Как показывает практика, жизнь – лучший учитель. Бэкапы я начал делать после заражения вирусом KillFiles, удалившего мою курсовую за день до сдачи. Источник бесперебойного питания купил после того, как сосед с перфоратором внезапно попал на силовой кабель, в результате чего выбило автомат у всего подъезда, а я потерял полдня работы.
Но ничто не вечно под луной, и недавно у моего ИБП батарея устала навсегда. Превосходный повод попробовать заменить свинцовый аккумулятор на более современный литиевый или суперконденсатор. Заодно и сравним эти способы между собой.
Для начала посмотрим на характеристики компьютера, который будет питаться от ИБП. Понятно, что каждый случай индивидуален, но любителям экстраполяции нужно от чего-то отталкиваться. В качестве сферического компьютера в вакууме будет выступать следующая конфигурация:
Вот такой измеритель мощности нагрузки поможет понять прожорливость системного блока:
Достаточно точно измеряет активную мощность (погрешность чуть больше 1%), проверял это на работе образцовым источником. Но чтобы не мучать компьютер получить точные результаты сравнительных измерений, соберем эквивалент нагрузки. А перед этим проведем замер потребления в разных режимах работы. Подключаем компьютер к измерителю мощности и включаем питание:
Более наглядно это выглядит на графике. Здесь ось Y – потребляемая мощность в Вт, ось X – время (не в масштабе):
Самые интересные для нас режимы – это запущенная ОС в режиме ничегонеделанья (очень близко к прокастинации за просмотром мемов в инете) и активный режим игры Counter-Strike 2 (извините, но ничего другого в моем стиме нет). Если в простое системник потребляет около 50 Вт (закроем глаза на «таинственные» всплески потребления до 70 Вт), то в режиме наибольшего приближения к рабочему состоянию – уже 250 Вт. При попытке нагрузить компьютер с помощью теста OCCT на 100% получаем потребление на уровне 370 Вт.
Исключим две крайние точки (как простой и майнинг биткойна), и получим среднюю величину потребления системного блока в 250 Вт. Но это системник, монитор также был подвергнут измерению, и он тянет на 30 Вт. Элементарное арифметическое действие дает итоговое значение – 280 Вт. Именно его и будем аппаратно эмулировать.
В качестве эмулятора системника будет выступать набор мощных резисторов. Величина сопротивления считается по известной формуле:
Конечно, знающие люди могут справедливо заметить, что куда-то пропал cos ϕ, но мы для простоты будем считать, что он равен 1 и вся нагрузка строго активная. Подставив в формулу величину напряжения в сети (230 В) и измеренной мощности (280 Вт), получаем итоговое значение сопротивления, равным 189 Ом.
Самое близкое сопротивление, которое удалось подобрать, это 4 последовательно соединенных резистора по 47 Ом, что дает в сумме 188 Ом. Очень близко к расчетному – всегда бы так!
В качестве нагрузки пойдут 4 резистора AH-100 мощностью 100 Вт каждый. Монтаж этого по-быстрому на основание, обжим, пайка и получается следующий результат:
Только использовать такую нагрузку следует с осторожностью. И не только потому, что есть не изолированные металлические участки, находящиеся под сетевым напряжением. Но и потому, что при работе она нагревается до 125 градусов:
Свинцовый АКБ (Pb)
Изначально установленная батарея в ИБП. Характеристики приводятся только для сравнения, как исходная точка отсчета:
Емкость: 4300 мА*ч
Напряжение ячейки
Заряженное: 2,4 В
Номинальное: 2,1 В
Разряженное: 1,8 В
Схема ячеек: 6S
Вес: 2,5 кг
Цена: 1880 руб (23$)
Циклов заряд/разряд: 500
Срок службы: 4 года
Отдельно хочется упомянуть нюанс касательно емкости батареи. Она сильно зависит от целого ряда факторов, например, окружающей температуры, величины разрядного тока, срока службы и т.д. Величина этой емкости была получена путем измерения при разряде током 1А. Сама батарея была куплена новой для данного эксперимента.
Итак, подключаем к ИБП свинцовый аккумулятор, нагрузку, имитируем отключение питания и засекаем время. Результат – ИБП продержался ровно 4 минуты 50 секунд, что не так уж и плохо.
Литий-фосфатный АКБ (LiFePO4)
Первый кандидат на замещение свинцового аккумулятора - литий-фосфатный. Сравнивать будем его, а не литий-ионный по причине того, что они позволяют разряд большим током, имеют больше допустимых циклов заряд-разряд и больший срок службы. Недаром именно LiFePO4 применяются в аккумуляторах для квадрокоптеров и прочих дронов.
Характеристики LiFePO4 батареи:
Емкость: 6400 мА*ч
Напряжение ячейки
Заряженное: 3,6 В
Номинальное: 3,2 В
Разряженное: 2,5 В
Схема ячеек: 4S2P
Вес: 0,9 кг
Цена: 5670 руб (69$)
Циклов заряд/разряд: 2500
Срок службы: 10 лет
Если разобрать данную АКБ, то видно, что она собрана из ячеек LFP26650P-320 и BMS типа HX-4S-F30A:
В случае, если есть желание собрать батарею самому, а не покупать готовую, то все компоненты можно найти в продаже. Понадобятся сами элементы LFP26650P (основные фирмы, производящие их, это JYN и DLG):
Набор, в котором есть корпус, держатели ячеек, никелевые ленты и BMS в комплекте:
Правда, BMS в таких наборах скорее всего будет для Li-ion, поэтому его придется покупать отдельно:
Подключаем к ИБП литий-фосфатный аккумулятор, нагрузку, имитируем отключение питания и засекаем время. Результат – ИБП проработал 7 минут 50 секунд. Заметно лучше предыдущего варианта.
Литий-титанатный АКБ (LiTiO)
Следующий кандидат для замены - литий-титанатный. Этот вариант литиевых аккумуляторов появился сравнительно недавно. По сроку службы и циклам перезаряда в несколько раз лучше предыдущего:
Емкость: 6000 мА*ч
Напряжение ячейки
Заряженное: 2,7 В
Номинальное: 2,4 В
Разряженное: 1,9 В
Схема ячеек: 5S4P
Вес: 1,1 кг
Цена: 13688 руб (167$)
Циклов заряд/разряд: 19000
Срок службы: 15 лет
Сильным недостатком является цена, а вкупе с его редкостью скорее всего, станет причиной отказа от такого варианта. Но тем не менее, проверим его в деле. Предварительно раскрыв, разумеется:
Используются ячейки DLG LTO18650-150 и BMS типа LF-BMS-D2. При желании этот вариант также можно собрать самому, ячейки и BMS продаются.
Подключаем к ИБП литий-титанатный аккумулятор, нагрузку, имитируем отключение питания и засекаем время. Результат – ИБП проработал 7 минут 20 секунд. Сопоставимо с предыдущим вариантом.
Суперконденсаторный АКБ (EDLC)
Прогресс не стоит на месте, и на рынке уже обильно представлены суперконденсаторы большой емкости, из которых набирают самые разные блоки для широких нужд. Типичное максимально допустимое напряжение таких конденсаторов составляет около 2,7 В, поэтому их соединяют последовательно, увеличивая рабочее напряжение и одновременно уменьшая емкость.
Из суперконденсаторов 700 Ф х 2,85 В собран модуль на 116 Ф х 17 В. Его характеристики:
Емкость: 116 Ф х 17 В
Напряжение ячейки
Заряженное: 2,7 В
Номинальное: -
Разряженное: -
Схема ячеек: 6S
Вес: 0,6 кг
Цена: 1637 руб (20$)
Циклов заряд/разряд: 500000
Срок службы: 10 лет
Если возникнет желание собрать такой модуль самому, следует учитывать, что придется размещать на печатной плате балансир для каждой емкости. Его задача – не допускать повышения напряжения выше номинального. Типовая схема балансира:
Выполнен на компараторе DA1 со встроенным источником опорного напряжения. В данном случае – это 2,7 В. Если напряжение превышает заданное, компаратор открывает MOSFET, который шунтирует конденсатор мощными резисторами.
Итак, подключаем к ИБП сборку суперконденсаторов (предварительно заряженную), нагрузку, имитируем отключение питания и засекаем время. Результат – ИБП проработал… 9 секунд.
Понять, почему так поможет формула расчета времени разряда конденсатора
где
U – начальное напряжение на конденсаторе (В),
Ut – конечное напряжение на конденсаторе (В),
R – сопротивление нагрузки, подключенной к конденсатору (Ом),
C – емкость конденсатора (Ф)
Если построить график разряда, то становится понятно, почему:
Дело в том, что ИБП отключается при падении напряжения ниже 10,8 В, считая, что батарея разряжена. Если заштриховать на графике разряда конденсатора участок до 10,8 В, то видно, что значительная часть запасенной энергии в конденсаторе просто не используется.
А учитывая более низкую плотность запасаемой энергии в пересчете на единицу массы (раза в три по сравнению со свинцовыми аккумуляторами), получается неутешительный вывод – использование суперконденсаторов в ИБП напрямую не рациональна.
Итоги
Сравнительные характеристики для наглядности сведены в таблицу:
По факту, наиболее предпочтительным вариантом замены свинцового аккумулятора является литий-фосфатный аккумулятор. Его можно купить готовым или собрать самому. Но следует учитывать, что из-за использования платы BMS такие аккумуляторные сборки нельзя соединять последовательно. Т.е. если в вашем ИБП используются напряжение 24 вольта (два последовательно соединенных свинцовых аккумулятора на 12 вольт), то нужно покупать либо делать один аккумулятор сразу на нужное напряжение.
