Аккумуляторная батарея включает в себя несколько элементов, электрическая энергия в которых возникает в результате протекания химической реакции. Существуют несколько вариантов соединения элементов: последовательное, параллельное и смешанное. Каждый из них применяется на практике в зависимости от требований потребителя – необходимого значения емкости или величины выдаваемого на зажимах напряжения [1, Вайнел, с. 12].

При использовании аккумуляторной батареи в качестве источника тока при запуске генератора от преобразователя частоты расчет емкости накопителя, обеспечивающего нужное время резервирования, можно осуществлять по формуле:

(1)

где P_нагр – средняя мощность нагрузки, Вт; =0.8-0.85 – к.п.д. преобразования постоянного тока в переменный с помощью инвертора ; U_аб – напряжение АБ; C_ак – необходимая емкость, Ач; t_Р – необходимое время работы (разряда), ч; K_Р – рекомендуемый коэффициент глубины разряда аккумулятора – 0,5 – 0,7 (50-70%); K_g – коэффициент доступной емкости: при получасовом режиме разряда – 0,4 (40%); при одночасовом режиме разряда – 0,5 (50%); при двухчасовом режиме разряда – 0,65 (65%;) при десятичасовом режиме разряда – 1,0 (100%) [2, Курзуков , с.18].
Для выбора необходимого типа аккумуляторной батареи проведен сравнительный анализ наиболее распространенных типов химических источников тока [3, Багоцкий, с. 54], результаты которого представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики перезаряжаемых химических источников тока

Из приведенных данных видно, что наилучшими удельными характеристиками обладают литий-ионные аккумуляторные батареи, способные работать с высокой величиной напряжения единичного элемента равной 3,6 В, что позволяет значительно снизить массогабаритные показатели систем. К недостаткам следует отнести высокую стоимость и низкую надежность, так как для работы необходимы специальные схемы и управляющие ключи, ограничивающие номинальное напряжение на каждом элементе в течение заряда, а также датчики температуры и тепловые предохранители, препятствующие перегреву батареи.

Никель-металлогидные источники тока позволяют обеспечить 90% от номинальной емкости при небольших токах нагрузки, однако обладают самой большой величиной саморазряда в течение месяца, что вызывает дополнительные трудности в процессе эксплуатации и уменьшают срок работоспособности.

Никель-кадмиевые батареи способны к быстрому заряду в течение 15 мин, обеспечивают нагрузку большим током даже при – 20°С (60% от номинальной емкости), имеют самый широкий температурный диапазон работы, но обладают «эффектом памяти» – при зарядке аккумуляторной батареи не достигшей полного разряда снижается емкость, в последствии этого химический источник тока перестает держать заряд [4, Коровин Н. 46].

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (СКБ) обладают самыми низкими энергетическими характеристиками по сравнению с другими источниками тока, однако являются наиболее безопасными и экономичными для работы в качестве стационарного источника питания, кроме того, обеспечивают высокую надежность работы при значительных перепадах температур. Необходимо учесть, что саморазряд СКБ в 6 раз меньше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями и в 10 раз ниже относительно никель-металлогидридных аккумуляторов, следовательно, 40% саморазряд от запасенной энергии у СКБ произойдет приблизительно за год, у никель-кадмиевой батареи через три месяца, никель-металлогидридного аккумулятора – через месяц [5, Коровин, с.42; 6, Андреев, с.54.].

Заряд СКБ, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно уменьшаться к концу процесса. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования разной сложности и стоимости. Например, он может осуществляться при постоянном токе 0,1 С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором (рис. 1). Большинство производителей рекомендуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4-2,45 В на аккумулятор. Ускорение данного процесса достигается при увеличении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с рекомендациями производителей не более чем до 0,3 С. В отличие от щелочных источников тока, производители не рекомендуют производить гальваностатический заряд (при постоянном токе), свинцово-кислотных батарей.

Рисунок 1 – Плавающий режим подзаряда аккумуляторов в источнике бесперебойного питания.

На срок службы аккумуляторов наибольшее влияние оказывают: режим эксплуатации: режим и глубина разряда, продолжительность паузы между зарядом и разрядом; рабочая температура, периоды эксплуатации и хранения.

Рассмотрим особенности работы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. На рисунке 2 показано изменение срока службы в зависимости от глубины разряда. На рисунке 3 приведена зависимость срока эксплуатации источника тока от режима его заряда.

Рисунок 2 – Зависимость срока службы герметизированных свинцово-кислотных АБ от глубины разряда (при 20-25 °С).

Рисунок 3 – Влияние режима заряда на срок службы герметизированных свинцово-кислотных АБ при эксплуатации в буферном режиме.

Из рисунка 3 видно, что при многократных переразрядах снижается разрядная емкость и уменьшается срок службы. Такие же изменения могут происходить и при длительном хранении батарей в разряженном состоянии.

На рисунке 4 показано изменение величины наработки в циклах никель-кадмиевых батарей SAFT стандартной серии в зависимости от глубины разряда аккумуляторов.

Ni-Cd аккумуляторы обладают достаточно хорошей устойчивостью к случайным переразрядам.

Рисунок 4 – Наработка герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT стандартной серии при различной глубине разряда током 0,2 С.

Анализ характеристик свинцово-кислотных и Ni-Cd АБ, приведенных на рисунках 2 и 4 соответственно, показывает способность последних выдерживать большее количество циклов зарядки-разрядки.

На основании выполненного анализа АБ различных типов для обеспечения запуска и работы генератора рекомендуется использовать свинцово-кислотный источник тока, способный выдерживать большие импульсы тока нагрузки, допускающий работу на плавающем заряде в течение длительного времени.

Однако, длительное хранение аккумуляторной батареи без обеспечения периодического заряда вызывает саморязряд источника тока, который значительно усиливается при увеличении температуры (рис.5).

Рисунок 5 – Саморазряд аккумуляторной батареи Casil [7]

Длительное хранение разряженного аккумулятора приводит к растворению сульфата свинца в электролите до полного насыщения, а затем его выпадению крупными кристаллами на поверхность анода и катода, образуя слой, изолирующий пластины от электролита. Поскольку сульфат свинца является диэлектриком, то остаточная емкость батареи значительно снижается. Следовательно, обязательным условием при использовании аккумуляторной батареи является недопущение сульфатации.