[Из песочницы] Как подключить стартерную АКБ к ИБП

Данная статья будет интересна тем, кто хочет:

• увеличить продолжительность работы ИБП от аккумулятора
• увеличить выносливость автономного источника энергии при некачественном питании

Скептически настроенным читателям, задающим бестолковые вопросы типа:«зачем использовать внешнюю АКБ вместо внутреннего штатного AGM-аккумулятора» и тем, кто отсылает на разные ресурсы по принципу «это обсуждалось 100500+ раз», а также диванным теоретикам просьба проходить мимо и под кат не заглядывать! Ибо здесь не будет рассуждений о вредных газах, парах кислоты, «толщине пластин» и прочей ахенеи. Здесь будет только практика. В фотографиях, показаниях вольтметра, амперметра и обоснованиях. Также прошу проходить мимо Cпециалистов и ИТР, обеспечивающих питание дата-центров, банков, Рос-Мос-Гос-Прочее-энерго, Операторов мобильной связи и прочих организаций с лярдным бюджетом. Вам муравьиное копошение где-то там, внизу, в стремлении сэкономить пару рублей точно не интересно.

А вот Читателям вдумчивым, интересующимся проблемами работы ИБП класса SOHO, добро пожаловать под кат. (ОСТОРОЖНО, очень много фотографий!)

С чего всё началось

В начале нулевых годов ко мне в руки попал старенький источник бесперебойного питания BACK-UPS 600I от басурманского производителя APC. После пары лет эксплуатации и некоторого разочарования из-за дороговизны стандартного AGM-аккумулятора, я решил интегрировать в ИБП автомобильную АКБ. У меня всё получилось! Тогда «эти ваши интернеты» не были так развиты, как сейчас и ИБП с внешней стартерной АКБ тихо-мирно у меня трудился, защищая разное оборудование, в разные годы, от разных форс мажоров. И в 2016 году я созрел на то, чтобы поделиться с общественностью описанием того, как оно у меня работает. Статья была опубликована на другом ресурсе и её при желании можно найти в сети. Но в этой статье речь пойдёт о втором ИБП (от CyberPower), переделанном мною под стартерную АКБ. Модель CP900EPFCLCD.

Первое разочарование

Первым и главным, но единственным разочарованием стал, конечно же, внутренний контролер заряда аккумулятора, заточенный на «поддержание» заряда. Производители аккумуляторов в своих даташитах иногда пишут такую хрень, что просто хочется их спросить — ребята, а вы понимаете вообще химию кислотного источника накопленной энергии и может вместо аккумуляторов вам заняться выпуском ночных горшков !?.. А производители ИБП ориентируются на даташиты производителей аккумуляторов. На лицо заблуждение! Я очень надеюсь, что это не сговор! То, что мы покупаем аккумуляторы для ИБП не раз в 10 лет, а раз в 2-3 года наводит на такую мысль! Кстати, только у российских производителей ИБП я видел подробную инструкцию по эксплуатации, в которой есть хоть какой-то раздел об особенностях работы и эксплуатации аккумуляторов.

Что такое «поддерживающий заряд». Я считаю его грубейшим нарушением технологии заряда АКБ. Так называемая «поддержка АКБ в заряженном состоянии» сводится к обычной «долбёжке» аккумулятора в состоянии недозаряда зарядным током с умышленно заниженным напряжением. Такая «долбёжка» держит аккумулятор в напряжённом состоянии где-то на уровне 80-90% заряда и не только бесполезна, но и вредна для аккумулятора. От этого всплывает куча болячек, которые убивают аккумулятор за 2-3 года. Этого момента более детально я коснусь далее, в разделе Теория. Ну а пока практика, с фотографиями готовой системы бесперебойного питания класса SOHO и комментариями к ним.

Практика

Замена штатных проводов

Выпаивать штатные провода нужно быстро и осторожно, чтобы не допустить отслаивания проводников от текстолита. Площадь сечения проводов достаточно большая, поэтому паяльник нужен соответствующей мощности. Прогреть их до температуры выпаивания нужно как можно быстрей. Я ставил паяльник на 400 градусов, после прогрева подцепив на него каплю олова и смазав место пайки проводов к плате флюсом KING BO RMA-218. Ни в коем случае не греть более 4-5 секунд. Если не получилось — подождать пока место выпивания остынет и повторить снова. Также при выпаивании не прилагать усилие по вытягиванию проводов. Они должны вытянуться без усилия.

Чищу плату от остатков олова и флюса. Самый лучший для этого компонент — спирт. Также можно это делать жидкостью для снятия лака для ногтей, но не каждой. После чистки оцениваю состояние отверстий, их диаметр. У меня на плате всё красиво — гильза, объединяющая слои платы целая, дорожки не отслоились. Значит всё в норме. Примечаю где плюс и где минус. Плюс идёт на три предохранителя по 40 ампер каждый, соединённых параллельно. Прикидываю какие расчётные токи проходят по проводам. Около 100 ампер.

Изучаю выпаянные штатные провода. Чёрный «-«, красный «+». Видно: длинна каждого 30 см, общая длинна — 60 см; сечение 10AWG, что в переводе на родную СИ составляет 5,26 кв.мм. Подбираю ближайший по сечению провод в бóльшую сторону. Я взял советский в синей изоляции (на фото внизу) площадью 6 кв.мм. При этом я сделал их максимально короткими. У меня получилось по 20 см каждый! Итого — 40 см общая длинна. Производитель сделал провода так, чтобы они вытаскивались вместе со штатным AGM аккумулятором. Это нужно для того, чтобы можно было использовать AGM аккумуляторы с разной посадкой выводных клемм.

Изначально я поставил себе задачу сохранения возможности подключения штатного AGM-аккумулятора. Это не только Power Bank на 220 вольт с чистым синусом на выходе и на нагрузку больше 300 ватт! В дальнейшем это возможность подключить в схему ионистр (супер конденсатор) или блок высокоёмкостных конденсаторов параллельно внешней АКБ. Также можно попробовать встроить ЗУ для АКБ вместо штатного аккумулятора. В общем поле для экспериментов.

В этом ИБП штатный аккумулятор вставляется в «коробочку», которая в свою очередь вставляется в сам ИБП. Использую этот бонус от инженеров CyberPower для своих нужд. Провожу провода по коробочке и закрепляю их термоклеем. Если понадобится сделать такие же под другой AGM аккумулятор, это всё легко перемонтируется.

Стоит отметить, что у разных производителей однотипных аккумуляторов клеммы от края могут находится на разных расстояниях. Хотя производители AGM аккумуляторов стараются придерживаться стандартов по длине, ширине, высоте для аккумуляторов типично-стандартной ёмкости, попадаются экземпляры разных размеров. А вот клеммы могут «гулять» по расстояниям от краёв и между собой у разных производителей гораздо чаще, чем размеры самого аккумулятора. Так что это стоит учитывать. У меня провода получились толще и короче штатных. А на токах свыше 50 ампер это имеет очень большое значение! Этого момента я подробно коснусь в теоретическом обосновании.

Получилась вот такая конструкция. Стоит отметить, что советский провод оказался довольно жёстким. Количество жилок в нём меньше, но они толще. В моём случае это не было недостатком, а наоборот — стало достоинством. Провода стоят жёстко и не норовят «убежать». Поэтому при переворачивании ИБП аккумулятор встанет в контакты под собственным весом. Здесь пришлось выверять всё с точностью до миллиметра.

Провода по коробочке я монтировал после того, как впаял в плату клеммы. Теперь об этих самых клеммах. Для впайки клемм мне понадобился вот такой наборчик: клеммы под болт с гайкой М6. Красная и чёрная термоусадочная трубка. Медный провод диаметром 2,24 мм для обмоток статоров асинхронных электродвигателей. Взял самый толстый из своих загашников ( одна из моих специальностей — обмотчик коллекторных электродвигателей) марки ПЭТВ-2. Хочу обратить внимание на гайку. Она с засечками. Только такая и никак иначе! Такая гайка «уцепившись» не провернётся. Справа на трансформаторе стоит «сапожок». Я сделал один красный, другой чёрный.

Теперь я подошёл к самому главному — обеспечению хорошего контакта для внешней АКБ. Как у меня это получилось, при помощи наборчика, видно на этой фотографии. Для этого я сделал «полочки» для «сапожов». Все клеммы я отметил красной и чёрной термоусадочной трубкой. Площадь соприкосновения контактов большая. Клеммы гладкие и без погнутостей. Болт с гайкой М6 позволит крепко прижать все клеммы. Толщина клемм 3 мм. Внутрь клемм я вставил 4 провода ПЭТВ-2 диаметром 2,24 мм, предварительно очистив их от эмали, залил флюс, а потом жидкое олово. Когда всё остыло очистил от флюса и впаял в плату получившиеся контакты-полочки.

Делаю провода для внешнего АКБ. Подбирая клеммы и провода я учитывал то, что провод для внешнего АКБ будет как минимум 16 мм². Подробней об этом будет рассказано в теории. Пока же смотрим, что получилось. Общая длина проводов от АКБ около 45 сантиметров. А это неожиданно хороший результат. Я долго думал, как реализовать правило:

«ЧЕМ КОРОЧЕ И ТОЛЩЕ — ТЕМ ЛУЧШЕ!«

Придумывал схемы с шунтом, реле, и кучей свистелок и перделок. Но решение оказалось элегантно и просто. Об этом чуть ниже. Провода для внешнего АКБ получились такими

Провода подготовлены. Осталось их закрепить к клемам-полочкам. Внизу «полочек» клеммы внутреннего AGM аккумулятора, вверху — провода для внешнего аккумулятора с клеммами-сапожками. Гайки с насечками позволят не пользоваться вторым ключом. Достаточно крутить винт головкой сверху, придерживая клемму рукой.

Теперь соединяю все провода вместе. Снизу клемм-полочек провода от штатного аккумулятора а сверху провода для внешнего АКБ.

Теперь остаётся последний штрих — вывод проводов для АКБ через корпус. Высверливаю в корпусе два аккуратных отверстия. При этом стараюсь чтобы отверстия совпали с выводами, провода не изгибались внутри ИБП (были максимально соосны относительно этих отверстий) и были без зазоров в боковой крышке корпуса. Сверло брал точного такого диаметра как диаметр провода. Провода вошли в отверстия плотно и коэффициент трения резиновой изоляции о стенки отверстия получился достаточно высоким. А это значит, что при рывках за провод будет маленькая нагрузка на клеммы-полочки в плате. Хотя можно поставить ограничители, из тех же пластиковых стяжек-хомутов с внутренней стороны стенки корпуса. Изнутри это выглядит так

И окончательно это выглядит так

ВНИМАНИЕ!!! НИКОГДА, НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ, НЕ ПОДКЛЮЧАЙТЕ ВМЕСТЕ ВНУТРЕННИЙ И НАРУЖНЫЙ АККУМУЛЯТОРЫ !!!

Проверка внутреннего аккумулятора

После того как все провода внутри подключил, через два отверстия вывел пробода для АКБ — собрал корпус. Все внутренние манипуляции закончены. ИБП готов питаться как от внутреннего, так и от наружного аккумулятора. Проверяю напряжение на штатном аккумуляторе НЕ ВКЛЮЧАЯ ИБП. 12,87 вольт — норма. Теперь включаю ИБП для самотестирования. Напряжение упало до 12,5 Вольт. Тоже в пределах нормы. Эта Юаса разряжена. Я её использую для разных экспериментов, поэтому точно это знаю.

Теперь тестирую штатный аккумулятор нагрузкой. Подключаю тест-досточку с лампами. Первая лампа 500 Вт, вторая и третья по 75 Вт. ИБП запустился, нагрузку держит. Напряжение упало до 12,05 вольт. Фактически ИБП с AGM-аккумулятора забирает около 80 ампер при нагрузке 540 Вт. А для такой маленькой ёмкости это практически КЗ. В даташите Юасы сказано, что её ёмкость при 20-ти часовом разряде до 10,5 вольт 8,5 АЧ, а при 10-ти часовои разряде до 10,8 вольт 7,42 АЧ. А вот под какой ток рассчитывается такое время они «стыдливо» умалчивают. Также там есть интересные цифры по максимальным токам разряда. 105 ампер — одна секунда, 42 ампера — одна минута. К этому вопросу я ещё вернусь в теории и обосную своё утверждение, что нас дурят как производители аккумуляторов, так и производители ИБП.

Далее проверяю внутренний контролер заряда ИБП. Сетевой шнур отключен. Подключаю вольтметр, амперметр, включаю ИБП кнопкой и смотрю ток холостого режима. Это сколько потребляет сама схема ИБП от аккумулятора (без потребителей 220 вольт). При 12,00 вольтах 2 с хвостиком ампера. Кстати индикатор самого ИБП показывает, что Юаса разряжена больше половины. Достаточно точно показывает. Выключаю ИБП кнопкой. Меняю местами провода на амперметре (чёрный мультиметр). Втыкаю сетевой провод. Вольтметр показывает 12,89 вольт а амперметр 610 миллиампер. Зарядка идёт. Забегая вперёд скажу, что максимальный ток заряда, который выдаёт контроллер заряда ИБП — чуть больше 700 миллиампер.

По мере повышения напряжения ток падает. Хочу отметить одну важную деталь! При выключеном ИБП (кнопкой на передней панеле) ток заряда больше, чем при включеном ИБП (когда ИБП находится в рабочем режиме) приблизительно на 170-180 миллиампер. Так что аккумулятор ИБП зарядит быстрее в выключеном состоянии. ИБП включен — напряжение заряда 12,96 вольт, ток заряда 340 миллиампер. Смотрим на фото: ИБП выключен — напряжение заряда сразу возросло до 13,04 вольта, ток заряда 540 миллиампер. По мере возрастания напряжения заряда ток падает. ИБП выключен — напряжение заряда 13,08 вольт, ток заряда 520 миллиампер. Не буду анализировать эти цифры, но главное ясно — ИБП аккумулятор заряжает.

После тестирования работы со штатным аккумулятором вынимаю его из ИБП!

Подключение внешней АКБ

По случаю заказал с Алишки специальные клеммы. Давно присматривался к ним. Казалось дороговато, но разорился. Их особенность — можно подключить несколько разных проводов. К примеру провод на аккумулятор, вольтметр и провод от зарядки. Очень удобно. Также к ним прилагается бонус в виде прозрачных изоляционных колпаков из оргстекла. Все винты под шестигранники разных номиналов. Два отверстия одинаковые под AWG8 (8,35 кв.мм), одно под AWG5 (16,8 кв.мм) и одно под AWG2 (33,6 кв.мм).

Перед подсоединением клемм АКБ к проводам надеваю вот эту хреновину на провод от минуса. Искушённый читатель сразу скажет, что это такое! Это кольцо — альтернатива ужасно неудобному шунту. И называется он датчик Холла. Работает по принципу токоизмерительных клещей, только на нагрузку постоянного тока. И это одна из трёх частей измерительного комплекса, который стал моим спасением от костылей, свистелок и перделок. Про него я расскажу далее.

Готовая система в рабочем состоянии. К ИБП подключены: компьютер, два монитора, свитч, часы и бухтелки Sven SPS-699. Всё это хозяйство потребляет около 237 ватт. Кстати, показания у индикатора ИБП очень точные. Нагрузка 2/5 от допустимой (видно на индикаторе ИБП). На аккумуляторе видна белая коробочка — вторая часть измерительного комплекса, подключаемая к датчику Холла. Это: амперметр, вольтметр, ваттметр, таймер, термометр, WiFi передатчик. В общем микропроцессорный измерительный комплекс с беспроводной передачей данных. Подробней о нём далее.

Контролируем разряд и заряд

Измерительный комплекс VAC8010F-80V я видел давно, но не мог предположить, что он настолько крут! Далее третья часть измерительного комплекса — дисплей. Дисплей состоит из ЖКИ-индикатора с подсветкой и радио модуля-приёмника. Потребляет он достаточно много — 110 миллиампер, но и держать включенным его постоянно не обязательно. Дисплей принимает и отображает данные с той самой белой коробочки на АКБ по радиоканалу. В сети есть достаточно хороший обзор его функциональности. Отмечу только одну деталь: мне повезло, комплекс мне достался с термопарой для измерения температуры. На Алишке продаются в основном без этой функции. Далее будем проводить тесты и смотреть как всё работает при помощи этого дисплея.

Прежде всего допиливаю измерительный блок комплекса. Измерительный блок (далее ИБ) может питаться как от подопытного аккумулятора, так и от внешнего источника питания. Вставляю в ИБ блок питания от сети на 12 вольт 350 миллиампер. ИБ потребляет всего 22 миллиампера при 12 вольтах, но при зарядке АКБ штатным контролером заряда ИБП на ШИМ-преобразователе VIPer22A эти 22 миллиампера ложаться на плечи этого самого штатного контроллера заряда. Пока всё настраивал заметил, что штатный контроллер заряжает АКБ ровно до 13,65 вольт вне зависимости от напряжения в сети. Если подключено что-то постороннее к АКБ, то напряжение понижается. Также напряжение понижается при включении дисплея ИБП. Поэтому исключаю всё, что может влиять на конечное напряжение заряда. Делаю питание ИБ от 220 вольт. Его втыкаю в одну из розеток самого ИБП. Гальваническая развязка присутствует. При необходимости можно переключиться на питание от подопытной АКБ.

А теперь небольшая ложка дёгтя. Прибор перестаёт фиксировать токи меньше 250 миллиампер, не смотря на заявленные китайскими товарищами 100 миллиампер. Отчасти это можно компенсировать подстроечными резисторами на датчике Холла. Но с некоторыми ограничениями. Я обошёл это ограничение другой возможностью прибора!

А теперь стартовый тест. ИБП выключен, но подключен к сети. Напряжение на АКБ 13,64 вольта. Температура на инверторе 29 градусов по цельсию. Потребляемый ток ноль. Ток зарядки ИБ не фиксирует, потому что он за пределами его возможностей. Я померил мультиметром. Мультик показал 18 миллиампер. НО!

Это мои предположения! Так как контролер VIPer22A достаточно продвинутый и является ШИМ-преобразователем, скорей всего зарядка производится импульсным током! А это другой расклад. У меня нет приборов, способных исследовать зарядный ток, поэтому пишу как есть! Возможно я не прав!

Включаю ИБП кнопкой на передней панеле. Напряжение на АКБ 13,41 вольт. Температура на инверторе 29 градусов по цельсию. Потребляемый ток ноль.

КРАШ-ТЕСТ. Тестирую на максимальной нагрузке. Для этого подключаю ту самую тест-досточку с лампами. Напряжение на АКБ 13,41 вольт. Температура на инверторе 29 градусов по цельсию. Потребляемый ток ноль. Включаю 500 ваттную лампу…

… напряжение на АКБ 11,53 вольта. Температура на инверторе 31 градус по цельсию. Потребляемый ток 67 ампер. Это очень большой ток! В нижнем правом углу цифры, отображающие время работы (сессия). Через четыре минуты работы напряжение 11,52, ток 73 ампера а температура 72 градуса. Мотаю на ус! Как видно для стартерной АКБ 70 ампер, что слону дробинка. Ей просто пох ;)). Она даже разряжаться не думает. Напряжение упало на 1 сотую вольта. А вот ёмкость она отдала: было 57,979АЧ, стало 53,359АЧ, итого 4,620 АЧ. Штатная батарея просто отключилась бы. Ловлю лулзы :)). Почему ток стал больше, хотя напряжение не упало и мощность такая же?.. Напрягаем мозг и вспоминаем школьный курс физики… Правильно, всё очень просто! Все компоненты нагрелись. Три предохранителя, дорожки на плате, инвертор, выходной трансформатор. Закон дедушки Ома ни кто не отменял. Возросло сопротивление всей схемы из-за существенного нагрева. Это на нагрузке в 500 ватт. ИБП способен держать нагрузку в 540 ватт. При такой нагрузке ток будет больше. И теперь пускай мне хоть один «диванный аналитег» скажет, что стартерную АКБ нельзя использовать в ИБП! Я предоставляю доказательство, что не только можно, но и нужно! Смотрим на показания прибора

Теперь тестирую на нагрузке в 150 ватт после краш-теста. 150 ватт для этого ИБП очень комфортная нагрузка! Напряжение на АКБ 12,89 вольт, зарядный ток около 400 миллиампер. Инвертор остыл до 46 градусов. Отключаю сеть. Жду… Через 5 минут напряжение 12,26 вольт, ток 15,4 ампера, температура 48 градусов. Оставшаяся ёмкость АКБ 52 АЧ (86 %), приблизительное время разряда на такой нагрузке около 3 часов, 22 минут, 47 секунд. Потребляемая мощность от АКБ 188 ватт. Жду… Через 20 минут напряжение 12,12 вольт, ток 15,7 ампер, температура 56 градусов. Оставшаяся ёмкость 80%, приблизительное время разряда 3 часа 4 минуты 23 секунды. Достаточно точно просчитывает. В конце разряда это время будет ещё точней. На фото показания после пяти и двадцати минут работ ИБП от АКБ при нагрузке 150 ватт.

Зарядку малым током комплекс не фиксирует, но зато позволяет вручную выставить два важных параметра. Ёмкость АКБ и процентный остаток заряда. Этими параметрами можно точно отъюстировать показания под имеющуюся АКБ, предварительно зарядив её внешней зарядкой. Кстати, провод внешней зарядки можно смело пропустить через датчик Холла. Прибор будет учитывать приходящий к АКБ ток от зарядного устройства. Но во избежании выхода из строя внутреннего контролера заряда ИБП во время заряда АКБ внешним ЗУ следует выключить ИБП кнопкой и отключить от сети!

Штатный AGM-аккумулятор, по заявлению производителя, способен держать нагрузку в 540 ватт одну минуту. За это время внутренние компоненты не успевают нагреться до критической температуры. При подключении внешней АКБ, для использования на полную мощность, необходимо переделывать, систему охлаждения компонентов ИБП, а некоторые компоненты, возможно, придётся заменить на более мощные!

ВНИМАНИЕ!!! КАТЕГОРИЧЕСКИ НЕ РЕКОМЕНДУЮ НАГРУЖАТЬ ИБП CP900EPFCLCD ПОЛНОЙ НАГРУЗКОЙ 540 ВАТТ БОЛЕЕ 4 МИНУТ!!! !!!

Теория

Теперь я перехожу к обоснованию того, что было описано выше. Теория по книжкам, расчётам, формулам, наблюдениям и вдумчивом походе. Я отсмотрел много роликов на ютубах, мнений на форумах, откровенного разводилова на тематических ресурсах. Теперь немножко философии. Жилка «познания» в нашем человеке, воспитанном советским образованием все равно живёт! Советское образование учит МЫСЛИТЬ, а западное тестовое образование не позволяет выходить за рамки того, чему тебя научили. Это как дядя Миша Задорнов говорил — на западе специалист по правому уху не знает, что творится в левом ухе. А наш человек, которому рассказывали что творится в ОБОИХ ушах знает также, что творится в жопе в других органах! Я призываю как раз осмыслить то, что я написал выше и то, что я буду писать далее.

При подключении стартерной АКБ к ИБП обычно игнорируются три важных параметра:

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

Длина и сечение проводов

Предлагаю изучить таблички, которые ясно дают понять, на сколько важны длина и сечение провода при подключении внешней АКБ. Начнём с сечения. Таблица справедлива для длины медного, одножильного провода до 100 метров! На практике для электрического соединения используются 2 провода. Поэтому длину делим пополам.

Когда ИБП питает нагрузку 500 ватт по проводам идёт ток 73 ампера. Из таблицы видно, что сечение провода для такого тока должно быть как минимум 9 мм². Если сечение провода меньше, он начнёт сильно нагреваться (вплоть до оплавления изоляции). 73 ампера безболезненно можно пропустить и по проводу площадью 8 мм² Но длина не должна превышать один метр. Соответственно пара проводов — 50 сантиметров. И вот тут всё не так просто. Любой провод имеет сопротивление электрическому току. Медный имеет самое маленькое сопротивление, но оно всё равно есть! Из-за этого сопротивления мы получаем следующюю картину. На начале провода напряжение одно, а в конец провода приходит более низкое напряжение. И чем длиннее провод, тем больше разница в начале и конце провода. Эта разница называется падением напряжения и легко высчитывается по формуле дедушки Ома. 73 ампера — это не предел. Когда напряжение на АКБ падает ниже 10 вольт потребляемый ток возрастает по школьной формуле I=P/U (электрический ток в цепи равен мощности делённой на напряжение). Поэтому я расчитывал на предельный ток в 100 ампер. Провод должен быть для такого тока как минимум 16 мм². Поэтому я приведу таблицу падения напряжения для сечения провода в 16 мм².

Итак, что мы видим. Первая строчка под амперами то, что получилось у меня. Общая длина обеих проводов у меня получилась меньше 45 сантиметров. Вторая третья и нижняя строки, если АКБ удалить на 50 см, 1м и 2м от ИБП. Возьмём ток в 80 ампер. У меня падение 4 сотых вольта. На одном метре от ИБП (два провода по одному метру) 0,18 вольта. И на двух метрах 0,35 вольт соответственно. Посмотрим на прибор. В краш-тесте видно, что АКБ отдавала 73 ампера целых четыре минуты. Напряжение упало всего на одну сотую вольта. В тесте на 150 ватт АКБ отдавала 15 ампер 15 минут. Напряжение упало с 12,26 на 12,12 одна десятая вольта. Поэтому в АКБ сотая вольта очень существенна. Теперь опять смотрим в табличку по падению напряжения. Почти 4 десятых вольта. На нагрузке 150 ватт это один час работы. Для АКБ 4 десятых вольта, это половина заряда. Полностью заряженная АКБ имеет напряжение покоя 12,7 вольт, а полностью разряженная АКБ имеет напряжение покоя 12,00 вольт. И всю свою ёмкость, которая может достигать сотен ампер-часов, АКБ держит в разности потенциалов заряженного и разряженного состояния всего 0,7 вольта. И если на АКБ, к примеру, 11,5 вольт под нагрузкой, то ИБП будет считать, что на АКБ 11,1 вольт и отключится ГОРАЗДО раньше, хотя её ёмкость не будет израсходована даже наполовину!!! Из этого следует:

Чем больше площадь сечения проводов от АКБ к ИБП и чем короче эти провода — тем лучше!

Мощность ИБП и время работы от АКБ

Зачем вообще использовать внешнюю АКБ вместо внутреннего штатного AGM-аккумулятора!? Скептически настроенные граждане всегда задают этот вопрос. Отвечаю, Вам точно нéзачем! А людям вдумчивым и тем, кто не задаёт бестолковых вопросов может понадобиться в двух случаях. Первый — увеличение продолжительности работы при пропаже питания. Второй — выносливость при некачественном питании. Со вторым случаем всё понятно. АКБ будет работать в условиях, как в автомобиле. Включение на непродолжительное время (от нескольких секунд до минуты несколько раз в день) сродни работы авто в городских условиях. На работу, на обед, после работы в магазин. Всё это время запускаем стартер. Привычные условия работы АКБ и убийственные условия для штатной «батарейки». В случае требования к увеличию продолжительности работы ИБП от АКБ, нужен точный расчёт. ИБП в RACK стойку с возможностью подключения внешних батарейных блоков я не рассматриваю. Такое оборудование нужно сразу выбирать с возможностью подключения внешних АКБ и в силу своей дороговизны здесь не рассматривается.

В индивидуальном классе и SOHO-сегменте (самые дешёвые), по своему практическому опыту рекомендую, делить мощность ИБП в ТРИ раза. Получим мощность, которую ИБП потянет долговременно. В идеале — 25%! Теперь немного о мощности. Мощность ИБП измеряется параллельно в ваттах и вольт-амперах. Не буду цитировать здесь школьный учебник физики, а сразу коснусь коэффициента преобразования мощности в ИБП. Обычно в ИБП он в пределах 0,6-0,7. Редко 0,8. Чем больше этот коэффициент, тем лучше. А вычисляется он делением ваттов на вольт-амперы. При расчёте мощности следует ориентироваться на ватты. Вольт-амперы используются для расчёта нагрузки цепи (провода, предохранители, розетки, выключатели и т.д.). А вот ватты показывают активную мощность, потребляемую непосредственно оборудованием. Характеристики в ваттах и вольт-амперах могут различаться. Но могут и совпадать. Например у лампы накаливания они будут одинаковыми. А вот у электродвигателя различаются значительно! Импульсные блоки питания (сейчас используются в 95% оборудования) есть двух типов с PFC и без. PFC — коррекция коэффициента мощности (Power Factor Correction). Такие блоки питания имеют коэффициент мощности близкий к единице. Т.е. потребляемая ими мощность одинакова как в ваттах, так и в вольт-амперах. А вот в блоках питания без PFC коэффициент мощности находится в пределах 0,55-0,65. Поэтому нужно чётко всё рассчитывать.

ПРИМЕР: ИБП может держать нагрузку 540 ватт либо 900 вольт-ампер. Если к нему подключить блок питания с PFC, по вольт-амперным характеристикам блока питания в 700 ВА ИБП выдержит такую нагрузку. А вот по ваттным характеристикам не выдержит. Поэтому ориентируемся на ватты!

Кстати, различить блок питания с PFC достаточно просто. Если у блока питания нет переключателя с 220 вольт на 110, значит он с PFC. Я видел импульсные блоки питания способные работать от 90 до 270 вольт. В моём ИБП дисплей показывает как ватты, так и вольт-амперы. Если нужно выжать из ИБП хотя бы 80 % мощности для долговременной работы, безусловно, нужно переделывать систему охлаждения компонентов. У меня в CyberPower-е при отдаваемой мощности 500 ватт больше всего грелись: три предохранителя, инвертор, трансформатор. За 4 минуты работы инвертор нагрелся с 30 до 70 градусов. Трансформатор ввиду своей массы греется не так быстро, но до 120 градусов нагреется точно. Даже 3 предохранителя нагрелись свыше 60 градусов. Далее можно увидеть динамику разряда АКБ в реальных условиях, без тест-досточки с лампами, а с подключенной активной нагрузкой. Такая нагрузка обычно «плавает». Это зависит от конкретного энергопотребления в конкретный момент времени. Обычный компьютер потребляет не фиксированную а «плавающюю» нагрузку. Это зависит от единовременного обращения к диску, обращения к сетевому контролеру, нагрузки на процессор и т.д. Смотрим «плавающюю» нагрузку.

На первой фотографии 4 разных показания на дисплее ИБП: процентная загрузка в вольт-амперах от полной нагрузки, процентная загрузка в ваттах от полной нагрузки, потребляемая мощность в вольт-амперах и потребляемая мощность в ваттах во время 20-тиминутного тестирования. На второй фотографии 5 скриншотов с показаниями за 20 минут работы ИБП от АКБ. Зафиксировано через каждые пять минут работы. Были подключены: компьютер, два монитора, свитч, освещение (диодная лента), часы. Напряжение упало всего на 0,06 (шесть сотых вольта), температура на инверторе поднялась с 35 до 76 градусов цельсия, АКБ отдала 9,489 АЧ. Индикатор разряда АКБ на ИБП за эти 20 минут как показывал 100% заряда, так и показывает. Как мы видим по ваттным характеристикам ИБП нагружен на 44%. А вот по вольт-амперным на 33%. Как я уже отмечал, ИБП класса SOHO долговременно могут работать на 30-35%, в идеале 25% мощности в ваттах со штатным охлаждением, что и подтверждает измерительный комплекс.

Из этого следует:

Полная мощность недорогих ИБП класса SOHO рассчитывается для кратковременной работы! Без переделки охлаждения внутренних компонентов долговременно они могут держать нагрузку до 30-35 % своей расчётной мощности в ваттах!

Достоинства и недостатки одной и нескольких АКБ в ИБП

В мощных ИБП свыше 1000 ВА используются батарейные блоки из нескольких АКБ, соединённых последовательно. Это может быть сборка из 2, 3 или 4 AGM-аккумуляторов. Безусловное достоинство использования соединённых последовательно АКБ — меньшие токи в инверторе. К примеру в моём ИБП при нагрузке 500 ватт ток забираемый с АКБ 70 ампер. Если использовать инвертор на 24 или 48 вольт, ток по проводам будет около 35 ампер и около 17 ампер соответственно. Это существенно облегчает переделку конструкции ИБП под внешнюю АКБ. Тепловые и токовые нагрузки внутри ИБП уменьшаются. Такой ИБП может работать долговременно на 50-70 % от своей полной расчётной мощности. Также падение напряжения в проводах становится менее ощутимо. Особенно при 4-ёх АКБ, соединённых последовательно. Но использование нескольких АКБ создаёт дополнительные трудности. Все ИБП, способные питать нагрузку свыше киловатта используют блоки с несколькими аккумуляторами, соединёнными последовательно. Поэтому в таком случае от этих трудностей не уйти. Подобрать АКБ с близкими параметрами достаточно сложно. При старении одной из АКБ придётся менять все АКБ, которые находятся в «блоке» с постаревшей. Суть в том, что при последовательном соединении АКБ во время заряда одна из АКБ будет постоянно недозаряжаться, а какая-то перезаряжаться. Даже в блоке из двух АКБ, не говоря уже о блоке из трёх или четырёх АКБ. Потому что не может быть абсолютно одинаковых АКБ, даже в одной партии с завода, и даже произведёнными в одну смену. Одна из батарей будет стареть чуть-чуть раньше. Соответственно если сначала разница их характеристик мизерная, то через несколько лет эксплуатации ИБП разница может стать на столько ощутима, что один из АКБ будет «кипеть» а другой недозаряжаться. И если в «старый» блок поставить «свежую» АКБ она моментом постареет. Потому что если разница между старыми АКБ в блоке более-менее равномерная, то со свежей АКБ она будет гигантской. Бороться с этим, конечно, можно. Например заряжать каждый из АКБ отдельно. Использовать зарядку с балансировкой, ротировать АКБ между собой. Но я лично предпочитаю меньше «возни» по обслуживанию с одной АКБ, чем много с несколькими. Но мои запросы способен удовлетворить одноаккумуляторный ИБП. В любом случае блок из нескольких АКБ будет стоить дешевле, блока из AGM-аккумуляторов, но возникает дополнительная трудность по подбору АКБ с одинаковыми параметрами. Если бы мне пришлось эксплуатировать систему с двумя и более АКБ, я бы дополнительно поставил бы на каждую из АКБ по очень точному вольтметру. Отрегулировал бы их показания до высочайшей и одинаковой точности на одной из АКБ и дополнительно контролировал бы разность напряжений между всеми АКБ. Из этого следует:

При использовании ИБП с двумя и более AGM-аккумуляторами возникают дополнительные сложности по подбору АКБ и дальнейшему их обслуживанию, но серьёзно облегчается задача по переходу на внешнее питание от АКБ вместо штатных аккумуляторов. Также возможно использовать 40-70% (в зависимости от номинала инвертора) полной расчётной мощности долговременно против 30-35% у ИБП с одной АКБ.

О толщине пластин и технологии AGM

Вот теперь мы подошли к моему любимому вопросу о толщине пластин. Это один из «непроверяемых» параметров АКБ (второй — ток саморазряда). В сети мне частенько попадается информация о «толщине пластин». Вроде как толщина пластин в АКБ не такая толщинистая, как в AGM-аккумуляторах. В теории толщина намазки на токосъёмных электродах влияет на ёмкость аккумулятора. Чем толще намазка, тем бóльшую ёмкость можно получить в том же объёме. Но при этом в толстой намазке процессы диффузии идут медленнее (как при разряде так и при заряде). Поэтому АКБ с «толстыми» пластинами теоретически могут иметь бóльшую электроёмкость но отдавать мéньшее количество этой ёмкости за промежуток времени. Также такие АКБ более долго приходят в состояние покоя (я писал про напряжение покоя в своей первой статье — можно погуглить), т.е. химическая инерция у них больше, чем у АКБ с тонкой намазкой пластин. На практике всё как всегда кисло. Более толстая намазка даёт бóльшую механическую нагрузку на токосъёмные электроды, что приводит к отрыванию её от электродов при механических воздействиях (удары, тряска, взбалтывание, и т.д), более интенсивному её разрушению из-за недостаточной диффузии при химических процессах. А также, при газовыделении во время электролиза (уже при 13,5 в) толстая намазка легче отслаивается от токосъёмных электродов, как и при глубоком разряде. Разряженную АКБ вообще нужно поменьше взбалтывать. Производители АКБ идут по пути наименьшего финансового сопротивления, производя что-то среднее, а «тяговость» и «стартерность» используется только маркетологами, и реальные различия «тяговых» и «стартерных» АКБ настолько условные, что ими просто можно пренебречь! Но всё, что написано выше касается только АКБ с жидким электролитом!

Теперь посмотрим на технологию AGM — Absorbed Glass Mat. Полное название аккумуляторов, произведённых по этой технологии — Absorbed Glass Mat Valve Regulated Lead Acid. Лично меня даже название этой технологии настораживает — кислотная с абсорбирующими стекломатами и клапанным регулированием. Какое нахрен регулирование, какой в попу клапан! Эти шесть резиновых затычек в AGM-аккумуляторе нужны при возникновении проблем в процессе эксплуатации AGM-аккумулятора. Затычка вздувается выпуская в образовавшиеся щели водород при неправильной зарядке или пары воды при превышении температурного режима. Ни какого регулирования не происходит, а происходит прикрытие жопы нежных тылов производителя! Кстати, есть ещё один важный момент — проницаемость через щели между затычками и корпусом водорода при повышении давления внутри AGM-аккумулятора резко возрастает. Так как их корпус изготавливается из более прочных материалов, внутреннее давление внутри AGM-аккумулятора может быть выше. Поэтому и водород улетучивается из таких аккумуляторов гораздо 😉 веселее. Также стоит обратить внимание, что «тяговые» аккумуляторы шире представлены в ассортименте AGM-аккумуляторов чем в ассортименте классических АКБ с жидким электролитом. В AGM-аккумуляторах можно добиться бóльшей толщины намазки, потому что она крепится к токосъёмным электродам «монолитом» в «рубашке» из стекловолоконной набивки. То есть производители аккумуляторов таким образом увеличивают ёмкость своих поделок. Но в таком случае остро всплывает проблема диффузии и высоких токов, отдаваемых мгновенно. Производители идут на хитрости: повышая концентрацию серной кислоты в электролите, меняя химию намазок и кучу других ухищрений вплоть до откровенного «разводилова» понижением в даташитах гарантийного срока эксплуатации. Теперь смотрим на открытый «развод» пользователей как производителями аккумуляторов, так и производителями источников бесперебойного питания. Если АКБ «тяговая» (с более толстыми намазками), значит она должна отдавать меньший ток большее время. Я коснулся этого вопроса выше и обещал вернуться к нему. В даташитах производители указывают ёмкость своих поделок смешными цифрами. Я уже писал выше про них. Теперь разберу подробно.

Смотрим в даташит Юасы (оригинальный AGM-аккумулятор для моего CyberPower).

самые главные параметры для использования в ИБП:

ёмкость при 20-ти часовом разряде до 10,5 вольт 8,5 АЧ,
при 10-ти часовом разряде до 10,8 вольт 7,42 АЧ
способность держать нагрузку в 105 ампер — одна секунда,
способность держать нагрузку в 42 ампера — одна минута

Получается, что производитель ИБП насилует штатный аккумулятор. По заявлению CyberPower CP900EPFCLCD может держать нагрузку в 540 ватт одну минуту. А это значит, что одну минуту с Юасы будет забираться ток около 70 ампер. Теперь возьмём 42 ампера, которые Юаса может отдавать одну минуту по даташиту. Это около 350 — 370 ватт. Такую нагрузку ИБП держит 3-4 минуты от штатного аккумулятора. Получается опять изнасилование Юасы. Производители ИБП дают максимально возможные параметры, на которые рассчитаны их поделки. Они надеются на то, что в среднем тех же самых 350 — 370 ватт не будут питаться от аккумулятора 3-4 минуты. А просто отработают «скачок» напряжения несколько секунд. Вот как раз на это и расчитаны все ИБП класса SOHO. Но тогда ТТХ в инструкциях для ИБП завышены!

Теперь вернёмся к ёмкости. Почему в даташите нету тока, который может отдавать Юаса эти самые 20 часов до напряжения 10,5 вольт и 10 часов до напряжения 10,8 вольт!?.. А вот тут как раз и кроется эпическое «разводилово»! Потому что токи будут мизерными и для ИБП непригодными. В Советском Союзе было всё просто. Ёмкость АКБ гарантируется по простой формуле — сколько написано, столько и есть! Т.е. если на АКБ написано, что её ёмкость 60 Ач, это значит, что АКБ способна питать нагрузку в 60 ампер ровно один час. При этом её напряжение покоя снизится с 12,75 до 12,00 вольт. Поэтому когда в даташитах ёмкость плавает без указания конкретных цифр отдаваемого тока — можно нести пургу. Можно впаривать такие аккумуляторы и как «стартерные» и как «тяговые».

Обычно для «тяговых» аккумуляторов используются токи 0,1 — 0,5 С (то есть от одной десятой до одной пятой её ёмкости). Стартерная же АКБ предназначена отдавать ёмкости 1 — 5 С (то есть при запуске стартера требуются токи от 60 до 300 ампер). «Диванные аналитеги» любят упоминать толщину пластин. Вроде как толщина пластин в аккумуляторах для ИБП «толщинистее», чем в стартерных АКБ. Вернёмся к скриншотам выше. Если ИБП в среднем может держать нагрузку 200 — 300 ватт, а это 25-35 ампер, в ИБП ставят AGM-аккумулятор ёмкостью 9 АЧ в лучшем случае — считаем: максимальный «тяговый» ток 900 миллиампер — 3,5 ампера. Это никак не 30 ампер! И теперь возникает закономерный вопрос: так какого хрена в ИБП ставят аккумуляторы совершенно не подходящие для них, да ещё и пиз… нагло врут про толщину пластин !?.. AGM-аккумуляторы очень хорошо работают в охранных системах, пожарной защите — в любых условиях, где нагрузочный ток до одного ампера и где саморазряд источника питания играет важную роль, но никак не в источниках бесперебойного питания! В ИБП лучше всего использовать именно стартерные АКБ рассчитанные на отдачу больших токов. Хотя справедливости ради стоит отметить, что в ИБП с инвертором на 48 вольт 4 AGM-аккумулятора, соединённых последовательно, будут работать в более приемлемых для себя условиях, но никак не в идеальных. Как раз идеальные условия работы тут для стартерных АКБ! А ответ на закономерный вопрос, заданный выше, на поверхности: снять побольше бабла с пользователей, неся как можно меньше ответственности за свои поделки! Если AGM-аккумулятор «необслуживаемый», то и возможность контроля отсутствует! А при неконтролируемых процессах возможность перенести ответственность на пользователей гораздо выше.

Теперь я разрушу миф о «необслуживаемости» аккумуляторов, как AGM, так и жидкостных. По откровенно-наглой лжи производителей (или маркетологов, мне честно говоря пох, кто из них пи… врёт) AGM-аккумуляторов технические возможности абсорбирующего материала позволяют производить рекомбинацию газов внутри AGM-аккумулятора. Вроде как по порам абсорбирующего материала выделяющиеся в результате электролиза при зарядке водород и кислород попадают на противоположные электроды и снова превращаются в воду. Но это только в маркетинговой «лапше» на свободные уши недалёких покупателей. Есть отдельные предприимчивые деятели, которые продают пробки рекуперации водорода. Посмотрел я в инструкцию для этих пробок и просто офигел, как можно просто «снимать баблишко» на ровном месте. Я не буду сейчас тут разбирать тот бред сивой кобылы, который проквакан в их инструкциях. Просто скажу прописную истину: Для соединения кислорода и водорода в водичку нужен катализатор. Платина, к примеру. Конечно, получить воду смешиванием водорода с кислородом можно, но только НА АТОМАРНОМ УРОВНЕ!!! На молекулярном уровне это невозможно без катализатора или специальных установок! Конечно есть и второй способ — сжечь водород в кислороде. Тоже получится водичка в виде пара, если до её получения не бабахнет так, ;)) что водичка уже не понадобится. А возня с непонятными «рекомбинациями» и прочей лапшой на уши позволяет заработать баблишка на маркетинговых рóссказнях! AGM-аккумуляторы склонны к внезапным и катастрофическим отказам, очень критичны к температуре эксплуатации. Не смотря на их «необслуживаемость» AGM-аккумуляторы требуют очень точного соблюдения правил эксплуатации и продвинутого мониторинга состояния. При криворукой зарядке, глубоком разряде и других критических условиях эксплуатации в AGM-аккумуляторе также как и в АКБ возможно появление избыточного давления в корпусе и критического нагрева. Если обычная АКБ вытерпит такое надругательство и её можно как-то восстановить, то в AGM-аккумуляторе его «необслуживаемость» не позволит это сделать. Резиновые затычки, гордо именуемые производителями AGM-аккумуляторов «клапанами», под давлением растягиваются и всё равно выпускают водород из корпуса. Но долить воду и проконтролировать уровень электролита, а также его плотность в AGM-аккумуляторе без помощи сверла и Великого Ктулху невозможно. Любую аккумуляторную кислотную батарею можно назвать как обслуживаемой, так и необслуживаемой! Вся обслуживаемость зависит от условий эксплуатации! Если правильно заряжать, не допускать разряда ниже номинала и эксплуатировать при комнатной температуре ЛЮБАЯ АКБ становится необслуживаемой. А если эксплуатировать в критических условиях, постоянно недозаряжать, перезаряжать, разряжать ниже номинала — АКБ потребуется техническое обслуживание! И чем реже это обслуживание, тем короче срок эксплуатации. «Необслуживаемость» это маркетинговый ход производителей аккумуляторов для лентяев, которые не хотят изучать «неинтересные» вопросы про какой-то там электролит и вольты с амперами! Именно для таких и были придуманы АКБ с заглушкой вместо выкручивающихся из корпуса пробок и слóганом «необслуживаемая». Любой каприз за ваши деньги! Не хотите понимать — платите ;)). Лично я предпочитаю САМЫЕ ДЕШЁВЫЕ ОБСЛУЖИВАЕМЫЕ АКБ! Как в свою машину, так и для своих ИБП. Делаю вывод:

Не ведитесь на пи… рóссказни производителей и особенно торгашей, впаривающих Вам сказки с поглядыванием на Ваш кошелёк! Изучайте матчасть, думайте, спрашивайте, сопоставляйте, учитесь и проверяйте!

Заключение

При использовании стартерных АКБ в ИБП следует изучить теорию заряда, разряда и обслуживания кислотных свинцовых аккумуляторов. Свой первый ИБП я заставил работать от АКБ 14 лет назад. Трудится он до сих пор. ИБП от CyberPower работает от АКБ уже больше года. Хотел написать главу об обслуживании АКБ при работе в ИБП, но она получится очень большой. Поэтому на все вопросы по работе связки ИБП+АКБ отвечу в комментариях. Теоретическая часть данной статьи основана на книге:

М.А.Дасоян, В.В.Новодережкин, Ф.Ф.Томашевский — Производство электрических аккумуляторов. Издание 3-е. Москва, изд-во «Высшая школа». 1977 г.