Литиевый аккумулятор для ИБП: как мелкая недоработка чуть не убила хорошее решение

В обзоре речь пойдёт о замене свинцового аккумулятора в источнике бесперебойного питания (ИБП) на литиевый.

Необходимый для этого литиевый аккумулятор можно собрать самому (все ингридиенты в продаже имеются), а можно купить готовый (для ленивых).

Вот именно последнее решение и будет рассмотрено.

В обзоре будут приведены результаты тестов аккумулятора в составе ИБП, а также осциллограммы типовых рабочих циклов работы бесперебойника с тестируемым аккумулятором.

Выбор типа аккумуляторов

Блоки бесперебойного питания — очень нужная и полезная вещь, способная спасти итоги долгого многочасового труда при проблемах с сетевым питанием.

Но есть у них внутри «слабое звено» — это их свинцовые аккумуляторы.

Хотя в состоянии «боевой работы» (когда пропадает напряжение в сети) они находятся едва ли один час в году, они всё равно постепенно теряют ёмкость и выходят из строя; и не сказать, чтоб это происходило медленно.

Уж я их душил-душил, простите, менял-менял, а они всё равно не хотели жить долго и счастливо.

Вот именно из-за этого у меня мой любимый UPS уже несколько лет пылился без дела....

Но жизнь систематически напоминала мне, что полагаться на стабильность сетевого питания не стоит; и, тем самым, заставила обратиться к его оживлению.

Но снова ставить тяжелые и недолговечные свинцовые аккумуляторы не хотелось; тем более, в продаже в Поднебесной уже имеются литиевые аккумуляторы в тех же габаритах, что и стандартные свинцовые аккумуляторы для бесперебойников.

Они бывают двух типов: «обычные» литий-ионные аккумуляторы и литий-железо-фосфатные (LiFePO4).

У последних есть один «минус» и один «плюс».

Минус — меньшее номинальное напряжение (3.2 В против 3.7 В) и, соответственно, меньшая плотность энергии на единицу объёма. А в «плюсах» — больший срок службы (по крайней мере, теоретически). Вот этот жирный «плюс» и сподвиг меня на покупку аккумуляторной батареи для UPS-а на основе LiFePO4-элементов. Установить и забыть!

Литиевые аккумуляторы, если изготовлены без брака, то, независимо от типа элементов, при небольшой нагрузке живут очень долго (а в ИБП наибольшее время именно под такой нагрузкой они и находятся).

Из личного опыта: купленный 20 (!) лет назад в комплекте с видеокамерой литий-ионный аккумулятор Panasonic до сих пор жив и здоров, видеокамера с ним работает! Правда, новых записей с её помощью я давно уже не делаю в связи с моральным устареванием сего аппарата.

Технические характеристики, внешний вид и комплектация литий-железо-фосфатного аккумулятора для ИБП

Основные технические характеристики — в следующей таблице:

 * Примечание. Продавец на странице товара указал, что ёмкость аккумуляторов номиналом 10.5 А*ч повышена до 12 А*ч. Как ни странно, это подтвердилось.

Аккумулятор по внешнему виду и габаритам соответствует стандартному свинцовому аккумулятору для ИБП на напряжение 12 В ёмкостью 7 А*ч:

Габариты были замерены штангенциркулем, они оказались равными 65.4 * 94.6 * 151.2 мм.

Вес оказался равным заявленному производителем:

 Кстати, вес стандартного свинцового аккумулятора такого же типоразмера — 2.4 кг. Почувствуйте разницу!

На боковой поверхности приклеена этикетка с основными реквизитами изделия:

Здесь надо обратить внимание на строчку: «Charging method: CC — CV».

Сокращение CC — CV расшифровывается как Constant Current — Constant Voltage и означает, что аккумулятор рекомендуется заряжать постоянным по величине током и затем, по достижении уровня полной зарядки, поддерживать на нём постоянный уровень напряжения.

 К счастью, именно такой метод применяется в типовых ИБП. Так что, кроме почти полного совпадения со свинцовыми аккумуляторами по номинальному напряжению, есть ещё и совпадение по методу зарядки в ИБП. Хорошая примета!

В комплекте к аккумулятору было приложено зарядное устройство на 14.6 В с током 2 А для случаев применения аккумулятора вне ИБП; а таких случаев может быть много: переносное освещение, резервное питание офисных АТС, автономное питание радиоэлектронной аппаратуры и т.п.

На верхней стороне зарядного устройства имеется светодиодный индикатор со стандартным алгоритмом работы: в течение зарядки светится красным, по её окончании — зелёным.

Кроме зарядного устройства, в комплекте приложены кабели с крокодилами для его подключения к аккумулятору, а также и наоборот: кабели для питания внешних устройств от этого аккумулятора.

Для включения зарядника в евророзетку в комплекте есть переходник с плоских штырей на круглые.

Первоначально я разбирать аккумулятор не планировал, но тесты показали, что это сделать надо. Фотки частично разобранного аккумулятора будут в последующих разделах обзора.

«Академический» тест литиевого аккумулятора для ИБП

Первый тест был проведён в очень мягких условиях: при небольшом разрядном токе (около 1.8 А с постепенным падением по мере падения напряжения на аккумуляторе).

Этот тест предназначался для определения «чистой» ёмкости аккумулятора и его поведения при разряде до низкого напряжения. Если плата защиты отключит аккумулятор от нагрузки для предотвращения переразряда — то хорошо. А если нет — то, соответственно, плохо.

Для съёма осциллограмм использовался осциллограф DSO150. Этот осциллограф — примитивный, но с одним полезным свойством: у него есть возможность установить сверхмедленную развёртку до 500 с / деление, что есть далеко не у всех его «старших» собратьев.

Тест проходил долго. Вот его главный результат (ёмкость аккумулятора):

Ёмкость составила почти «тютелька в тютельку» заявленные производителем 12 А*ч (заявлено это было в комментариях на странице продавца, на самом аккумуляторе было указано 10.5 А*ч).

Когда напряжение на аккумуляторе упало до 9.4 В, он автоматически отключился (сработала защита от переразряда). И это — хорошо!

А вот осциллограммы начала и конца процесса разряда:

Под конец процесса разрядки происходило значительное увеличение скорости падения напряжения на аккумуляторе. Это — вполне нормально для такого типа аккумуляторов; но владельцу надо иметь в виду, что когда питаемое устройство начнёт сигнализировать об истощении аккумулятора, то времени на корректное завершение работы останется не много.

Тест аккумулятора в составе ИБП

Вот теперь переходим к главному тесту.

Для тестирования использовался мой древний ИБП марки APC Smart-UPS V/S 650 (модель снята с производства):

Особенность данного ИБП — работа только от одного аккумулятора с номинальным напряжением 12 В (многие другие бесперебойники требуют последовательного подключения двух — четырёх аккумуляторов общим напряжением 24 — 48 В).

Конфигурация компьютера, который в тесте работал от ИБП: процессор AMD Ryzen 3 3100, материнка Gigabyte B550M S2H, ОЗУ 8 ГБ, SSD 1 ТБ, видеоадаптер начального уровня.

ИБП подключался к компьютеру в двух вариантах нагрузки: легкая и средняя. Тяжелую нагрузку создавать было нельзя: максимальный ток аккумулятора — 10 Ампер, т.е. выходная мощность при его номинальном напряжении 12.8 В — только 128 Вт.

Под лёгкой нагрузкой имеется в виду стандартная нагрузка «офисного» типа — чтение анекдотов, интернет-сёрфинг, просмотр фильмов, работа с документами DOC и XLS и т.п.

Замеры с помощью ваттметра показали, что в таком режиме сам компьютер потребляет 55-65 Вт, но при подключении через бесперебойник суммарно эта система потребляет 75-85 Вт (к потреблению компьютера добавляется потребление бесперебойника «для собственных нужд»).

А средняя нагрузка — это запуск на компьютере нагрузочного теста OCCT v. 6.2.2. В этом случае собственное потребление компьютера возрастало до 90-100 Вт, а потребление с бесперебойником возрастало до 120-130 Вт.

Сначала посмотрим на осциллограммы короткого теста — типового цикла работы компьютера с бесперебойником, снятые с помощью осциллографа Fnirsi 1013D с развёрткой 50 с/ деление (комментарии будут под осциллограммой):

Желтая линия — напряжение на аккумуляторе (нулевая линия находится в самом низу экрана), масштаб 2.5 В / деление.

Голубая линия — ток аккумулятора (нулевая линия — посередине экрана). Осциллограмма тока снималась с помощью шунта, общее сопротивление которого с соединительными проводами составляло 20 миллиом. Положение осциллограммы ниже нуля означает, что происходит не разряд, а заряд аккумулятора.

На осциллограмме отмечены следующие точки:

1 — подключение бесперебойника к питающей сети;

2 — самопроверка бесперебойника (кратковременное подключение нагрузки);

3 — отключение бесперебойника от питающей сети (переход к автономной работе);

4 — запуск на компьютере нагрузочного теста OCCT;

5 — выключение теста OCCT;

6 — подключение питающей сети.

Теперь переходим к «длинным» тестам (до полного истощения заряда аккумулятора). Для съёма осциллограмм снова использовался DSO150 с медленными развёртками.

Первый из длинных тестов — с лёгкой нагрузкой (компьютер с запуском приложений, не сильно повышающих его потребление).

Осциллограммы делались с развёрткой 500 с / деление. Нулевая линия — в самом низу экрана. Поскольку на один экран весь цикл не поместился, приведены две осциллограммы — начало и конец цикла полного разряда с последующим подключением бесперебойника к питающей сети:

 На первой осциллограмме заметно довольно сильное падение напряжения на аккумуляторе в момент его включения в работу (чуть более 1 В).

На второй осциллограмме заметно ускорение падения напряжения в конце цикла разряда аналогично приведённому выше «академическому» тесту (в момент пика вниз бесперебойник полностью отключился).

Сразу после выключения бесперебойника напряжение на аккумуляторе слегка подскочило вверх вследствие снятия нагрузки.

Через 5 минут после самоотключения бесперебойника на него было подано сетевое питание, с этого момента на осциллограмме заметно постепенное повышение напряжения.

На этих осциллограммах — всё хорошо, кроме падения напряжения на аккумуляторе в момент его включения на разряд. Оно — явно великовато, и к этому вопросу ещё придётся вернуться.

Общее время теста — 1 часа 46 минут, что очень неплохо для работы компьютера под бесперебойником даже с лёгкой нагрузкой.

Ток, отдаваемый аккумулятором составлял от 5.2 А в начале теста и до 6.9 А в конце. Увеличение тока в конце теста — естественное явление, т.к. аккумулятор должен был отдать ту же мощность при меньшем напряжении.

Теперь — второй из длинных тестов — со средней нагрузкой (под тестом OCCT).

Тест делался с развёрткой на осциллографе 200 с / деление. Осциллограмма этого теста тоже не поместилась на одном экране, поэтому будет представлена в виде двух осциллограмм (начало и конец процесса).

Длительность теста до самоотключения бесперебойника составила 1 час 2 минуты, неплохой результат для такой нагрузки.

Ток аккумулятора менялся по ходу теста от 11.8 А до 14 А, т.е. практически в течение всего теста превышал допустимые производителем 10 А. Вроде бы, аккумуляторные ячейки применены сильнотоковые и мощные (допустимый ток — до 40 А), и вроде бы ничего плохого случиться не должно было. Тем не менее, повод для «разбора полёта» создался.

На осциллограммах картина, в принципе, аналогичная лёгкому тесту; но падение напряжения в момент включения аккумулятора в работу — ещё выше.

Кроме того, во время теста в некоторых местах верхняя крышка аккумулятора сильно грелась: инфракрасный термометр Benetech-531 показал на отдельных участках крышки температуру до 84 градусов!

Такой сильный нагрев потребовал разбирательства, нет ли внутри повреждений вследствие перегрева, для чего верхнюю крышку надо было снять.

Крышка оказалась приклеенной на совесть, из-за чего при её снятии края были сильно погнуты; но обошлось без трещин.

Вот что оказалось внутри аккумулятора:

 Итак, внутри оказалось 12 цилиндрических аккумуляторов LiFePO4 типоразмера 26700 (диаметр — 26 мм, длина — 70 мм).

Плата защиты оказалась завёрнутой в пергаментную бумагу (её я потрошить не стал).

 С обратной стороны на одном из аккумуляторов оказалось возможным прочесть его номинал: 3.2 В, 4000 мА*ч:

Таким образом, ёмкость существенно превосходит ёмкость свинцового аккумулятора таких же габаритов.

Но самое главное на этих фотографиях другое. Это — неприлично тонкие провода, идущие от контактов на верхней крышке аккумулятора к его электронной начинке.

Вот теперь понятны и большое падение напряжения на аккумуляторе в момент его включения в работу, и высокий нагрев крышки аккумулятора. Все эти «удовольствия» обеспечили тонкие проводники внутри аккумулятора.

Чтобы лучше осознать масштаб бедствия, сравните толщину внутренних проводников аккумулятора и внешних проводников, идущих от аккумулятора к электронике бесперебойника (вот они сделаны «как надо»):

Давать совет потребителям вскрыть аккумулятор после покупки и провести его доработку по замене проводников я не буду.

Как я уже упоминал, операция вскрытия — довольно травматичная для аккумулятора. У меня всего лишь погнулись края крышки по периметру, но у кого-то может треснуть и крышка в целом или основная часть корпуса аккумулятора.

В связи с этим ограничусь советом использовать данный аккумулятор только в системах относительно небольшой мощности без превышения тока в 10 А, указанного производителем как предельно-допустимый.

Кстати, на последней фотке обратите внимание, что корпус аккумулятора довольно плотно набит начинкой: производитель установил в корпус аккумуляторные элементы по максимуму (полное использование объёма). В принципе, это было бы очень хорошо, если бы этот гламур не был испорчен тонкими проводниками.

Зарядка аккумулятора после разряда и реакция на короткое замыкание

Зарядка аккумулятора в составе бесперебойника после полного разряда проходила током около 1.3 Ампера (задаётся самим бесперебойником) и продолжалась около  10 часов. С точки зрения скорости заряда это, конечно, не комильфо; но зато такой мягкий заряд будет способствовать долгой жизни аккумулятора.

По окончании заряда на аккумуляторе в составе ИБП поддерживалось напряжение 13.8 В силами самого ИБП.

Важно, что при этом бесперебойник никак не «ругался» на аккумулятор. Он принял его «как родного», и никакой переделки бесперебойника под литий не потребовалось.

Зарядка аккумулятора от комплектного зарядного устройства тоже была не быстрой. В начале зарядки ток составил почти 2 А; затем произошел относительно быстрый рост напряжения на аккумуляторе, после чего процесс заряда перешел в плоскую и долгую часть с током заряда 1.2 — 1.5 А.

Начало и конец процесса заряда можно увидеть на двух следующих осциллограммах:

На самом финише процесса заряда заметен относительно быстрый подъём напряжения, который закончился на уровне 14.6 В с падением зарядного тока до нуля (сработала защита от перезаряда).

В самом конце этого теста было отключено зарядное устройство, в результате чего напряжение на аккумуляторе, лишившись «подпорки», упало до 14.1 В.

Кстати, о способах зарядки аккумулятора. Не следует пытаться зарядить аккумулятор «обычным» блоком питания: в лучшем случае у него сработает защита от короткого замыкания, а в худшем — не сработает, и тогда много чего может погореть.

Для быстрой зарядки аккумулятора вне ИБП можно использовать лабораторные блоки питания, имеющие возможность ограничения выхода как по напряжению, так и по току (и то, и другое не должно превышать предельно-допустимые значения).

Например, так идёт зарядка от лабораторного блока питания Longwei LW-K3010D при задании тока 4 Ампера:

В ходе тестов аккумулятора я ухитрился аж дважды учинить ему короткое замыкание (не преднамеренно). При этом плата защиты успешно предотвратила угрозу для аккумулятора: он остался жив и здоров.

Но есть нюанс: после снятия короткого замыкания напряжение на аккумуляторе не восстановилось автоматически. Потребовалось полностью отключить аккумулятор от схемы, после чего секунд через 10 напряжение восстановилось до номинала.

Итоги, выводы, рекомендации по применению литий-железо-фосфатного аккумулятора на 12 В в ИБП и для других целей

Начну с «лирического отступления».

В Китае умеют делать много хороших вещей, и делать качественно. Но иногда хорошую вещь портят какой-нибудь мелкой недоработкой.

Так произошло и с протестированный литиевым аккумулятором для ИБП (и других целей).

Теоретически, он мог бы отдавать очень высокую мощность и работать в бесперебойнике, нагруженном на игровой компьютер или сервер в небольшой организации. Но из-за мелкой недоработки (тонких проводников внутри аккумулятора) он годится только для применения совместно со слабо нагруженным компьютером.

Главный плюс протестированного аккумулятора — возможность установки в ИБП без какой-либо переделки последнего. Просто вставил, и всё работает. По крайней мере, это касается ИБП марки APC с конструкцией под установку одного аккумулятора.

Естественно, не исключается его применение и для других целей, кроме ИБП. Но и в этом случае рекомендуется не превышать максимального заявленного тока выхода (10 А). А ещё лучше, ограничиться на уровне около 8 А или менее.

Купить аккумулятор можно на Алиэкспресс в официальном магазине Kanavano. Цена протестированного аккумулятора в комплекте с зарядным устройством — около $70; на распродаже 11.11 — чуть ниже. Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Аккумулятор на 7 А*ч стоит около $45; на 18 А*ч — около $93.

Дополнительно следует напомнить, что подобного рода аккумуляторы (на основе литиевых элементов) нельзя соединять последовательно (т.к. из-за их разбаланса возможен преждевременный выход из строя).

Параллельно соединять такие аккумуляторы можно, но строго после выравнивания их напряжения; иначе перетекающий при их соединении ток может натворить много бед.

В случае, если пользователю необходим аккумулятор в аналогичном конструктиве, но с большим выходным током, более надёжным способом получения такого аккумулятора представляется самостоятельное изготовление. Вся необходимая комплектация, включая пустые корпуса стандартных типоразмеров, на китайских площадках есть. Важно соблюсти совместимость комплектующих: например, для LiFePO4 аккумуляторов должна быть плата защиты, рассчитанная именно под них.

Некоторые продавцы на Алиэкспресс (в т.ч. российские) берутся также изготовлять аккумуляторы на заказ, но что там окажется внутри — неизвестно.

Всем спасибо за внимание!