باتریهای سرب اسید و نیکل کادمیوم از پرکاربرد ترین انواع باتریها در صنعت یوپی اس میباشند. اغلب این سوال پیش میآید که این دو باتری چه تفاوتی با هم دارند؟ در چه مواردی بهتر است باتری سرب اسیدی پیشنهاد شود و بالعکس؟ نقاط ضعف و قدرت هر نوع باتری چیست؟ در ادامه سعی شدهاست حتی الامکان بطور خلاصه این دو نوع باتری با یکدیگر از زوایای گوناگون مقایسه شوند.
۱- تاریخچه
۲- مواد سازنده باتری
۳- قیمت
باتریهای نیکل کادمیوم حدودا بین ۲ تا ۴ بار گرانتر از نمونه مشابه خود از نوع سرب اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنیک ساخت باتری این امکان وجود دارد که این اختلاف بیشتر از ۵ برابر نیز بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تامین نیروی بکاپ از باتریهای نیکل-کادمیومی بسیار بالاتر تمام خواهد شد. پس چرا همچنان طیفی از مصرف کنندگان سراغ باتریهای نیکل میروند؟ بخشهای بعدی پاسخ این سوال را خواهد داد.
۴- طول عمر
یک قانون کلی در ارتباط با طول عمر اکثر انواع باتریها وجود دارد، و آن اینکه با افزایش تعداد دشارژ باتری طول عمر آن کم خواهد شد. اما هر دوباتری نیکل و سربی به عمق دشارژ نیز حساس هستند. به این معنی که اگر فرضا باتری بطور متوسط ۳۰ درصد دشارژ شود طول عمر آن بسیار بیشتر از حالتیست که بطور متوسط تا ۸۰ درصد دشارژ میگردد. گرچه باتریهای نیکل کادمیوم بسیار گرانتر از باتریهای سرب اسیدی هستند اما تعداد سیکلهایی که میتوان آنها را دشارژ کرد بسیار بیشتر از باتریهای سربی است.
همانطور که دیده میشود با افزایش عمق دشارژ به بیش از ۵۰ درصد، تفاوت عملکرد دو باتری به خوبی مشهود میگردد.
۵- حساسیت به دما
باتریهای سرب اسیدی بیشتر برای عملکرد در محیط ۱۰ تا ۳۵ درجه سانتیگراد پیشنهاد میشوند، زیرا نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی از خود نشان میدهند. ظرفیت ظاهری باتریهای سرب اسیدی نسبت به کاهش دما سریعا افت میکند و از طرفی دیگر نیز با افزایش دما عمر متوسط آنها به شدت کاهش مییابد (با افزایش هر ۱۰ درجه طول عمر مفید باتریهای سرب اسیدی نصف میشود!). اما باتریهای نیکل کادمیوم نسبت به تغییر دما حساسیت کمتری از خود نشان میدهند. بویژه در مواردی که باتری میبایست در دماهای پایین مورد استفاده قرار گیرد بهترین گزینه استفاده از باتریهای نیکل است. بازه دمایی مناسب برای عملکرد باتری نیکل کادمیم چیزی بین ۶۰ تا ۲۰- درجه سانتیگراد است. البته طول عمر متوسط آن نیز با افزایش دما کاهش مییابد. شکل زیر مقایسه ایست بین تغییرات ظرفیت دو باتری در یک بازه دمایی نسبتا زیاد.
۶- پدیده خود دشارژی (Self Discharge)
حتی درصورتیکه هر کدام از این دو نوع باتری به مدار متصل نباشند نیز، بعد از گذشت مدتی دشارژ میشوند. به این پدیده خود دشارژی میگویند (برای توضیحات تکمیلی میتوانید به مقاله “باتری های سرب اسید را بیشتر بشناسیم” مراجعه فرمایید). سرعت این پدیده در باتریهای نیکل کادمیوم چندین برابر باتریهای سرب اسیدی است. باتریهای نیکل بسته به آلیاژ مورد استفاده در ساختشان و همچنین دمای محیط، حتی امکان دارد که روزانه ۱ درصد از ظرفیتشان را در هنگام انبارش از دست بدهند. این مساله نیاز به شارژ مجدد باتری در هنگام استفاده و همچنین اتلاف انرژی را سبب میشود.
اشاره به این تفاوت نیز ضروریست که گرچه خود دشارژی در باتریهای نیکل چندین برابر باتریهای سربی است، اما باتریهای نیکل را میتوان حتی بطور دشارژ کامل نیز انبارش نمود، اما همانطور که در مقاله آشنایی بیشتر با باتریهای سرب اسیدی توضیح داده شد، باتریهای سرب اسیدی را نمیبایست با سطح شارژ پایین نگهداری کرد. زیرا در این صورت باتری سولفاته شده و طول عمر مفید آن بشدت کاهش مییابد.
۷- نحوه افت ولتاژ در هنگام دشارژ
ولتاژ باتریهای نیکل کادمیوم تقریبا تا لحظات آخر افت چندانی ندارد و میتوان با تقریب، آن را ثابت فرض کرد. اما ولتاژ پایانهی باتریهای سرب اسیدی در هنگام دشارژ، به تدریج کاهش مییابد.
۸- آلایندگی محیط زیستدر ساختار هر دو نوع باتری از فلزات سنگین (سرب و کادمیوم) استفاده شده است، که این به معنی دیر ترکیبی این فلزات است. در صورتیکه پروسه بازیافت لاشهی باتریها بدرستی انجام نشود هردو بشدت محیط زیست را آلوده مینمایند. اما پروسه بازیافت کادمیوم پیچیدهتر از سرب بوده و در عین حال این فلز شدیدا سرطان زا میباشد.
۹- سایز و وزن و پروسه ساخت
باتریهای سرب اسیدی روند ساخت سادهتری از باتریهای نیکل کادمیومی دارند. اما در عین حال نسبت انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن آن، یکی از کمترین مقادیر بین انواع باتریهاست (Wh/kg 30-50). درصورتیکه چگالی انرژی به وزن در باتریهای نیکل کادمیوم چیزی بین Wh/kg 45-80 میباشد. این بدان معنی است که باتریهای نیکل-کادمیوم ۳۰ درصد انرژی بیشتری نسبت به باتریهای سرب اسیدی در یک وزن برابر، در خود ذخیره میکنند. پس در مواردی که وزن مجموعه باتریها مهم است استفاده از باتریهای نیکل کادمیوم توصیه میشود.
۱۰- سرعت شارژباتریهای نیکل کادمیوم را میتوان در زمانهای کوتاهی همچون ۱ ساعت نیز شارژ نمود درصورتیکه شارژ سریع باتریهای سرب اسیدی در زمانی کمتر از ۴ ساعت توصیه نمیشود و عموما چیزی در حدود ۸ تا ۱۰ ساعت را برای شارژ آنها مناسب میدانند.
۱۱- جریان پیک دشارژ
دشارژ باتریهای سرب اسیدی با جریانی بیشتر از ۵ برابر جریان نامی آن توصیه نمیشود (فرضا باتری ۹ آمپر ساعت را نباید با جریانی بیش از ۴۵ آمپر دشارژ کرد) اما میتوان باتریهای نیکل کادمیوم را حتی با جریانهای ۱۰ تا ۱۵ برابر جریان نامی خود نیز دشارژ نمود.
۱۲- پدیدهی حافظهای (Memory Effect) در باتریهای نیکل
یکی از مهمترین نقاط ضعف باتریهای نیکل نسبت به سربی، وجود “پدیده حافظه” در باتری است. اگر باتری را چندین بار فرضا تا ۶۰ درصد ظرفیتش دشارژ کرده و مجددا شارژ نماییم. باتری حدود ۶۰ درصد را به “حافظه” سپرده و اگر بار دیگر باتری را بخواهیم بیشتر از ۶۰ درصد دشارژ نماییم این بار ناگهان ولتاژ خروجی باتری افت شدیدی مینماید. این پدیده باعث میشود که نتوان از ظرفیت باتری به طور مناسب استفاده نمود. بویژه در کاربردهای یوپی اسی که باتریها به حالت آماده به کار بوده و مرتبا شارژ و دشارژ نمیشوند این پدیده باعث میشود که نتوان از کل ظرفیت نصب شدهی باتریها استفاده بهینه نمود.
۱۳- تفاوت ولتاژ نامی سلولهای باتری
بدلیل ساختار متفاوت شیمیایی دو باتری، ولتاژ نامی سلولهایشان نیز متفاوت است. ولتاژ هر سلول در باتریهای نیکل کادمیم ۱٫۲ ولت و در باتریهای سرب اسیدی ۲ ولت میباشد. به همین دلیل برای ساخت یک باتری ۱۲ ولت نیکل کادمیوم، میبایست ۱۰ سلول را با هم سری کرد؛ در حالیکه سری کردن ۶ سلول باتری سرب اسیدی، همین ولتاژ را تولید خواهد نمود.
مشکل در ترکیبی از “دو برابر تبدیل” یو پی اس و ژنراتور اعوجاج ولتاژ ایجاد شده توسط یو پی اس است. ورودی یک UPS دو تبدیل است که در اصل یک یکسو کننده بزرگ است. جریان کشیده شده توسط یو پی اس غیر سینوسی است. این می تواند ولتاژ از برق AC یا یک ژنراتور به غیر سینوسی نیز تبدیل شود. اعوجاج ولتاژ پس از آن می تواند مشکلات در تمام تجهیزات الکتریکی متصل به آن منبع قدرت، از جمله یو پی اس خود شود. همچنین باعث می شود که قدرت بیشتری به در سیم کشی تامین برق به یو پی اس به دلیل پاشنه در جریان دست داده است. این سطح از “سر و صدا” به عنوان یک درصد از “مجموع اعوجاج هارمونیکی از جریان” (THD (من)) اندازه گیری شد. یکسو کننده ها کلاسیک یو پی اس یک (من) سطح THD حدود ۲۵-۳۰٪. برای کاهش اعوجاج ولتاژ، این نیاز به سیم کشی برق و یا سنگین تر ژنراتور بیش از دو برابر بزرگ به عنوان یو پی اس.
ساده خارج از خط روشن برق حالت ترکیب یکسو کننده تمام موج ساده متصل به یک ذخیره کننده انرژی خازن بزرگ است. چنین SMPS رسم در حال حاضر از خط AC در پالس های کوتاه زمانی که برق ولتاژ لحظه ولتاژ در سراسر این خازن فراتر می رود. در طول بخش باقی مانده از چرخه AC خازن انرژی به منبع تغذیه فراهم می کند.
به عنوان یک نتیجه، جریان ورودی پایه مانند برق حالت روشن است هارمونیک بالا و ضریب قدرت نسبتا کم است. این کار باعث ایجاد بار اضافی بر روی خطوط برق، حرارت سیم کشی ساختمان ترانسفورماتور ابزار و استاندارد موتور AC افزایش می دهد، و ممکن است مشکلات ثبات در برخی از برنامه های از جمله در سیستم ژنراتور اضطراری یا ژنراتور هواپیما شود. هارمونی را می توان با فیلتر حذف، اما فیلتر گران قیمت هستند. بر خلاف ضریب قدرت جابجایی ایجاد شده توسط بارهای القائی یا خازنی خطی، این اعوجاج را نمی توان با افزودن یک جزء تک خطی را اصلاح کرد. مدارهای اضافی مورد نیاز برای مقابله با اثر پالس فعلی مختصر. قرار دادن یک مرحله تنظیم افزایش هلی کوپتر در حال حاضر پس از یکسو خارج از خط (به اتهام خازن ذخیره سازی) می توانید ضریب قدرت درست، اما پیچیدگی و هزینه افزایش می دهد.
در سال ۲۰۰۱، اتحادیه اروپا به اجرا گذاشته استاندارد IEC / EN61000-3-2 به مجموعه ای از محدودیت در هارمونیک جریان ورودی AC تا هارمونیک ۴۰ برای تجهیزات بالا ۷۵ W. استاندارد چهار کلاس تجهیزات بسته به تعریف آن نوع و شکل موج جریان. محدودیت دقیق ترین (کلاس D) برای رایانه های شخصی، مانیتور کامپیوتر، و گیرنده های تلویزیون است. به مطابق با این شرایط، مدرن برق سوئیچ حالت به طور معمول شامل یک مرحله اضافی اصلاح ضریب توان (PFC).
مشکل در ترکیبی از “دو برابر تبدیل” یو پی اس و ژنراتور اعوجاج ولتاژ ایجاد شده توسط یو پی اس است. ورودی یک UPS دو تبدیل است که در اصل یک یکسو کننده بزرگ است. جریان کشیده شده توسط یو پی اس غیر سینوسی است. این می تواند ولتاژ از برق AC یا یک ژنراتور به غیر سینوسی نیز تبدیل شود. اعوجاج ولتاژ پس از آن می تواند مشکلات در تمام تجهیزات الکتریکی متصل به آن منبع قدرت، از جمله یو پی اس خود شود. همچنین باعث می شود که قدرت بیشتری به در سیم کشی تامین برق به یو پی اس به دلیل پاشنه در جریان دست داده است. این سطح از “سر و صدا” به عنوان یک درصد از “مجموع اعوجاج هارمونیکی از جریان” (THD (من)) اندازه گیری شد. یکسو کننده ها کلاسیک یو پی اس یک (من) سطح THD حدود ۲۵-۳۰٪. برای کاهش اعوجاج ولتاژ، این نیاز به سیم کشی برق و یا سنگین تر ژنراتور بیش از دو برابر بزرگ به عنوان یو پی اس.
ساده خارج از خط روشن برق حالت ترکیب یکسو کننده تمام موج ساده متصل به یک ذخیره کننده انرژی خازن بزرگ است. چنین SMPS رسم در حال حاضر از خط AC در پالس های کوتاه زمانی که برق ولتاژ لحظه ولتاژ در سراسر این خازن فراتر می رود. در طول بخش باقی مانده از چرخه AC خازن انرژی به منبع تغذیه فراهم می کند.
به عنوان یک نتیجه، جریان ورودی پایه مانند برق حالت روشن است هارمونیک بالا و ضریب قدرت نسبتا کم است. این کار باعث ایجاد بار اضافی بر روی خطوط برق، حرارت سیم کشی ساختمان ترانسفورماتور ابزار و استاندارد موتور AC افزایش می دهد، و ممکن است مشکلات ثبات در برخی از برنامه های از جمله در سیستم ژنراتور اضطراری یا ژنراتور هواپیما شود. هارمونی را می توان با فیلتر حذف، اما فیلتر گران قیمت هستند. بر خلاف ضریب قدرت جابجایی ایجاد شده توسط بارهای القائی یا خازنی خطی، این اعوجاج را نمی توان با افزودن یک جزء تک خطی را اصلاح کرد. مدارهای اضافی مورد نیاز برای مقابله با اثر پالس فعلی مختصر. قرار دادن یک مرحله تنظیم افزایش هلی کوپتر در حال حاضر پس از یکسو خارج از خط (به اتهام خازن ذخیره سازی) می توانید ضریب قدرت درست، اما پیچیدگی و هزینه افزایش می دهد.
در سال ۲۰۰۱، اتحادیه اروپا به اجرا گذاشته استاندارد IEC / EN61000-3-2 به مجموعه ای از محدودیت در هارمونیک جریان ورودی AC تا هارمونیک ۴۰ برای تجهیزات بالا ۷۵ W. استاندارد چهار کلاس تجهیزات بسته به تعریف آن نوع و شکل موج جریان. محدودیت دقیق ترین (کلاس D) برای رایانه های شخصی، مانیتور کامپیوتر، و گیرنده های تلویزیون است. به مطابق با این شرایط، مدرن برق سوئیچ حالت به طور معمول شامل یک مرحله اضافی اصلاح ضریب توان (PFC).
یکی از عوامل ایجاد هارمونیکها به کارگیری المانها و بارهای غیرخطی در سیستم است که باعث ایجاد سیگنالهای غیرسینوسی جریان و ولتاژ در شبکه قدرت شده که خود موجب پیدایش اعوجاج در موج اصلی جریان و ولتاژ میگردد. با گسترش بارهای غیرخطی، اعوجاج ولتاژ در سیستمهای قدرت شکل میگیرد که با انتقال از منبع به سمت بارها به علت امپدانس سیستم میزان آن افزایش مییابد. در زیر به سه دسته اساسی از عوامل ایجاد هارمونیکها اشاره میگردد. مبدلهای الکترونیکی قدرت شامل مبدلهای الکترونیکی قدرت مانند یکسوکنندهها و اینورترها میباشد. به عنوان نمونه جریان و هارمونیک منبع تغذیه سوئیچینگ که در ورودی شبکهای با حدود ۳۰ کامپیوتر قرار دارد در شکل شماره ۱–۲ آورده شده است. جریان ورودی در شبکههایی با بار کامپیوتری که غیرخطی میباشند آنچنانکه در زیر نشان داده شده است از هارمونیک بالایی برخوردار است. با توجه به میزان هارمونیک بالای جریان ورودی این بارها لزوم استفاده از یوپیاسها با THD پایین برای حذف وکاهش این هارمونیکها قابل درک است. وسایل فرومغناطیسی این دسته شامل ترانسها و ماشینهای الکتریکی میباشند. تجهیزات تخلیهای شامل لامپهای فلورسنت، لامپهای بخار سدیم و کورههای القایی. از دیگر عوامل تولید هارمونیکها میتوان به شارژرهای باتری، مبدلهای فرکانسی، درایورهای سرعت قابل تنظیم (PWM)، بانکهای خازنی، کامپیوترها، کورههای قوس و غیره اشاره نمود.
برای بررسی تأثیر زیانبار هارمونیکها میتوان آنها را به دو دسته کلی تقسیم نمود:
هارمونیکها باعث افزایش جریان خازنها، تلفات در ترانسفورمرها، موتورها، هادیها و اختلال در عملکرد سیستمهای کنترل، حفاظتی و ارتباطی میگردند. هارمونیکهای ایجاد شده توسط بارهای غیرخطی میتوانند بر روی بارهای مرتبط در محل اتصال تأثیر زیادی بگذارند. تأثیر اصلی هارمونیکهای ولتاژ به صورت زیر طبقهبندی میگردد گرم شدن اضافی ماشینها و کابلهای برق خرابی بانکهای خازنی اثرات هارمونیکهای جریان را میتوان به صورت زیر طبقهبندی نمود: ایجاد تداخل در سیستمهای مخابراتی که میزان تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیکها دارد. ایجاد تلفات اضافی در ترانسها و ماشینهای الکتریکی افزایش تلفات در خطوط انتقال از موارد دیگر تأثیر هارمونیکها در وسائل اندازهگیری میباشد. همچنین هارمونیکها باعث عملکرد نامناسب رلهها، کلیدها، فیوزها و سیستمهای فرمان از راه دور میگردند. در یک نتیجهگیری کلی میتوان اثرات هارمونیکها را به چهار دسته اصلی تقسیم نمود. اثرات بر عایقهای تجهیزات اثرات گرمایی بر تجهیزات عملکرد نامناسب تجهیزات شبکه قدرت تأثیر روی مدارهای ارتباطی
مدت زمان برقدهی عبارت است از مدت زمانی که یوپیاس میتواند از طریقباتریها بار را تغذیه کند. Backup Time به عوامل مختلفی بستگی دارد مهمترین آنها عبارتند از: میزان بار حقیفی (active) متصل به ups، تعداد باطریهای دستگاهups، آمپر ساعت باطریها و سطح شارژ باطریها .
متغیر بودن این عوامل سبب میشود تا برای برآورد مدت زمان٬ برق دهی از جداولی خاص استفاده شود که در آن عوامل دما٬ سلامت و عمر باتریرا به صورت میانگین٬ ثابت یا خوشبینانه در نظر میگیرند. در این جداول چند بازه برای میزان بار (به درصد توان یوپیاس یا وات) و چند بازه زمانی درج شده است و مثلا میتوان فهمید که اگر از ۵۰ درصد توان ی ups استفاده شود آنگاه مثلا ۲۰min زمان برقدهی خوهیم داشت.
به عنوان یک نکته دیگر، باتری به علت ماهیت شیمیایی خود رفتاری خطی از خود نشان نمیدهد. به همین علت نباید در محاسبات خود ضرایب خطی برای برآورد زمان برق دهی استفاده کرد. در جدول زیر نمونهای از زمان برق دهی نسبت به درصد بار برای یک یوپیاس ۱۰کاوا آورده شده است. همان طور که مشاهده می کنید اگر بار ۴۰% باشد در آنصورت ۱۰۳ دقیقه زمان backup timeخواهد بود. اما اگر بار دو برابر شود این زمان نصف نشده و به جای ۵۲ دقیقه، حدودا مدت ۴۴ دقیقه backup میدهد.
درصد بار | ۲۰ | ۴۰ | ۵۰ | ۶۰ | ۷۰ | ۸۰ | ۱۰۰ |
مدت زمان بکاپ (دقیقه) | ۲۳۴ | ۱۰۳ | ۷۴ | ۵۷ | ۴۹ | ۴۴ | ۳۴ |
متغیر بودن این عوامل ٬ عدم تسلط فنی به باطری٬ تجاری بودن و تغییرات مداوم باطری مصرفی معمولا باعث میشود که شرکتهای عرضه کنندهups از دادن این جداول خودداری کنند . از طرفی چون مشتری کاملا توجیه نیست که این جداول و ارقام هم بدون خطا نیست و به خیلی چیزها بستگی دارد و ممکن است فردا روزی ادعای ضرر و زیان نماید لذا عرضهکنندگان یوپیاس را به ندادن این جداول بیشتر تشویق مینماید. اما باید در نظر داشت که شرکتهای حرفهای و فنی از دادن این اطلاعات ترسی ندارند.
یکی از روشهایی که میتوان میزان Backup time واقعی را با توجه به شرایط محیطی و بارهای متصل اندازهگیری کرد استفاده از تستهایی مانندTest Until Battery Low یا تست تا زمان خالی شدن باتری میباشد .