для работы на полноценном ПК с дачи сделал бесперебойник из старого АКБ. Тут электричество отключают редко — но метко :))
Получилось дёшево и сердито = 3 тр за всё:
1.5тр инвертор+ 1,5тр зарядка АКБ (но я её и для зарядки основного АКБ на авто использую) + старый АКБ условно-бесплатно.

Система меня выручила пару дней по 5-6 часов в середине августа (питал ноут) и вчера (подстраховался на полноценный ПК).
Если доработать узкое звено — вентилятор инвертора, то будет условно-вечной.

Требуется:
1) АКБ старое, снятое с авто. В моём случае 5-летняя 75Ач кака, то есть Ca-Ca, извините — не удержался :))
без КЗ в банках, но плохо тянуло = остаточный ресурс думаю 30% или около того.
2) Зарядка для АКБ МОЩНАЯ (лучше НЕ-автоматическая), чтобы по паспорту при 13.0-13,3В давала не менее 15А (а по факту не менее 6-7А в не-предельном режиме).
Напряжение 13-13,3 выбрал потому как оно НЕ перезаряжает АКБ и может быть подано на клеммы АКБ «условно вечно».
У меня временно в роли зарядки была автоматическая с Али

Мой вариант:
1) Инвертор на 1500Вт = aliexpress.ru/item/4000864440659.html
2) Зарядка АКБ aliexpress.ru/item/1005001544042339.html
примечание = эта зарядка АКБ по факту дает не более 5.5-6А при 12-13В, маловато для питания 85Вт, но на край пойдёт

По времени работы от АКБ:
АКБ старого с авто с остаточным ресурсом 20-30% будет достаточно для 1-2 часов работы полноценного ПК.
1) Пусть в АКБ осталось 20 Ач, при напруге 12.2В получаем 244 Вт-часа.
2) Пусть КПД инвертора 80% (не замерял и не хочу этим заниматься), из 244Втч останется 195,2Ач.
Часа на 2 хватит по любому, если АКБ не убивать в ноль и если АКБ перед использование был заряжен насколько это возможно.

Потребление:
1) Ноут
17инч HP 470 G0 на i3 3210м потреблял 32-35Вт (я думал будет меньше), проработал при 6 часов
За это время АКБ не убилось, на ней даже напряжение поднялось :)) Видать АКБ только начала входить в рабочий процесс.
2) Стац. ПК
В моём случае ПК на 7нм (4650g) + два монитора 24/27инч кушают 85-90 Вт.
Подключил уже после того, как два раза в день включили 220 и похерили около часа моей работы (файлы не сохранились)…
После того как собрал УПС — электричество не отключали, закон подлости.
Но с 11 до 18 часов работал питая инвертором ПК:
Зарядка при этом заряжала АКБ током 6А при 12.2В, а инвертор сколько Ампер брал я не замерял. К концу работы напряжение на АКБ не упало, или на 0,1В просело — точно не скажу.

Лучше брать зарядку с ручной настройкой напряжения и током не менее 10А.
Для себя вместо зарядки заказал БП импульсный на 13.8V (регулируется, уменьшу до 13.3В) на 200Вт с Али за 1,3 тр. = aliexpress.ru/item/1005002843829663.html
Этот БП сможет давать до 15А в пределе при 13.3В, а в половинном спокойном режиме = 7-7,5А легко даст, что мне надо

6 голосов