Baterii pentru UPS și Vehicule Încărcătoare de baterii

Bateriile plumb-acid sunt utilizate de peste 150 de ani și reprezintă 70% din bateriile reîncărcabile utilizate la nivel mondial.

Bateriile plumb-acid sunt de bază atunci când este necesară o cantitate mare de energie la cost eficient. Bateria plumb-acid, în toate formele sale, este temelia sursei de alimentare în industria auto și a sursei neîntreruptibile (UPS), fiindcă poate da putere mare, este robustă și are costul foarte scăzut (datorită reciclării materialelor). Bateriile plumb-acid sunt disponibile în diferite forme constructive, pentru variate aplicații de tracțiune auto (baterii de pornire și/sau de mișcare) și tipuri de aplicații staționare (UPS și sisteme fotovoltaice).

În funcție de starea fizică a electrolitului, se fabrică (1) baterii cu electrolit lichid (SLI)
(2) baterii cu electrolit gel (Gel Cell recombination) numite și baterii etanșate cu supapă de control (Valve Regulated Lead Acid – VRLA sau Sealed Lead Acid – SLA).
Electrolitul gel este absorbit într-un material poros – la unele baterii este din microfibre de sticlă (Absorbed Glass Mat – AGM). Bateriile etanșate și cu electrolit gel pot funcționa în orice poziție.
Tensiunea nominală a unei singure celule într-o baterie plumb-acid este de 2V. Deci, o baterie de 12V are șase celule înseriate. Celula fără sarcină la borne (în gol), încărcată complet are 2.1V, iar descărcată complet are 1.95V. Când descărcarea e mai profundă de 80% din capacitatea bateriei (tensiunea ajunge la 1.75V pe celulă, cu sarcină la borne), poate avea ca rezultat deteriorarea celulelor.
Tensiunea la care apar bule de gaze oxigen și hidrogen este 2.3 – 2.38V și se consideră încheiată încărca­rea atunci când se atinge tensiunea 2.4V pe celulă, la 25°C. Pentru baterii de 12V, tensiunea de 2.4V × 6 = 14.4V trebuie să fie asigurată de alternatorul unei mașini pentru încărcarea bateriei și, respectiv este tensiunea maximă dată de un încărcător.

Bateria este ca un rezervor de apă. Cantitatea de apă reprezintă energia, iar capacitatea este volumul disponibil. Amândouă bateriile sunt încărcate, dar conținutul de reziduuri limitează energia stocată la 40%. Debitul de apă reprezintă curentul. O baterie nouă poate da un curent de pornire în jur de 300A timp de 10 … 20 secunde, dar o baterie la finalul vieții deși, încă mai poate asigura curentul de pornire, are capacitatea scăzută sub 50% și declinul este rapid.

Bateriile din UPS trebuie să dea în sarcină putere ce variază de la 100VA până la 10kVA, iar capacitatea bateriei determină cât timp va da putere sarcinii: t (ore)= [0,8 × Capacitate baterie (Ah) × Tensiune baterie (V)]: Putere sarcină (VA).
Cea mai mare parte a bateriilor utilizate în industria UPS sunt tipurile VRLA. Bateria VRLA are o supapă (ventil sau valvă) de eliberare a presiunii aflată în interiorul celulelor bateriei și previne evadarea electroli­tului. Bateria este sigilată în mod normal, pentru a preveni intrarea de oxigen, și la fel de important, păstrează hidrogen gazos pentru a menține în echilibru procesul de recombinare pe durata încărcării. Într-o baterie VRLA, plăcile electrod aflate la distanțe mici sunt se­parate printr-un material poros din fibră de sticlă. Celula este umplută cu electrolit doar pentru a acoperi suprafața plăcilor de electrozi și firele de sticlă ale materialului separator. Acest lucru creează o stare de nevoie stringentă (foame) de electrolit, și permite transferul de gaz omogen între plăci, facilitându-se recombinarea de hidrogen și oxigen gaze, înapoi în apă, atunci când bateria este reîncărcată. De aceea, în condiții normale de reîncărcare, supapa celulei rămâne închisă și se menține presiunea din celule, asigurând procesul de recombinare a gazelor.
Bateria auto numită și baterie starter este specifică unui sistem electric pentru un tip de mașină. Bateria starter trebuie să aibă capacitatea de a livra curentul mare la pornire (cranking current).
Notă. Curentul de performanță la pornirea la rece (-18°C sau 0°F) este specificat pe baterie conform diferitelor standarde:
SAE: curent la rece dat de baterie 30 secunde, menținând o tensiune ≥ 7.20V.
DIN: curent la rece dat de baterie 150 secunde, menținând o tensiune ≥ 6.0V. În plus, tensiunea la acest test, măsurată după 30 secunde trebuie să fie ≥ 9.0V.
EN: curent la rece dat de baterie 10 secunde, menținând o tensiune ≥ 7.5V.
IEC: curent la rece dat de baterie 60 de secunde, menținând o tensiune ≥ 8.40V. Deci, IEC specifică o performanță de pornire la rece mai mare cu + 20% decât DIN.
Bateriile depozitate se auto-descărcă în timp și, în cazul în care nu sunt reîncărcate, vor deveni excesiv de descărcate, deteriorându-se. Rata de auto-descărcare este accelerată dacă temperatura de depozitare este ridicată peste 25°C. Producătorii de baterii recomandă ca bateriile să fie complet încăr­cate înainte de depozitare, și reîncărcate la intervale specificate ce depind de temperatura mediului ambiant, în care sunt depozitate bateriile. Ca exemplu, un producător poate recomanda ca o reîncărcare să fie efectuată la fiecare șase luni, dacă depozitarea este la 20°C … 30°C, în timp ce stocarea într-un mediu de 30ºC … 40°C ar putea necesita o reîncărcare la 3 luni. (vezi specificații pentru bateriile Pb-acid Panasonic: www.panasonic.com/industrial)

Bateria are o viață limitată formată din 3 faze: Formatare, Vârf și Declin. Formatarea este cea mai importantă pentru baterii cu descărcare ciclică profundă și necesită 20-50 cicluri complete pentru a ajunge la o capacitate de vârf. Bateriile auto au puterea deplină chiar de la început.

Utilizarea în domeniul UPS cu întreruperi dese realizează acest lucru, dacă nu, este nevoie să se aplice cicluri repetate pentru amorsare. Cu toate acestea, producătorii recomandă a folosi ușor bateria până la amorsare. Bateriile de starter auto sunt mai puțin critice și nu au nevoie de amorsare, puterea deplină de demarare este chiar prezentă de la început, deși valoarea curentului de pornire va crește ușor la începutul utilizării.
O baterie cu descărcare ciclică profundă oferă 100-200 cicluri înainte de a începe declinul treptat. Înlocuirea trebuie să aibă loc atunci când capacitatea scade la70-80%. Unele aplicații permit praguri de capacitate mai mici, dar timpul de

PB-1000 Meanwell, încărcător de 1000 W, PFC activ, controlat cu microprocesor, în 2/3/8 etape selectabile pentru baterii Pb-Acid 12V, 24V, 48V.

pensionare nu trebuie să scadă sub 50%, deoarece procesul de îmbătrânire se produce rapid odată ce bateria este trecută de 50%. Se mai poate încerca o revenire aplicând o încărcare de saturație deplină 14 – 16 ore. Funcționarea la temperaturi moderate asigură cel mai lung timp de servicii. Dacă este posibil, se evită descărcările adânci și se încărcă mai des.

Operarea în condiții extreme scurtează viața bateriilor.

 
(1) Temperaturile înalte vor reduce considerabil durata de viață a bateriei, deoarece crește rata de coroziune a grilei de electrozi și de deteriorare internă. Durata de viață tipică a unei baterii prisma­tice VRLA este de 3 până la 5 ani într-un mediu de operare de +25°C. O baterie VRLA are viața mai mică de un an în cazul operării la temperaturi de +50°C. Temperaturi sub 0°C afectează de obicei capacitatea bateriei, deoarece crește rezistența internă a bateriei, deci nu va limita curentul cerut de sarcină.
(2) Pierderea lentă de hidrogen și oxigen gaze are loc chiar și atunci când sunt utilizate în intervalul ideal de temperatură, astfel că cele mai multe baterii prismatice VRLA suferă de o uscare în timp, care afectează în mod negativ procesul de recombinare, făcând ca celulele bateriei să nu mai fie active. Bateriile cilindrice VRLA în carcasă de metal au supape pentru presiune internă mai mare, prelungind astfel viața lor. Unii producători oferă baterii cilindrice VRLA cu 10 ani – durată de viață, la +25°C, iar domeniul temperaturii de lucru deosebit: -30…+80°C.
(3) Creșterea numărului de cicluri de descărcare și reîncărcare într-un an va scurta durata de viață a bateriei.

Important de știut

1. Bateria descărcată ca urmare a lăsării luminilor aprinse pe o mașină oprită duce la descărcarea bateriei, iar mersul cu mașina 30 – 60 minute nu va reuși să o reîncarce 100%. Același lucru e valabil dacă mașina se folosește rar, are porniri-opriri dese pe timp foarte cald sau rece, sau se circulă mult noaptea. Refacerea energiei bateriei descărcate se face corect cu un încărcător extern cu 3 sau 5 etape de încărcare. (Vezi tipuri de încărcare a bateriilor Pb-Acid în site: www.electronica-azi.ro , revista nr.180/ Decembrie 2013, articolul Bateriile electrice reîncărcabile Pb-Acid).
Nici bateriile descărcate profund într-un UPS nu au timp să se reîncarce, dacă sunt solicitate des la intervale mici de timp. Exemplu: O baterie UPS de 20 Ah/12V poate asigura, descărcându-se cu 80%, (16Ah), o energie utilă Eutilă = 0,8 × 20Ah × 12V= 192Wh.
Deci, ar putea alimenta o centrală termică de 200W sau un PC cu monitor maxim o oră. Deoarece încărca­rea bateriei în UPS se face la un curent de 0.1 din capacitatea bateriei, deci 2A, ar rezulta un timp de încărcare completă de 8 ore. Alte solicitări ale acestui UPS în intervalul de 8 ore, mențin bateria descărcată cronic. Unele UPS-uri, mai scumpe, au bateria externă de capacitate mare și un încărcător extern, cu 5 sau 8 etape, pentru a monitoriza bateria, a o reîncărca rapid și menține încărcarea aproape 100%.

PB-360P Meanwell, încărcător low-cost de 360 W, PFC pasiv, în 3 etape pentru baterii Pb-Acid 12V, 24V, 48V.

2. Bateriile au o auto-descărcare internă, dar în plus, toate sistemele electrice de pe vehiculele moderne trag o cantitate mică de energie de la baterie și atunci când vehiculul nu este în uz. Acest lucru este normal pentru a păstra toate sistemele electrice “în viață”, dar în timp, bateria va fi complet descărcată (3-4 luni). Singura modalitate de a depăși acest lucru este de a folosi vehiculul în mod regulat sau să se conecteze un încărcător de întreținere, care va păstra bateria într-o stare bună.

3. Bateria descărcată complet prin depozitare îndelungată sau nefolosire câteva luni pe mașină, dar relativ nouă (mai puțin de 12 luni) nu se va reîncărca la un nivel de încredere decât prin încărcare controlată, în 5/8 etape. Aceeași problemă este într-o sursă UPS necuplată la rețeaua AC mult timp. O baterie descărcată este, în general, o baterie bună. Prin reîncărcare în mod corect, folosind un încărcător adecvat, se va restabili starea bateriei în cele mai multe cazuri, dar trebuie prevenite repetări ale descărcării profunde la bateriile de pornire.

4. Toți principalii producători de baterii produc în prezent baterii ce conțin o proporție de Calciu în plăcile pozitive și negative. Bateriile cu Calciu au gazare mai mică, deci și pierderea de apă redusă, rezultând viață mai lungă a bateriei, acceptarea supraîncărcării și o creștere a puterii disponibile. Este important să ne amintim că nu toate bateriile sunt la fel. Bateriile cu un conținut ridicat de staniu (aprox. 2-3 ori mai mare decât cele mai multe baterii) au îmbunătățită reîncărcarea. Încărcarea corectă a bate­riilor se face doar cu încărcătoare în 3/5/8 etape.
Nu se folosesc simple redresoare, fără niciun control al încărcării, fiindcă încărcarea poate fi incompletă sau se face supraîncărcarea cu dagajare mare de gaze, scurtând dramatic durata de viață a bateriei.

5. Deconectarea unei baterii de pe mașină va afecta sistemele de la bord, putând apare pro­bleme la reconectare, chiar necesitatea unei repro­gramări a funcțiilor (de ex. nivelul turației la mers în gol, codul aparatului radio). În situația descărcării lente prin consum și supravegherea nivelului tensiunii pe baterie, chiar sistemul electronic al mașinii se va opri salvând în memorie ultima configurare a funcțiilor, dar în cazul deconectării bruște se poate altera configurarea. Ideal este menținerea încărcării printr-un încărcător extern de calitate, care va menține flotant nivelul încărcării bateriei, atunci când motorul nu funcționează.

6. Deconectarea bateriei pentru înlocuire se face începând cu borna negativă, pentru a preveni un scurtcircuit accidental între borna plus și caroserie. La conectare se începe cu borna plus a bateriei, iar borna minus este legată la caroserie la final. Se respectă polaritatea conectării bornelor bateriei la sistemul electric, deoarece conectarea inversă poate duce la deteriorarea componentelor electrice sensibile și poate distruge siguranțe fuzibile. Conectarea inversă la un încărcător ar putea provoca explozia bateriei.

7. O baterie descărcată va suprasolicita alternatorul mașinii, care va încerca să reîncarce bateria cât mai bine, dar, devenind o sarcină adăugată, motorul va consuma mai mult combustibil.

8. Indicatorul luminos pentru baterie, de pe bordul unei mașini arată că există o problemă cu sistemul de încărcare a bateriei, nu indică faptul că bateria e defectă. Este indicat faptul că sistemul electric este alimentat numai de la baterie și se recomandă oprirea.

9. Bateria auto nu se folosește pentru alte aplicații, ca exemplu o navă pe apă. Bateria marină este proiectată să lucreze în condiții aspre de mediu și au o

PB-600 Meanwell, încărcător de 600 W, PFC activ, în 2/3/8 etape pentru baterii Pb-Acid 12V, 24V, 48V.

caracteristică de semi-ciclu profund, care le permite să fie utilizate pentru a alimenta accesorii pentru o perioadă de timp și apoi fi reîncărcate.

10. Baterie auto nu se folosește pentru alimentare de aparate casnice printr-un invertor DC/AC (ex. frigider sau cuptor cu microunde într-o rulotă) pentru că se va reduce durata de viață a bateriei și va defecta repede. Bateria auto este proiectată cu multe plăci spongioase de electrozi subțiri puse în paralel pentru a produce un curent mare într-o perioadă foarte scurtă de timp (specificat pe baterie în sute de Amperi) pentru a porni un vehicul și apoi alternatorul va suplimenta puterea bateriei.
Descărcarea profundă și repetată dizolvă plăcile.
Pentru frigider, cea mai bună opțiune este o baterie cu descărcare profundă. Această baterie este proiectată să dea o cantitate mică de energie pe o perioadă lungă de timp (specificat pe baterie în minute sau ore), având electrozi groși care suportă stresul încărcărilor -descărcărilor repetate.

11. Firma Meanwell are seriile ESC, SC, PA, PB de încărcătoare de baterii, cu puteri între 120 … 1000W, pentru baterii Pb-Acid de 12V, 24V, 48V.
Încărcătoare staționare:
serii PB-300 / PB-360 / PB-360P / PB-600 / PB-1000
serii ESC-120 / ESP-120 / ESC-240 / ESP-240.
Încărcătoare portabile:
serii PA-120 / PB-120 / PB-230,
serii GC30B / GC30U / GC30E / GC120 / GC160 / GC220 / GC330

12. Dacă niciuna din serii de încărcătoare de baterii nu se potrivește cu cerințele aplicației, se poate căuta la Meanwell o sursă de tensiune care să fie folosită ca încărcător, cu condiția ca protecția la suprasarcină OLP (Over Load Protection) să fie una din două tipuri:
(a) limitare la curent constant când se activează protecția, (b) limitarea de tip fold-back sau putere constantă care are nivelul de curent crescut dacă bateria e descărcată.
Modelele de surse de tensiune cu limitare hiccup sau shutdown nu se pot folosi fiindcă încetează gene­rarea de curent dacă se activează protecția OLP.

13. Toate modelele de încărcătoare Meanwell sunt proiectate pentru baterii Pb-Acid. Bateriile cu Lithium sau alte tipuri au caracteristicile lor de încărcare/descărcare. Modificările pot fi cerute la Meanwell pentru o potrivire a încărcătorului cu profilului fiecărei baterii sau cerințe de la utilizator, prin intermediul firmei ECAS ELECTRO – distribuitor autorizat al produselor MEANWELL.

www.ecas.ro
www.meanwell.com

ECAS

ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor MEANWELL.

www.ecas.ro

Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro