Batteria UPS: Carica di mantenimento, equalizzazione e ricarica rapida: quando usare ciascuna modalità

Un pacco batterie UPS è stato recentemente valutato per la sostituzione dopo soli tre anni di servizio.

Il primo sospetto è stata la qualità della batteria. Ma la cronologia di carica ha mostrato un'altra possibile causa: l'UPS era stato configurato per eseguire frequenti cariche di equalizzazione a una tensione elevata.

Per le batterie VRLA utilizzate principalmente per il servizio di standby, la ricarica ripetuta ad alta tensione può aumentare la produzione di gas, la perdita d'acqua e la temperatura della batteria se supera il profilo di carica raccomandato dal produttore della batteria.

La durata della batteria dipende da più fattori rispetto alla batteria stessa. Le impostazioni del caricabatterie, la temperatura e il tempo disponibile per la ricarica sono tutti importanti.

La carica di mantenimento, la carica di equalizzazione o di boost e la ricarica rapida servono a scopi diversi. Non dovrebbero essere trattate come modalità di carica intercambiabili.

Punti chiave

• Carica di mantenimento è la modalità di standby normale per la maggior parte dei sistemi di batterie VRLA UPS.

• Carica di equalizzazione o di boost dovrebbe essere utilizzata solo quando il produttore della batteria lo consente.

• Ricarica rapida è limitata sia dalla corrente di carica consentita dalla batteria sia dalla capacità del caricabatterie UPS.

• La capacità della batteria, la corrente del caricabatterie e il tempo di ricarica disponibile devono essere valutati insieme.

• I parametri di carica devono essere sempre basati sui dati tecnici del modello di batteria specifico.

La carica di mantenimento è la normale modalità di standby dell'UPS

Per la maggior parte dei pacchi batterie VRLA collegati a un UPS online, la carica di mantenimento è la normale condizione operativa.

Quando l'alimentazione di rete è disponibile, il caricabatterie UPS mantiene la batteria a una tensione costante controllata. Man mano che la batteria si avvicina alla carica completa, la corrente di carica scende a un livello basso e la batteria rimane pronta per la prossima interruzione.

Per molte batterie VRLA stazionarie, la tensione di mantenimento raccomandata a circa 25°C è approssimativamente:

2,25–2,30 V per cella

Per una batteria da 12 V con sei celle, ciò corrisponde approssimativamente a:

13,5–13,8 V per batteria

Questo è un intervallo tipico, non un'impostazione che dovrebbe essere applicata a ogni batteria.

I design AGM, GEL, TPPL e altri VRLA possono avere requisiti di carica diversi. La corretta tensione di mantenimento dovrebbe sempre provenire dalla documentazione tecnica del modello di batteria specifico.

Un piccolo errore di tensione di mantenimento diventa importante nel tempo

Le batterie UPS possono rimanere in mantenimento per anni, quindi anche un piccolo errore di carica può avere un effetto a lungo termine.

Se la tensione di mantenimento è troppo bassa, la batteria potrebbe rimanere parzialmente carica. La sottocarica prolungata può contribuire alla solfatazione e alla riduzione della capacità disponibile.

Se la tensione di mantenimento è troppo alta, la batteria rimane in sovraccarica continua. Ciò può aumentare la produzione di gas, la perdita d'acqua, la corrosione delle griglie e la temperatura operativa.

L'UPS potrebbe non mostrare alcun allarme immediato mentre la durata della batteria viene gradualmente ridotta.

Per il servizio di standby a lungo termine, la tensione di mantenimento accurata è più importante di una carica aggressiva.

La compensazione della temperatura dovrebbe essere controllata

La tensione di carica delle batterie al piombo-acido cambia con la temperatura.

All'aumentare della temperatura della batteria, la tensione di carica raccomandata normalmente diminuisce. A temperature più basse, potrebbe essere necessaria una tensione leggermente più alta.

Molte batterie VRLA stazionarie utilizzano un valore di compensazione della temperatura negativa di pochi millivolt per grado Celsius per cella, ma il coefficiente esatto dipende dal design della batteria.

Se l'UPS supporta la carica a compensazione di temperatura, verificare che:

• il sensore di temperatura della batteria sia installato correttamente;

• la compensazione della temperatura sia abilitata dove richiesto;

• la temperatura di riferimento corrisponda alle istruzioni del produttore della batteria.

Un pacco batterie che opera continuamente a 30°C non dovrebbe utilizzare automaticamente esattamente la stessa tensione di carica di uno che opera a 20°C o 25°C.

La carica di equalizzazione non è manutenzione di routine per ogni batteria VRLA

L'equalizzazione è spesso associata alle batterie al piombo-acido, ma il termine può essere fuorviante nelle applicazioni UPS.

Le batterie tradizionali al piombo-acido ventilate possono utilizzare l'equalizzazione periodica per ridurre le differenze nello stato di carica tra le celle.

Le batterie VRLA richiedono maggiore cautela.

A seconda del produttore, una fase di carica temporanea ad alta tensione può essere descritta come:

• carica di equalizzazione;

• carica di boost;

• carica di recupero;

• carica di messa in servizio.

Questi termini non sono sempre intercambiabili.

Alcuni produttori VRLA forniscono una procedura di equalizzazione specifica. Altri ne limitano l'uso o specificano un metodo di carica di boost diverso.

La presenza di un'opzione Carica di equalizzazione in un menu UPS non significa che debba essere eseguita automaticamente ogni mese.

Il manuale della batteria dovrebbe deciderlo.

Quando una tensione di ricarica più alta può essere appropriata?

Una situazione è dopo una scarica significativa.

Una batteria scarica dovrebbe essere ricaricata il prima possibile. Alcuni produttori di batterie consentono una tensione di carica o una corrente di carica temporaneamente più alta per ridurre il tempo di recupero.

Il punto importante è che questo è temporaneo.

Una volta raggiunta la condizione di ricarica richiesta, il caricabatterie dovrebbe tornare al normale livello di carica di standby specificato dal produttore della batteria.

Un'altra situazione è la ricarica incompleta ripetuta.

Questo è comune in siti con un'alimentazione di rete instabile.

Il ciclo operativo può essere simile a questo:

Interruzione → scarica batteria → ripristino rete → ricarica parziale → altra interruzione

Se la prossima interruzione si verifica prima che la batteria si sia ripristinata, il tempo di backup disponibile sarà inferiore.

Quando ciò accade ripetutamente, il pacco batterie potrebbe trascorrere gran parte della sua vita al di sotto dello stato di carica completo.

Prima di aumentare la tensione di carica, controllare prima il design del sistema.

La capacità della batteria da sola non determina il tempo di ricarica

Questo è uno dei punti più trascurati nel dimensionamento delle batterie UPS.

Un pacco batterie più grande fornisce più energia immagazzinata, ma richiede anche più tempo o più corrente di carica per recuperare dopo una scarica.

Tre fattori devono essere considerati insieme:

Capacità della batteria + capacità del caricabatterie + finestra di ricarica disponibile

Considera un semplice esempio.

Se una batteria da 100 Ah consente una corrente di ricarica massima di 0,2C, la corrente corrispondente sarebbe:

100 Ah × 0,2 = 20 A

Ma se il caricabatterie UPS può fornire solo 10 A, il pacco batterie non si ricaricherà a 20 A.

Il caricabatterie diventa il fattore limitante.

Ciò è particolarmente importante quando viene aggiunto un grande pacco batterie esterno per estendere il tempo di backup dell'UPS.

L'aggiunta di più batterie aumenta l'autonomia, ma non aumenta automaticamente la capacità di carica.

Un sistema progettato per diverse ore di backup potrebbe quindi richiedere un caricabatterie di maggiore capacità o moduli di carica aggiuntivi se è richiesto un recupero rapido.

Per dimensionare il pacco batterie prima di controllare il tempo di ricarica, consultare la nostra Guida al dimensionamento dell'autonomia delle batterie UPS.

Le interruzioni frequenti rendono il tempo di ricarica parte del design dell'UPS

Nei siti con una rete instabile, la capacità di ricarica dovrebbe essere considerata durante la selezione dell'UPS, non dopo l'installazione.

Supponiamo che un pacco batterie sia progettato per una lunga autonomia, ma il sito subisca diverse interruzioni al giorno.

Dopo la prima scarica, l'UPS potrebbe avere solo poche ore per ricaricarsi prima della prossima interruzione.

Se il caricabatterie non riesce a ripristinare abbastanza capacità durante quel periodo, ogni successiva interruzione inizia con meno energia immagazzinata.

Il pacco batterie potrebbe quindi essere correttamente dimensionato per l'autonomia ma mal abbinato all'ambiente operativo effettivo.

Per siti con interruzioni frequenti, controllare:

• profondità di scarica prevista;

• numero di interruzioni al giorno;

• capacità della batteria;

• corrente del caricabatterie UPS;

• tempo di ricarica disponibile;

• programma di funzionamento del generatore, se applicabile.

Questo è spesso più utile che aumentare semplicemente la capacità Ah della batteria.

Per saperne di più sulla capacità dell'UPS, sull'autonomia e sulla configurazione delle batterie, consultare la nostra Guida al dimensionamento dell'UPS.

L'equalizzazione non può riparare una batteria guasta

Se una batteria in una stringa in serie mostra una tensione anomala, l'applicazione di una tensione di carica più alta all'intera stringa non dovrebbe essere la prima risposta.

Controllare prima le condizioni della batteria.

Le misurazioni utili includono:

• tensione di ogni singola batteria;

• resistenza interna o conduttanza;

• resistenza di connessione;

• temperatura della batteria;

• capacità di scarica;

• gonfiore visibile, perdite o corrosione.

Una batteria con significativa perdita di capacità, danni interni, eccessiva essiccazione o surriscaldamento non può normalmente essere ripristinata semplicemente aumentando la tensione di carica.

L'equalizzazione è una procedura di carica, non un metodo di riparazione.

Per saperne di più sul cablaggio e sul monitoraggio delle stringhe di batterie, consultare Punto medio della batteria UPS: cos'è, quando serve e come collegarlo.

Perché la carica eccessiva è una preoccupazione per le batterie VRLA

Le batterie VRLA sono progettate per ricombinare gran parte del gas generato durante la carica normale.

Tale capacità di ricombinazione ha dei limiti.

Una tensione di carica, una corrente di carica o una temperatura eccessive possono aumentare la generazione di gas più velocemente di quanto la batteria possa ricombinarlo.

La pressione interna aumenta quindi e la valvola di sicurezza potrebbe attivarsi.

Una volta che l'umidità viene persa da una batteria VRLA sigillata, non può essere normalmente ripristinata nello stesso modo in cui l'elettrolita può essere servito in una batteria ventilata convenzionale.

La sovraccarica ripetuta può quindi accelerare l'essiccazione e la perdita permanente di capacità.

Se una batteria mostra:

• gonfiore della cassa;

• temperatura insolita;

• perdite o corrosione;

• macchie intorno all'area della valvola;

• tensione anomala persistente;

indagare sulla causa prima di modificare le impostazioni di carica.

La ricarica rapida riguarda principalmente la corrente di carica disponibile

Per le batterie UPS al piombo-acido, ricarica rapida è solitamente un termine più utile di carica rapida.

Il tempo di ricarica dipende principalmente da:

1. capacità del caricabatterie UPS;

2. corrente di carica massima consentita dalla batteria;

3. profondità della scarica precedente;

4. temperatura della batteria;

5. il profilo di carica specificato dal produttore.

Non esiste un singolo C-rate massimo che si applichi a ogni batteria VRLA.

Alcuni modelli di batteria consentono una corrente di ricarica iniziale relativamente alta, mentre altri utilizzano limiti inferiori.

Questo è il motivo per cui affermazioni come:

Tutte le batterie UPS dovrebbero essere caricate a 0,1C.

o:

0,25C è sempre il massimo.

sono troppo ampie.

Utilizzare la scheda tecnica per il modello di batteria esatto.

Non trascurare l'UPS quando si aggiungono batterie esterne

Questo punto è particolarmente importante quando un UPS standard è collegato a un pacco batterie esterno molto più grande.

Il calcolo della batteria potrebbe mostrare che l'autonomia richiesta è raggiungibile, ma rimane un'altra domanda:

Quanto tempo impiegherà l'UPS per ricaricare le batterie dopo una scarica?

Se la risposta è 10, 15 o anche 20 ore, ciò potrebbe essere accettabile in un sito con un'alimentazione di rete stabile.

Potrebbe non essere accettabile in un sito in cui è probabile un'altra interruzione entro diverse ore.

Per progetti UPS a lunga autonomia, la capacità del caricabatterie dovrebbe quindi essere controllata insieme a:

• potenza nominale UPS kVA/kW;

• tensione DC della batteria;

• capacità Ah della batteria;

• autonomia richiesta;

La lunghezza del cavo della batteria e la sezione del conduttore dovrebbero anche essere controllate, specialmente quando gli armadi batteria esterni sono installati a diversi metri di distanza dall'UPS.

Per la lunghezza del cavo, la caduta di tensione e il posizionamento dell'armadio batteria, vedere Quanto lontano dovrebbe essere un UPS dall'armadio batteria?.

Le batterie al litio utilizzano una strategia di carica diversa

I sistemi di batterie al litio non dovrebbero semplicemente ereditare la terminologia delle batterie al piombo-acido come carica di mantenimento ed equalizzazione.

Le batterie industriali al litio seguono normalmente un profilo di carica definito dal produttore della batteria e controllato dal sistema di gestione della batteria.

Il BMS monitora tipicamente:

• tensione delle celle;

• temperatura della batteria;

• corrente di carica;

• stato di carica;

• squilibrio delle celle;

• sovratensione;

• sovratemperatura.

Per un sistema di batterie UPS al litio, le domande importanti sono:

• L'UPS è compatibile con la batteria?

• La comunicazione tra l'UPS e il BMS funziona correttamente?

• La tensione e la corrente di carica rientrano nei limiti del produttore della batteria?

I parametri di carica non devono essere aumentati manualmente oltre i limiti definiti dal produttore della batteria o dal BMS.

Mantenimento vs equalizzazione vs ricarica rapida

Prima di modificare le impostazioni di carica della batteria UPS

Prima di modificare i parametri di mantenimento, boost o ricarica, controllare:

• modello e tecnologia esatta della batteria;

• tensione di mantenimento specificata dal produttore;

• tensione di boost o equalizzazione consentita;

• corrente di carica massima;

• requisito di compensazione della temperatura;

• capacità del caricabatterie UPS;

• capacità Ah del pacco batterie;

• frequenza di interruzione prevista;

• tempo di ricarica disponibile;

• temperatura della batteria;

• tensioni individuali delle batterie.

Non regolare un parametro isolatamente.

Una tensione di carica più alta può ridurre il tempo di ricarica, ma può anche aumentare lo stress sulla batteria.

Un pacco batterie più grande può fornire un backup più lungo, ma potrebbe anche richiedere molto più tempo per ricaricarsi.

La strategia di carica deve corrispondere alla batteria, al caricabatterie UPS e alle condizioni effettive del sito.

Tre regole pratiche

Utilizzare la scheda tecnica della batteria per la tensione di mantenimento.

Non aumentare la tensione di mantenimento semplicemente perché un'impostazione più alta sembra caricare la batteria più completamente.

Non programmare l'equalizzazione automaticamente a meno che il produttore della batteria non lo raccomandi.

Una funzione di equalizzazione nel menu UPS non significa che ogni batteria VRLA richieda l'equalizzazione periodica.

Quando il tempo di ricarica è importante, controllare il caricabatterie con la stessa attenzione della capacità della batteria.

Un grande pacco batterie collegato a un caricabatterie sottodimensionato può fornire un'eccellente autonomia una volta completamente carico, ma un recupero scarso tra le interruzioni.

Le batterie UPS trascorrono la maggior parte della loro vita operativa collegate a un caricabatterie piuttosto che a fornire carico.

Ciò rende la tensione di carica, la compensazione della temperatura, la corrente di carica e il tempo di ricarica parte della durata della batteria, non solo impostazioni di messa in servizio.

Scegliere la batteria giusta è solo il primo passo.

Caricarla correttamente è altrettanto importante.

Nota tecnica

La tensione di carica, la corrente di carica, la compensazione della temperatura, le impostazioni di equalizzazione o boost e i limiti di ricarica variano in base al design della batteria e alla configurazione del caricabatterie UPS.

Seguire sempre la documentazione tecnica più recente fornita dal produttore della batteria e dal produttore dell'UPS. I valori discussi in questo articolo sono riferimenti ingegneristici generali e non dovrebbero sostituire le istruzioni di carica specifiche del modello.

Standard internazionali e riferimenti tecnici

I seguenti standard internazionali sono pertinenti per i sistemi di batterie UPS stazionarie:

• Serie IEC 60896 — Batterie stazionarie al piombo-acido regolate da valvola.

• IEC 62485-2 — Requisiti di sicurezza per batterie secondarie stazionarie e installazioni di batterie.

• IEEE 1188 — Manutenzione, test e sostituzione di batterie VRLA stazionarie.

• IEC 62619 — Requisiti di sicurezza per celle e batterie secondarie industriali al litio.

Questi standard forniscono indicazioni tecniche e di sicurezza generali. I parametri di carica effettivi devono sempre essere confermati rispetto alla documentazione attuale del produttore della batteria e dell'UPS.

Hai bisogno di aiuto per dimensionare un sistema di batterie UPS?

La capacità Ah della batteria è solo una parte della progettazione delle batterie UPS.

Per progetti che richiedono una lunga autonomia, cicli di scarica frequenti o un rapido recupero dopo le interruzioni, la capacità del caricabatterie e il tempo di ricarica dovrebbero essere valutati insieme al pacco batterie.

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