Servis

Olověné akumulátory pro UPS: kontrola, péče, životnost

Chemie a základní vlastnosti

Olověný kyselinový akumulátor byl vynalezen v roce 1881 ve Francii. Základní konstrukce je zdánlivě jednoduchá. Při výrobě je akumulátor již nabitý a jeho úplné vybíjení není žádoucí. Záporná elektroda se skládá z čistého kovového olova, kladná z dioxidu olova PbO2. Oba materiály, olovo a dioxid olova, jsou dobře vodivé, to je základ pro dobré elektrické vlastnosti akumulátoru. Elektrolytem je zředěná vodou kyselina sírová H2SO4. Při vybíjení se materiál obou elektrod mění na sulfát olova PbSO4, kyselina se mění na vodu. Při nabíjení na základní elektrodě máme znovu metalické olovo, kladná se mění na dioxid olova a koncentrace kyseliny roste, voda v elektrolytu se mění na kyselinu sírovou. Základní reakce je jednoduchá jen na první pohled. Ve skutečnosti při nabíjení a vybíjení pravděpodobně probíhá série reakcí z nichž jsme schopni pozorovat jen konečný výsledek. Výzkum olověných akumulátorů pokračuje a zdá se, že pro vysvětlení všech jevů bude třeba aplikovat kvantovou teorii.

Dnes se vyrábí bezpočet různých druhů olověných kyselinových akumulátorů, které používají výše popsaný elektrochemický proces. Pro UPS se používají speciální akumulátory: hermetizované, navržené pro vybíjení velkým proudem a optimalizované pro dlouhou životnost v pohotovostním provozu.

VRLA: hermetizované akumulátory

Hermetizované akumulátory jsou v odborné literatuře označovány zkratkou VRLA: "valve regulated lead acid", v doslovném překladu olověné kyselinové akumulátory regulované ventilem. Aby z akumulátoru netekla kyselina, je v nádobě každého článku ventil, který tento článek neprodyšně zavírá. Ventil plní bezpečnostní funkci: pokud by se v nádobě zvýšil tlak, ventil přebytečné plyny vypustí ven.

Kyselina v takovém akumulátoru není volně tekutá, je znehybněna buď tak, že je obsažena v rohoži ze skelných vláken nebo je zahuštěna vločkami oxidu křemíku SiO2 (to je chemikálie která tvoří obyčejný písek). Akumulátory se skelnou rohoží se odborně nazývají AGM (absorbed glass matt), akumulátory s "pískem" jsou "gel cell", gelové. Písek v gelových akumulátorech je speciálního druhu, je vyráběn spalováním sloučeniny křemíku, přičemž se vytváří prášek složený z mikroskopických vloček. Takový "písek" na sebe dobře váže kapaliny, vytváří gel a nereaguje s kyselinou sírovou. Jinak stejný "písek" je potravinovým doplňkem E551. Hermetizované akumulátory mají ještě další důležitou vychytávku: jejich elektrody obsahují katalizátor pro podporu rekombinace plynů. Při nabíjení totiž dochází k rozložení vody v elektrolytu na vodík a kyslík, což jsou plyny, které zvyšují tlak uvnitř nádoby. Díky obsahu katalizátoru v akumulátoru běží obrácená reakce a plyny se mění zpět na vodu.

Nabíjení akumulátorů VRLA

Olověné akumulátory mají výhodu: vydrží při nabíjení hrubší zacházení což umožňuje značně zjednodušit konstrukci UPS. Dnes je téměř výhradně používá tří fázové nabíjení:

  • V první fázi do akumulátoru pouštíme konstantní proud o velikosti, C/10, desetiny kapacity. Zde C je kapacita v A/h uvedená výrobcem v datovém listu. Napětí na akumulátoru postupně roste vlivem elektrochemických procesů. Nabíjení konstantním proudem je rychlé a na jeho konci je akumulátor nabit přibližně na 70% kapacity. Až napětí na akumulátoru stoupne na 2,27V/článek, nastupuje druhá fáze: nabíjení konstantním napětím.
  • Při nabíjení konstantním napětím proud vlivem vnitřních procesů v akumulátoru postupně klesá a na konci je téměř nulový. Napětí nabíjecího zdroje se nastavuje na 2,27V na článek. Během této druhé fáze akumulátor nasaje zbývajících 30% kapacity, ale nabíjení probíhá podstatně pomaleji než v první fázi. Ve specifikacích UPS se často uvádí doba nabíjení na 60 nebo 70% - to je proto, že dobu nabíjení můžeme dobře odhadnout jen pro první fázi.
  • Třetí fáze nabíjení je udržovací: nabíjecí zdroj drží na akumulátoru konstantní napětí stejné, nebo o něco menší než bylo napětí pro druhou fázi nabíjení. Udržovací napětí se v manuálech UPS nazývá "float voltage". Akumulátory VRLA je třeba takto nabíjet trvale, protože jinak dochází k samovybíjení. Pokud je udržovací napětí malé, akumulátor se postupně vybíjí, pokud je velké, dochází k intenzivnější elektrolýze, v nádobě se hromadí plyny. Správné nastavení udržovacího napětí je důležité pro dlouhou životnost akumulátorů. Nelze ho vědecky jednoznačně určit, to je věc zkušenosti výrobců UPS a servisních techniků. Pro akumulátorové systémy s velkým počtem článků se typicky volí o něco menší udržovací napětí na článek, počítá se s rozptylem parametrů článků.
  • Vyrovnávací nabíjení, v odborné literatuře též "boost charge" je nabíjení větším napětím. Akumulátorové systémy s větším počtem článků zapojených do série je třeba občas vyrovnávat, neboť jejich elektrické parametry se s časem rozbíhají. Při nabíjení zvýšeným napětím se rozpouští větší, tvrdé krystaly sulfátu olova, které nestačí reagovat při normálním nabíjení. Vodivost článků při tom stoupá, články se vyrovnávají navzájem, zvyšuje se jejich kapacita. Takové vyrovnávací nabíjení ovšem zároveň víc aktivuje elektorolýzu vody v elektrolytu, v akumulátoru se hromadí víc plynů, může dojít k úniku plynů přes ventily, akumulátor může postupně vyschnout. Aby nedocházelo k přílišné ztrátě elektrolytu, musí být vyrovnávací nabíjení časově omezené. Některé UPS vyrovnávací nabíjení podporují, doba je typicky omezena na hodinu nebo několik hodin.

Ve většině UPS jsou akumulátory typicky zapojeny do série a celý řetězec je nabíjen jedním nabíjecím zdrojem. Napětí jednotlivých článků se nereguluje ani neměří samostatně, UPS kontroluje jen celkové napětí celého řetězce. Olověné akumulátory mají důležitou vlastnost: napětí článků se při nabíjení vyrovnává a přechodné zvýšené napětí olověné akumulátory dobře tolerují. Samovyrovnávací vlastnost olověných kyselinových akumulátorů umožňuje značně zjednodušit konstrukci a potažmo i cenu UPS.

Výše uvedená samovyrovnávací schopnost olověných akumulátorů funguje jen do určité míry, jen pokud všechny články v řetězci mají stejné parametry. Pokud mezi články jsou rozdíly, některé články jsou nabíjeny menším napětím a hromadí se v nich málo rozpustný sulfát olova, jiné články jsou nabíjeny větším napětím a dochází k vývinu plynu a ztrátě elektrolytu. Vlivem rozdílů parametrů článků s časem dochází k degradaci a stárnutí akumulátorového systému. Pro použití v UPS, kde jsou akumulátory zapojeny do série, je malý rozptyl elektrických vlastností zásadním parametrem kvality, ovlivňuje životnost celého akumulátorového systému.

Trh s akumulátory VRLA zažil celou řadu katastrofálních selhání. Katastrofy spočívaly v tom, že při stěhování výroby do jiných zemí nebo se změnou dodavatele klíčových komponentů, původně kvalitní akumulátory dobrých značek v provozu rychle degradovaly, sotva dožily nebo nedožily záruční lhůty. Hromadné vady výrobci registrovali pozdě, nebyli schopni plnit reklamace. Některé firmy se dostali do platební neschopnosti a šly do likvidace, jiné stačily prodat výrobu akumulátorů a změnit tak značku. O těchto událostech zde zmiňuji proto, že v důsledku katastrof s kvalitou se zrodil celý nový trh doplňku pro vyvážení a kontrolu akumulátorových bloků v UPS. Fungovalo to tak, že ke každému bloku v řetězci akumulátorů byl připojen elektronický obvod v krabičce, který měřil napětí bloku a pokud napětí bylo větší, propouštěl proud mimo tento blok. Krabičky fungovali jako paralelní regulátor napětí, v cizím jazyce "shunt regulator". Dnes takové regulátory se používají pro lithiové akumulátory a nazývají se "balancer". Balancery vyžadují svoje vodiče a konektory, nadřazený systém komunikace a dohledu - v důsledku výrazně zdražují UPS, přitom problém původně způsobený nekvalitními akumulátory řeší jen částečně. Dnes balancery pro akumulátory VRLA upadají v zapomnění.

Na závěr k nabíjení olověných akumulátorů je třeba poznamenat, že historicky bylo mnoho pokusů vymyslet chytřejší způsoby nabíjení olověných akumulátorů s cílem prodloužit jejich životnost, případně je oživit či omladit. Ty všechny, někdy i patentované, pokusy selhaly a dnes převládá jednoduché nabíjení výše popsaným postupem.

Vybíjení akumulátorů VRLA

Pro hodnocení jak je akumulátor nabit odborníci používají zkratku SOC - "state of charge". Pokud je akumulátor nabíjen konstantním napětím po dobu 4 hodin, můžeme považovat, že SOC=100%, akumulátor je plně nabit. Budeme-li akumulátor vybíjet malým proudem C/10 do koncového napětí 1,75V/cell, bude po takovém vybíjení SOC=0%, akumulátor je plně vybit.

Koncové napětí, zkráceně EODV, "end of discharge voltage", je důležitým parametrem, který je typicky uveden v datovém listu akumulátoru. Vybíjení pod EODV silně snižuje životnost akumulátorů. Olověné akumulátory sice snesou hrubé zacházení včetně vybíjení až na nulové napětí, výsledek takového vybíjení je však nejistý: některé akumulátory se ještě proberou, jiné už budou zcela nepoužitelné. Vybíjení pod EODV je třeba zabránit. Většina UPS má zabudovaný limit EODV nastavený pro celý string. Například, pokud má UPS nominální napětí akumulátorů 120VDC, limit EODV bude typicky nastaven na 105VDC.

Akumulátory VRLA spolehlivě fungují a dlouho vydrží pokud je nevybíjíme až do nulového SOC. Při plánování potřebné doby zálohování je třeba počítat s vybíjením akumulátorů zhruba na polovinu, 50% SOC. Pokud je UPS navržena s krátkou dobou zálohování, akumulátory se dostanou na mezní napětí konce vybíjení, UPS se vypne, ale v akumulátorech ještě zůstane energie, SOC není nulové. Takže u UPS s malou dobou zálohování je automaticky splněno doporučení nevybíjet akumulátory do konce. Naopak u UPS s dlouhou dobou zálohování z akumulátorů vytahujeme víc energie, budeme se dostávat blízko k SOC=0, akumulátory budou trpět a po několika takových vybíjeních je bude třeba vyměnit. Proto u UPS s dlouhou dobou zálohování je vhodné řešit řízené vypnutí UPS před úplným vybíjením akumulátorů.

Připomeňme, že v UPS jsou akumulátory zapojeny do série a vybíjení jednotlivých bloků a článků UPS neměří a nekontroluje. Při hlubokém vybíjení se může stát, že některé bloky se dostanou pod EODV, tyto bloky urychleně stárnou, jejich elektrické vlastnosti se změní natrvalo což následně způsobí nevyváženost celého řetězce.

Pravidelné vybíjení akumulátorů za účelem ověření jejich stavu není dobrý nápad. V některých UPS můžeme dokonce nastavit automatické testy akumulátorů. Takové testy nejsou vhodné, protože při vybíjení akumulátorů se může stát, že jeden z bloků v řetězci se dostane pod EODV a bude tímto poškozen. V důsledku bude akumulátorový systém rozhozen a nebude se správně nabíjet. Test akumulátorů sice dopadne dobře, ale to bude poslední test, který tento akumulátorový systém přežije. Důsledným testováním paradoxně snižujeme spolehlivost akumulátorového systému.

Životnost akumulátorů VRLA

V prvé řadě je životnost akumulátorů dána složením materiálů, konstrukci a technologii výroby. Pro základní přehled můžeme použít publikaci, kterou vydává sdružení výrobců akumulátorů Eurobat. Publikace se nazývá "EUROBAT guide for specification of valve regulated lead-acid stationary cells and batteries". Zde jsou akumulátory rozděleny na skupiny dle projektované životnosti:

3-5 let Standardní komerční akumulátory. Eurobat zde používá neutrální popis, avšak tyto akumulátory se do UPS nehodí.
6-9 let Akumulátory pro všeobecné použití. To jsou akumulátory se standardní životnosti, které se typicky dodávají s novými UPS.
10-12 let Akumulátory s dlouhou životností. Používají se v UPS pro náročné aplikace.
12 a více let Speciální akumulátory pro použití v provozech, kde je požadována největší spolehlivost a životnost.

Výrobci či prodejci akumulátorů často uvádí projektovanou životnost, v původním textu "Eurobat design life". Design life znamená, že akumulátor je navržen a vyroben tak, že v laboratorních podmínkách, při teplotě 20C, při stálém nabíjení udržovacím napětím, v pohotovostním provozu, bez vybíjení, vydrží uvedenou dobu. Eurobat nespecifikuje přesně kritéria pro konec životnosti. V systémech UPS s malou dobou autonomie typicky počítáme, že akumulátory je třeba vyměnit při poklesu kapacity pod 60%.

Životnost akumulátorů v UPS je typicky menší než projektovaná životnost. Je ovlivněna hlavně těmito faktory:

  • Provozní teplota je hlavním faktorem snížení životnosti. Zvýšení teploty nad 20C o každých 10C snižuje životnost o polovinu. Moderní UPS mají zabudovanou korekci nabíjecího napětí s ohledem na teplotu odborně nazývanou též "temperature compensation". Taková teplotní kompenzace nepatrně snižuje vliv zvýšené teploty na životnost.
  • Počet nabíjecích - vybíjecích cyklů u akumulátorů optimalizovaných pro pohotovostní provoz je relativně malý. Akumulátor VRLA typicky vydrží 300 cyklů. Provozovatelé UPS často aktivují automatické testy akumulátorů. Takové testy znatelně snižují životnost akumulátorů.
  • Hluboké vybíjení dovede akumulátory VRLA silně poškodit už při jednom takovém vybíjení. Každá UPS má zabudovanou ochranu proti hlubokému vybíjení: při poklesu napětí akumulátorů pod 1,75V/cell UPS automaticky vypíná zátěž, končí vybíjení akumulátorů. Taková jednoduchá ochrana však nepočítá s tím, že při vybíjení s malou zátěží můžeme z akumulátoru vycucnout víc energie než jeho napětí poklesne pod ochrannou mez. Vybíjení UPS s malou nebo nulovou zátěží až do vypnutí silně zkracuje životnost akumulátorů.
  • Pulsace nabíjecího napětí mají efekt mikro cyklování. Pokud je nabíjecí napětí zvlněné nebo nestálé, akumulátory se cítí jako kdyby dostávaly nabíjecí a vybíjecí cykly, takový způsob nabíjení zkracuje jejich životnost.
  • Teplotní rozběh - to je takový jev, při němž se teplota akumulátorů zvyšuje při vybíjení a nabíjení. Při provozu UPS v teplotně namáhaném prostředí, například v datových centrech, se může stát, že UPS zálohuje svou zátěž, ale chlazení v prostoru zálohované není, chlazení přestane fungovat. Při vybíjení akumulátorů teplota okolí roste. V řetězci akumulátorů zapojených do série mají teplejší bloky větší odpor a zahřívají se ještě víc. Z horkých akumulátorů se intenzivně odpařuje elektrolyt. Pokud takto zahřáté akumulátory začneme hned po vybíjení nabíjet, teplotní rozběh často pokračuje do úplného zničení některých akumulátorových bloků. Výsledek se odborně jmenuje "akumulátory se uvařily". Jedna taková událost může akumulátorový systém úplně zničit. Teplotní rozběh je relativně pomalý proces, trvá několik desítek minut. Zabránit trvalému poškození akumulátorů můžeme tak, že UPS při zvyšující teplotě okolí vypneme.

Na závěr k životnosti akumulátorů je třeba poznamenat, že akumulátory v UPS jsou určeny k zálohování zátěže za každou cenu, kritická zátěž má prioritu před dlouhou životností akumulátorů. Proto je třeba počítat s tím, že akumulátory jsou pro UPS spotřebním materiálem a jejich praktická životnost bude kratší než projektovaná životnost specifikovaná výrobcem.

Odhad doby autonomie

Pro většinu aplikací UPS a speciálně pro IT je třeba přesně odhadovat zbývající dobu zálohování. Za předpokladu, že v UPS typicky vybíjíme akumulátory konstantním výkonem, odhadnout dobu zálohování můžeme takto:

  • Na začátku vybíjení se ujistíme, že SOC=100%. To můžeme předpokládat jen tehdy, pokud akumulátor byl nabíjen konstantním napětím po dobu 4 hodin nebo déle.
  • Při vybíjení budeme přesně měřit elektrický výkon, budeme tento výkon integrovat a počítat energii, kterou jsme z akumulátoru odebrali.
  • Vzorec pro výpočet zbývajícího času běhu můžeme odvodit z tabulky vybíjení akumulátorů konstantním výkonem.
  • Za předpokladu že zatížení UPS zůstane stejné, můžeme za pomoci vzorce odvozeného z vybíjecích tabulek dostatečně přesně stanovit zbývající dobu autonomie.

Naznačený správný postup výpočtu založený na měření energie je složitě realizovatelný, neboť vyžaduje přesné měření napětí a proudu akumulátorů. Proto se v UPS často používá jednoduchý výpočet založený na měření jen jednoho parametru, napětí akumulátorů. Vzorec rovněž bere do úvahy počet akumulátorů a jejich nominální kapacit - to jsou konstanty, které se vyplňují při instalaci UPS. Zbývající čas běhu se přitom počítá "chytrým", velmi komplikovaným, empiricky odvozeným a často patentovaným vzorcem. Takový výpočet doby zálohování z měřeného napětí je vždy nepřesný, ale má dobrou vlastnost: odhad doby zálohování se zpřesňuje na konci vybíjení.

Pro plánování doby autonomie jsme vytvořili webovou aplikaci https://runtime-calc.upsserv.cz. Program funguje tak, že používá tabulky vybíjení akumulátorů s konstantním výkonem od výrobců. Z tabulek vytváří aproximaci spojitou funkci a pomocí této funkce počítá dobu zálohování pro stanovenou zátěž, vybraný typ a počet akumulátorů. Program zobrazuje graf aproximační funkce, body původní tabulky od výrobce a bod vypočtené doby zálohování. Graf je určen pro vizuální kontrolu jak je přesná aproximace.

Při plánování doby zálohování musíme počítat s tím, že skutečné akumulátory mají odchylku kapacity zhruba 10% i více od hodnot udávaných výrobcem v tabulkách. Proto odhady doby zálohování jsou orientační.

Diagnostika akumulátorů VRLA

Ověřit, zda jsou akumulátory funkční a mají dostatečnou kapacitu, můžeme tak, že akumulátory úplně vybijeme. Časté vybíjení akumulátorů však není žádoucí. Pro nedestruktivní diagnostiku akumulátorů můžeme použit měření jejich vodivosti.

Je vědecky prokázáno, že pro každý kus akumulátoru VRLS platí, že jeho kapacita se s časem mění úměrně jeho vodivosti. To neznamená, že z kapacity každého akumulátoru můžeme vypočítat jeho vodivost a naopak. Obecně platí, že vztah mezi vodivosti a kapacitou je s časem stejný pro daný kus akumulátoru.

Pokud změříme vodivost akumulátorů po uvedení do provozu, pak následně každý rok, změna vodivosti akumulátorů bude sledovat změnu jejich kapacity. První měření můžeme vzít jako 100% kapacity, to bude referenční hodnota. V prvním roce provozu vodivost a kapacita typicky rostou, v dalších létech začíná pokles. Až vodivost poklesne pod 60% původní vodivosti, je čas na výměnu akumulátorů.

Měření vodivosti je důležité rovněž proto, že dovedeme najít v akumulátorovém systému případné vadné bloky. Vadné bloky jsou často způsobeny vadou ve výrobě a objevují se v prvním roce po uvedení do provozu.

Výsledky měření vodivosti můžeme charakterizovat dvěma čísly: průměrnou vodivosti a normovaným rozptylem. Pokud průměr označíme zkratkou mean a rozptyl spočítáme v tabulkovém programu pomocí funkce stddev(), normovaný rozplyl bude stdev()/mean vyjádřeno v procentech. Stárnutí akumulátorů se projevuje tak, že průměrná vodivost s časem klesá, rozptyl roste. Hodnota rozptylu větší než 10% znamená, že akumulátory v řetězci jsou rozhozeny. V důsledku rozhození jejich nabíjení nefunguje ideálně a můžeme očekávat rychlejší stárnutí či náhlé selhání celého řetězce.