Особливості автономного живлення, або що робити у разі віялових відключень, частина 3: акумулятори

Сьогодні я хотів би розповісти й описати особливості різних типів акумуляторів у контексті їх застосування в ДБЖ і загалом для автономного тривалого енергопостачання. Спробую пояснити різницю між різними типами акумуляторів, особливості їх застосування в тій чи іншій ситуації, а також нюанси, пов’язані із заряджанням.

Як завжди, нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Отже, почну з того, що скажу: я не займаюся продажем акумуляторів, а до недавнього часу майже не використовував їх удома — просто не було потреби. Але оскільки раніше я був пов’язаний із цією темою, а також через мене під час тестів пройшло понад сотню різних акумуляторів, то накопичилася певна база для пояснень. Річ у тім, що акумулятори часто використовують неправильно, і в найкращому разі вони просто працюють неефективно, а в найгіршому можуть відносно швидко деградувати. Приклад швидкої деградації можна побачити в цьому ресурсному тесті, де неправильний режим заряджання вивів акумулятор з ладу трохи більше ніж за сотню циклів. Водночас, якщо дотримуватися безпечних режимів, навіть китайський акумулятор може служити довго, що було видно в цьому ресурсному тесті.

Також скажу, що йтиметься про ті типи акумуляторів, які ви справді можете знайти на ринку, тож писати про всіляку екзотику на кшталт срібно-цинкових, нікель-водневих тощо немає сенсу.

Першими, звісно, будуть свинцево-кислотні акумулятори. Їх можна коротко охарактеризувати так: дешево й сердито.
Так, вони доступні й недорогі, але, мабуть, на цьому їхні переваги закінчуються, бо починаються недоліки, особливо помітні в найпоширеніших — стартерних акумуляторів:
1. Струм розряджання. Вам, звісно, показуватимуть гарні цифри — 250, 300, 500 амперів, але забудьте про них: для стартерних акумуляторів це лише короткочасний струм. Тривало без шкоди для себе вони можуть віддавати не більше ніж 0.1-0.15С, де С — ємність акумулятора в А·год. Тобто для типового акумулятора на 60 А·год тривалий струм розряджання становить лише 6-10 А, або 70-120 Вт потужності без урахування втрат на інверторі.
2. Буферний режим заряджання. Звичайні свинцево-кислотні акумулятори його не дуже добре переносять, а якщо використовувати циклічний режим заряджання, то під час паузи вони відносно швидко втрачають заряд через саморозряд.
3. Струм заряджання. Хтось скаже: яка різниця, адже заряджати я можу тоді, коли мені зручно. Ні, не тоді, коли зручно, а коли є можливість, і не абияк, а струмом лише в ті самі 0.1-0.15С. Тобто повне заряджання (а яким іще воно може бути після тривалого вимкнення?) триватиме від 7 до 12 годин. Чи встигне акумулятор відновити заряд у паузі між вимкненнями? Не факт.
4. Малий термін служби. Так, низька ціна не дається просто так: навряд чи такі акумулятори служитимуть вам роками, я б узагалі розраховував на рік-півтора. Але якщо вам потрібно користуватися акумулятором відносно недовго, а не роками, то свинцево-кислотний може підійти: покористувалися — і здали на перероблення.

До речі, у мене є невеликий огляд гелевого акумулятора для ДБЖ, де можна оцінити зменшення віддаваної енергії зі зростанням струму навантаження.

Якщо не усунути, то хоча б нівелювати зазначені вище проблеми можна так.
Малий струм розряджання можна компенсувати збільшеною ємністю. Наприклад, для батареї на 120 А·год струм розряджання становитиме вже 12-20 А, або 150-250 Вт, що набагато приємніше. Та й ніхто не заважає збільшити ємність ще більше — струм розряджання зросте пропорційно.
Також можна використовувати тягові акумулятори: вони розраховані на тривалий великий струм розряджання, але коштуватимуть дорожче й траплятимуться рідше.
На жаль, струм заряджання нічим не компенсувати: або підвищувати його ціною прискореного старіння, або миритися із заряджанням протягом 7-12 годин.


Гелеві акумулятори — це різновид свинцево-кислотних. Ключова відмінність у тому, що електроліт у них густий, тому акумулятор можна встановлювати в будь-якому положенні. Хіба що, мабуть, краще не ставити його клемами донизу, хоча, в принципі, допускається і це.
Часто ви могли бачити їх у комп’ютерних (і не тільки) ДБЖ, але їх також випускають і з більшою ємністю. Такі акумулятори можуть служити довше за звичайні, але це дуже залежить від виробника.


Але з такими акумуляторами треба бути уважними: по-перше, краще купувати продукцію відомих брендів, наприклад CSB, Yuasa.
Крім того, такі акумулятори відрізняються навіть у межах одного типорозміру. Я не згадуватиму очевидні підробки, де замість начинки — скло, але про технічні відмінності скажу. Річ у тім, що акумулятори ємністю 7-9 А·год, саме такі, як часто встановлюють у комп’ютерні ДБЖ, ставлять і в інші ДБЖ, наприклад для систем сигналізації, але вони відрізняються струмом, який можуть віддавати. Тобто ви берете такий недорогий акумулятор, встановлюєте його у своєму ДБЖ для комп’ютера, а через рік несподівано дізнаєтеся, що акумулятор помер. Розрізнити їх зазвичай можна за ціною, тому якщо встановлюєте в пристрій, де можливий великий струм навантаження, використовуйте лише фірмові акумулятори, спеціально призначені для такого режиму роботи: відрізняються вони не тільки ціною!


Далі йдуть не менш відомі й давно використовувані нікелеві акумулятори, до яких належать різні типи, наприклад нікель-кадмієві та нікель-метал-гідридні.
Такі акумулятори ви напевно бачили в радіотелефонах, іграшках, електроінструментах, але їх випускають і значно більшої ємності, а також уже давно використовують у системах безперебійного живлення.

На мій погляд, переваг у них більше, ніж у свинцево-кислотних, але, звісно, є й недоліки.
Серед переваг зазначу відсутність потреби в балансуванні — під час заряджання це відбувається «автоматично»; вони легше переносять перерозряд, тоді як кислотні в цьому плані «ніжніші»; електрично сумісні зі свинцево-кислотними (10 нікелевих мають таку саму напругу, як 12-вольтовий кислотний акумулятор); довший термін служби, ніж у кислотних; можливість тривалий час віддавати струм 0.5-1С.
Недоліки: вища ціна, помітно менше поширення, наявність «ефекту пам’яті», відносно великий саморозряд.


Але, крім згаданих вище, використовують і нікель-залізні акумулятори. Багато років тому, під час попередніх віялових відключень, я якось купив собі десяток сухих акумуляторів ТНЖ-450, але зрештою не став їх заправляти й потім продав. Ємність такої батареї — 450 А·год, або близько 4500 Вт·год, що непогано навіть за сучасними мірками.

Такі акумулятори й досі актуальні та виробляються, але поступово їх замінюють літієві. Втім, і зараз можна зустріти великі батареї, наприклад на АТС, електротранспорті тощо.


Літієві акумулятори — тип акумуляторів, що розвивається найактивніше; він, своєю чергою, має як переваги, так і недоліки.
Умовно їх можна поділити на три типи. Почну з першого, який умовно можна назвати «звичайними», тобто з напругою 3.6-3.7 вольта, хоча насправді вони теж мають чимало відмінностей.

Цей тип акумуляторів вам напевно добре знайомий: їх можна зустріти в ноутбуках, планшетах, телефонах, ліхтарях, електроінструментах, павербанках і ще у величезній кількості пристроїв.


Але їх використовують і у досить великих батареях — від велосипедів і самокатів до автомобілів, наприклад відомої багатьом Tesla Ілона Маска.


Останнім часом поширюються так звані багатокомпонентні літієві акумулятори LpCO, Li-NMC. Я навіть робив кілька оглядів таких елементів — і невеликих, і досить ємних.
З одного боку, вони цікавіші, бо мають більшу ємність за того самого об’єму й нижчу вартість, але, на жаль, і «звичайні», і багатокомпонентні акумулятори мають спільні проблеми, пов’язані саме з режимами роботи у складі ДБЖ.
Для початку: хоча багатокомпонентні акумулятори легше переносять буферний режим роботи, особисто я все одно вважаю безпечнішим використовувати їх у циклічному режимі. Але для цього ваш ДБЖ або зарядний пристрій має вміти коректно з ними працювати.
Однак велика проблема полягає в їхній напрузі.
Річ у тім, що ДБЖ зазвичай розраховані на напругу звичайного свинцево-кислотного акумулятора, тобто 12 вольт. Насправді це середня напруга батареї, а повний діапазон становить близько 10-14.5 вольта; у буферному режимі це 13.8 вольта.
Нікель-кадмієва, нікель-метал-гідридна та нікель-залізна системи мають напругу 0.9-1.45 вольта на елемент, тож у батареї з 10 елементів отримаємо діапазон 9-14.5 вольта, що практично еквівалентно звичайній свинцево-кислотній батареї.

Але коли ми збираємо батарею зі «звичайних» літієвих акумуляторів, то отримуємо робочий діапазон близько 3-4.2 вольта на елемент. Виходить, що трьох елементів замало (9-12.6 вольта), а чотирьох — забагато (12-16.8 вольта). Навіть якщо використовувати батарею з невеликим недозарядом (що, до речі, навіть корисно), то все одно отримаємо для збірки з чотирьох комірок напругу до 16.4, а деякі інвертори просто не розраховані на такий діапазон роботи.

Трохи нівелювати ситуацію може використання літієвих акумуляторів у системі на 24 вольти: там замість типового діапазону 20-27.6 вольта при використанні 7 літієвих комірок ми отримаємо діапазон 21-29.6 (28.7) вольта. Крім того, сучасні інвертори для роботи із сонячними панелями дають змогу гнучко регулювати діапазони робочих напруг збірок.

Практично повністю замінити свинцево-кислотну батарею на літієву можна в мережі на 36 вольт, де свинцево-кислотна батарея матиме діапазон 30-41.4 вольта, а 10 літієвих комірок — 30-42 вольта. Тож заряджатиметься вона до 4.15 вольта на комірку, що навіть добре.
На жаль, хоча до стандартного ряду напруг і входить напруга 36 вольт, набагато поширеніші інвертори на 12, 24, 48 вольт.


І ось ми нарешті дісталися, на мій погляд, найцікавішого різновиду літієвих акумуляторів — літій-залізо-фосфатних, або LiFePO4.


Ці акумулятори також випускаються в широкому асортименті розмірів. Наприклад, я робив огляд зовсім маленьких комірок розміру 10370 і набагато більших ємністю 90А·год. А 90А·год — це ще не межа: спокійно можна купити комірки ємністю 280А·год і навіть помітно більше.


Такі акумулятори також компонують у зручні батареї, зовні схожі на автомобільні, хоча правильніше сказати — вони є заміною автомобільних. Є навіть варіанти корпусів для заміни батарей в ДБЖ; найчастіше там використовують комірки розміру 32700. Я робив кілька оглядів: перший, другий і третій. До речі, зараз усі вони використовуються для роботи з ДБЖ. Але загалом оглядів LiFePO4 у мене вже було чимало.


Річ у тім, що діапазон робочих напруг акумуляторів LiFePO4 становить близько 2.5-3.65 вольта, відповідно, збірка з 4 штук дасть діапазон 10-14.6, що повністю відповідає свинцево-кислотному акумулятору на 12 вольт.
Крім того, акумулятори LiFePO4 набагато краще підходять для буферного режиму роботи, але для цього треба підтримувати напругу завершення заряджання близько 3.45 вольта на комірку, або 13.8 вольта для збірки з 4 акумуляторів. Це також повністю збігається з напругою буферного режиму для свинцево-кислотних акумуляторів.
Акумулятор LiFePO4 також набагато безпечніший за «звичайні», особливо це важливо під час використання в системах безперебійного живлення.

Є, звісно, і деякі недоліки. По-перше, ціна: такі акумулятори помітно дорожчі за свинцево-кислотні, але, оскільки служать набагато довше, у перспективі вони вигідніші. Другий недолік — необхідність використовувати балансир (обов’язково) і плату захисту (бажано). Плата захисту потрібна на випадок «перекосу» напруг під час завершення заряджання та розряджання. Але якщо комірки мають дуже близьку ємність і використовується балансир, можна звузити діапазон робочих напруг інвертора, щоб не виходити за робочі межі для кожної з комірок.


Ще один цікавий різновид літієвих акумуляторів — літій-титанатні, або LTO.
Ці акумулятори також випускаються в різних формфакторах. Найчастіше це циліндри з болтовими клемами або призматичні комірки в металевому корпусі, але іноді можна зустріти звичніший розмір 18650. Я навіть робив огляд таких акумуляторів, а ще трапляються зовсім незвичайні — у корпусі, схожому на звичайний електролітичний конденсатор.


Перевага цього типу акумуляторів у тому, що вони мають дуже великий термін служби, великий струм віддачі, широкий діапазон робочих температур і безпечні у використанні. Крім того, їхній робочий діапазон напруг становить близько 1.8-2.4 вольта, що для збірки з шести штук дає діапазон 10.8-14.4 вольта, який також близький до робочої напруги свинцево-кислотного акумулятора.
Власне, такі акумулятори часто й продають лотами по 6 штук. Щоправда, LiFePO4 також продають, але кратно чотирьом штукам.

У таких акумуляторів два недоліки: ціна та погане співвідношення ємності до об’єму.


Перш ніж перейти до підбиття підсумків, скажу кілька слів про грейди (grade) літієвих акумуляторів.
Часто на сторінці товару можна побачити написи на кшталт Grade-A або Grade-B. Повністю достовірної інформації в мене немає, але, наскільки мені відомо, по суті це аналог першого та другого сорту. Тобто після виготовлення акумулятор перевіряють на відповідність технічним характеристикам і зовнішньому вигляду. Якщо його ємність або імпеданс (внутрішній опір) не відповідають значенням, визначеним для першої групи, такі акумулятори використовують у менш критичних завданнях. Туди ж ідуть акумулятори з можливими механічними пошкодженнями. Але це не означає, що акумулятори Grade-B погані: найчастіше в них просто трохи більший розкид характеристик, тому, наприклад, батарея матиме трохи меншу ємність. На терміні служби це зазвичай ніяк не позначається, а ціна в них нижча.


Окремо скажу про акумулятори з AliExpress. Як показала моя особиста практика, навіть ті акумулятори, які спочатку були більш-менш живі, хоч і з великим розкидом характеристик, з часом можуть просто здутися, причому навіть без використання — просто після циклу заряджання-розряджання.
Йдеться наприклад, про ці акумулятори, вони мені ще тоді не сподобалися, але я вирішив, що, може, все-таки використаю їх. І ось вони стояли від моменту публікації огляду, а коли почалася війна, я вирішив про всяк випадок зробити собі батарею, щоб хоча б зарядити телефон, а може, ще щось. Зібрав, зарядив — усе нормально, ну й відклав майже на пів року. Наприкінці літа вирішив зробити їм цикл розряджання/заряджання, і вже наприкінці розряджання вони роздулися, а коли почав заряджати, процес довелося зупинити — банально побоявся, що їх просто розірве...
Шкода, звісно, зараз вони б мені дуже стали в пригоді, а в результаті майже все висить на батареї 4S4P із комірок 32700. :(


Отже, акумуляторів багато, але що краще вибрати — тут усе повністю залежить від завдання та наявності коштів.

Свинцево-кислотні.
Для початку — звичайні або гелеві. Загалом гелеві, звісно, кращі. Не скажу, що кардинально, але моя практика показує, що вони працюють довше. Гелеві, звісно, коштують дорожче, тож тут вам вирішувати — «мати чи не мати».
Ну і щодо свинцево-кислотних загалом.
Якщо ваше завдання — просто пережити скрутний час і ви не хочете витрачати багато грошей, а також не хочете морочитися зі складанням батареї, платами захисту, балансирами, і вас не бентежить велика вага, то така батарея — ваш вибір. Справедливості заради варто сказати, що балансири для кислотних батарей також існують: їх застосовують, коли використовують кілька послідовно з’єднаних батарей.
Крім того, слід пам’ятати, що свинцево-кислотну батарею не вдасться швидко зарядити, тож якщо у вас короткі паузи між вимкненнями світла або світла радше немає, ніж є, швидко зарядити її в перерві між вимкненнями не вийде.

Нікелеві.
Акумулятори самі по собі хороші, але їх виробляють не дуже багато, та й то частіше для промислових потреб. Тут, звісно, йдеться не про дрібноту на кшталт AA тощо. Грубо кажучи, якщо вони вам випадково трапилися, коштують недорого й у нормальному стані, то чому б і ні. А от купувати нові спеціально для автономного живлення — я б подумав...

«Звичайні» та багатокомпонентні літієві акумулятори.
Про використання «звичайних» у контексті ДБЖ я б одразу забув — надто багато проблем. Багатокомпонентні вже кращі, особливо з погляду безпеки. Але, як я писав, незручна напруга, обов’язковий контроль напруги на комірках і певні складнощі з буферним режимом створюють проблеми, причому, на мій погляд, найбільша з них — саме напруга. Загалом це радше варіант для поціновувачів.

Літій-залізо-фосфатні
Як на мене, якщо ви плануєте, щоб ваша батарея служила відносно довго, була безпечною та могла швидко заряджатися, то, мабуть, це ваш вибір. Такі акумулятори коштують дорожче за свинцево-кислотні, але вони невибагливі в роботі, забезпечують більшу кількість циклів, менше втрачають енерговіддачу за великих струмів навантаження, здатні довго працювати за великих струмів, а також можуть повністю зарядитися за пару годин. Думаю, ця різниця того варта.
З недоліків, крім ціни, — необхідність використовувати балансир і плату захисту, а також усе це зібрати, хоча за оголошеннями можна знайти людей, які зберуть вам усе докупи, звісно, за певну винагороду.

Літій-титанатні
Мабуть, із ключових недоліків — лише ціна. Тобто це рішення для тих, хто хоче дорого-якісно й без компромісів, а з огляду на величезний термін служби — найчастіше зібрав і забув, коли міняти. Але збирати таку батарею я б, мабуть, не став — саме через ціну, особливо з огляду на те, що роботи майже немає :(

На цьому з акумуляторами поки все. У наступній частині хотів би розповісти про власне складання батареї, підбір акумуляторів, розрахунок самої збірки тощо. Але, можливо, у вас знайдуться цікавіші запитання й теми для статті, і я зміню своє рішення. Пишіть, не соромтеся, для мене це важливо ;)