Аккумулятор для инвертора

Любому пользователю инвертора приходится задумываться о том, как поддержать аккумулятор в рабочем состоянии. Нетрудно понять, почему. Возьмем устройство мощностью 1000 ватт и подключим его к электрической сети напряжением 220 Вольт. Если коэффициент мощности у выбранного устройства равен 1, то нагрузка на источник питания, то есть сеть, окажется равной 1000 Вт/220 Вольт = 4,5 Ампера.

Скорость и глубина разряда аккумулятора

Но если то же самое устройство через инвертор запитать от 12-вольтовой аккумуляторной батареи, то нагрузка на источник питания, которым в данном случае будет аккумулятор, многократно возрастет и составит уже не 4,5 Ампера как в предыдущем примере, а 1000 Вт/12 Вольт = 83 Ампера. В реальности это значение окажется еще выше. При преобразовании постоянного напряжения в переменное часть мощности безвозвратно теряется и, с учетом КПД инвертора, аккумулятору придется отдавать почти 100 Ампер, что более чем в двадцать раз превысит ток в сети 220 Вольт.

Любой источник питания, в том числе аккумулятор, должен быть рассчитан на непрерывный ток, потребляемый нагрузкой. В противном случае он быстро выйдет из строя. Представьте, что произойдет с автомобильным аккумулятором, вращающим стартер двигателя в течение получаса! А ведь ток небольшого стартера сопоставим с током работающего на полной мощности двухкиловатного инвертора.

Срок службы аккумулятора зависит не только от скорости разряда (разрядного тока), но и от того сколько ампер-часов аккумулятор отдает потребителям (глубины разряда). Чем глубже аккумулятор разряжается в каждом цикле, тем меньше он служит. Аккумулятор для инвертора должен хорошо соответствовать обоим критериям – выдерживать высокий разрядный ток и не бояться глубокого разряда

Каждый аккумулятор предназначен для хранения какого-то определенного заряда. Этот заряд называется номинальной емкостью и измеряется в ампер-часах. Реальная емкость аккумулятора не всегда равна номинальной. Она зависит возраста батареи, температуры и тока нагрузки. Чем старше аккумулятор, чем больше ток, потребляемый подключенным к нему оборудованием и чем ниже окружающая температура, тем меньше его реальная емкость.

Из-за маленькой реальной емкости напряжение аккумулятора быстро падает. Как только оно достигнет заданного в инверторе порога, инвертор отключится. Однако низкое напряжение аккумулятора в момент отключения инвертора не обязательно означает, что батарея уже отдала весь имевшийся заряд. Через некоторое время аккумулятор восстановится, напряжение вырастет, и инвертор заработает вновь, правда проработает он не так долго, как в первый раз.

Аккумуляторы разных типов по-разному ведут себя под высокой нагрузкой. При равной емкости хуже всех держат напряжение жидко-кислотные батареи, за ними идут гелевые.  AGM — лучшие из свинцово-кислотных. LiFePO4 аккумуляторы поддерживают постоянное напряжение почти до полного разряда, поэтому лучше других подходят для питания инвертора.

DC-DC устройства позволяют заряжать аккумулятор инвертора от генератора двигателя

Регулярный длительный разряд слишком высоким током не проходит для аккумулятора бесследно. Его пластины постепенно разрушаются и через некоторое время аккумулятор заметно теряет емкость. Величина максимально допустимого разрядного тока для каждого типа аккумуляторов своя. Для жидко-кислотных батарей непрерывный ток разряда не должен превышать 25% емкости, для гелевых и AGM 30 и 40 процентов соответственно.

Если ток, потребляемый инвертором, превышает указанные значения, емкость батареи необходимо увеличить, чтобы защитить аккумуляторные пластины от чрезмерного нагрева, коробления и возможного повреждения. Для LiFePO4 элементов нормальным является ток разряда равный емкости

Продолжительность разряда

Суточный расход электрической энергии – это второй фактор, который необходимо учитывать при выборе аккумулятора для инвертора. На его величину влияют как мощность устройств, так и продолжительность их работы. Чайник мощностью 1500 Вт, греющий воду 10 минут в день, разрядит батарею меньше, чем два постоянно включенных зарядных устройства для сотовых телефонов мощностью по 30 Ватт каждое.

Зная расход электроэнергии, можно выбрать аккумулятор для инвертора. Емкость свинцово-кислотной батареи должна минимум в 2,5, а литий-железо-фосфатной в 1,25 раза больше предполагаемого энергопотребления между зарядками. Такой запас позволит уберечь аккумуляторы от глубокого разряда и повреждения.

Найти инвертор, удовлетворяющий требованиям по мощности относительно легко. Сложнее создать систему, обеспечивающую на борту транспортного средства бесперебойную работу оборудования переменного и постоянного напряжения. Если ее не будет, то вместо комфорта и дополнительных удобств инвертор принесет с собой новые проблемы. Например, перед его включением каждый раз придется запускать двигатель. Продуманная бортовая электросистема помимо инвертора должна включать несколько зарядных устройств разного типа, устройство контроля аккумулятора и, при необходимости, устройство его защиты.

Защита аккумулятора инвертора

Для аккумулятора инвертор создает циклическую нагрузку — сначала батарея глубоко разряжается, затем ей требуются повторный заряд до 100%.  Многократный разряд более 50 % от номинальной емкости в конечном итоге убьет даже самые хорошие свинцово-кислотные аккумуляторы глубокого разряда. Зато литий-железо-фосфатные элементы без проблем выдерживают 2000-3000 циклов заряда/разряда в диапазоне 10 — 90% емкости.

Поскольку инвертор способен быстро разрядить аккумулятор, в его схему обязательно включают цепь, отключающую устройство при низком напряжении аккумуляторной батареи.

Но если инвертор и аккумулятор, к которому он подключен, подобраны неправильно, то работая на полной мощности инвертор может потреблять ток сопоставимый с емкостью батареи. При большом разрядном токе напряжение аккумулятора из-за наличия внутреннего сопротивления быстро упадет, в то время как его заряженность останется по прежнему высокой. Поэтому чтобы не отключать инвертор от все еще заряженного аккумулятора в большинстве инверторов порог отключения по низкому напряжению установлен между 10,0 и 11,0 Вольт.

Если нагрузка переменного напряжения составляет всего несколько десятков ватт, например к инвертору подключено два зарядных устройства сотовых телефонов, то ток, потребляемый инвертором от аккумулятора, также окажется небольшим. Разряжаемый малым током свинцово-кислотный аккумулятор при напряжении 10,5 В (порог срабатывания защиты) окажется разряжен на 100%, а часть его пластин наверняка окажутся повреждены. LiFePO4 аккумулятор будет полностью разряжен уже при напряжении 12,0 Вольт.

Встроенная в инвертор цепь контроля входного напряжения предназначена в первую очередь для защиты самого устройства, для защиты аккумулятора она как правило не подходит. Исключения составляют полностью программируемые модели инверторов, в которых пользователь может самостоятельно установить несколько уровней защиты по низкому напряжению. Дополнительной защитой может служить монитор аккумуляторов, который отключит инвертор, после того как заряженность аккумулятора опустится до предустановленного значения

Зарядка аккумулятора инвертора

Инвертор средней мощности способен разрядить питающую его аккумуляторную батарею менее чем за час. Поэтому для бесперебойной работы систем постоянного и переменного напряжений на транспортном средстве должно быть предусмотрено несколько способов быстрой зарядки аккумулятора.

Во-первых, потребуется зарядка от внешнего источника переменного напряжения — стационарной сети или бензинового (дизельного) генератора. Лучше всего для этого подходит низкочастотный инвертор со встроенным зарядным устройством.  Поскольку линейные инверторы выпускаются мощностью 1500 Вт и более, а заставить их работать в обратном направлении достаточно просто, входящие в состав комбинированных моделей зарядные устройства имеют очень высокий ток зарядки. Так инвертор мощностью 2 кВт комбинируется с зарядным на 100 Ампер, а инвертор мощностью 3 кВт с зарядным на 150 Ампер. Такого тока достаточно для быстрой зарядки аккумуляторных батарей емкостью 200 – 400 Ач, которые наиболее часто встречаются на транспортных средствах. Если комбинированный инвертор не используется, для зарядки аккумулятора придется устанавливать независимое AC-DC зарядное устройство. Однако модель со схожими характеристиками окажется очень дорогой и потребует дополнительного места для установки

Комбинированные устройства лучше всего подходят для зарядки аккумуляторов инвертора

Во-вторых, необходимо предусмотреть зарядку аккумулятора инвертора от генератора двигателя.  Стандартный автомобильный генератор не предназначен для такой работы и поэтому выполняет ее крайне неэффективно.  Для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов глубокого разряда ему требуется много часов, а с литий-железо-фосфатными генератор просто нельзя использовать напрямую

Проще всего превратить генератор двигателя в современное устройство быстрой зарядки при помощи DC-DC зарядного. DC-DC устройство преобразует выходное напряжение генератора в зарядный профиль, напряжения в котором меняются в зависимости от состояния аккумулятора инвертора.

Если устройство определяет, что аккумулятор разряжен, оно включает режим быстрой зарядки, во время которого поддерживает максимальный ток до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет целевого значения. После этого оно фиксирует достигнутое напряжение и удерживает его, одновременно измеряя ток. Информация, собираемая микропроцессором зарядного устройства, позволяет ему точно определить момент перехода от одного этапа зарядки к другому. Когда целевое напряжение достигнуто, а ток снизился до нескольких ампер, устройство понимает, что аккумулятор полностью заряжен и понижает выходное напряжение, чтобы не перезарядить его.  Если напряжение заряженного на 100% аккумулятора падает, DC-DC устройство возвращается к зарядке постоянным током

Эти аккумуляторы способны управлять инвертором

DC-DC устройство не только быстро заряжает аккумулятор инвертора, но и предоставляет пользователю полный контроль над системой постоянного напряжения. Поскольку ток зарядки известен, известна и дополнительная нагрузка, которую устройство создает для генератора. Регулируя зарядный ток, можно установить такую нагрузку для генератора, с которой он справится не перегреваясь. После этого легко выбрать сечение силовых проводов и номиналы предохранителей для их защиты.

И наконец, если место позволяет, можно установить солнечные панели и использовать для зарядки аккумуляторной батареи солнечный контроллер

Емкость аккумулятора для инвертора

Перечислите в таблице все устройства переменного напряжения, которые будут подключены к инвертору. Укажите для каждого из них мощность с учетом коэффициента мощности. Оцените время ежедневного использования каждого устройства. Умножьте мощность, потребляемую каждым устройством, на время его использования и вычислите общее суточное потребление электроэнергии. Сложите полученные значения, а затем разделите на напряжение в системе (12 в 12-вольтовой системе), чтобы найти общий ежедневный расход в ампер-часах. Умножьте полученное значение на 1,1, чтобы учесть КПД инвертора. Если инвертор будет работать от сервисной батареи, добавьте к полученному значению энергопотребление устройств постоянного напряжения, которые будут работать одновременно с инвертором, чтобы определить общий расход электроэнергии между зарядками аккумуляторов.

Если к инвертору придется подключать индуктивную нагрузку, коэффициент мощности для которой не известен, то при расчете номинальную мощность такого устройства лучше увеличить на 50%. Другими словами, считать 100-ваттное устройство 150-ваттным.

На заключительном этапе необходимо сравнить максимальную непрерывной нагрузку с емкостью аккумуляторной батареи. Нагрузка не должна превышать 25% от емкости для аккумуляторов с жидким электролитом, 40% для AGM и может достигать 100% емкости для LiFePO4 аккумуляторов