Пересчёт кВт·ч в мА·ч для систем резервного питания: руководство по расчёту мощности для промышленных объектов

СОВЕТЫ: При выборе размера система резервного питания от аккумулятора В случае промышленного ИБП возникает проблема несоответствия параметров устройств. В техническом паспорте ИБП указана мощность в кВтч. Поставщик аккумуляторов указывает емкость в мАч. Пересчёт между этими единицами измерения — это не просто рекомендация. Это первый шаг к правильному подбору оборудования. Неправильный пересчёт приводит к выбору аккумуляторов недостаточной ёмкости. А это означает сокращение времени автономной работы во время отключений электроэнергии. В данном руководстве объясняется Как пересчитать кВт·ч в мА·ч для системы резервного питания. В ней рассматриваются формулы, поправки с учетом реальных условий и рабочие процессы расчета размеров, которые инженеры BKPOWER используют в повседневной работе. Мы также покажем вам, как применять эти кВт-ч в мА-ч переоборудование в центры обработки данных, системы накопления солнечной энергии, телекоммуникационные будки и производственные цеха.

Ⅰ. Почему преобразование кВт·ч в мА·ч имеет важное значение в промышленном энергоснабжении

1. Проблема несоответствия модулей

КВт·ч — единица измерения энергии. Она показывает, какой объем работы может выполнить аккумулятор. мА·ч — единица измерения заряда. Она показывает, как долго аккумулятор может подавать ток при заданном напряжении. Их нельзя сравнивать напрямую. В качестве связующего звена необходимо использовать напряжение. Без этого связующего звена отдел закупок может заказать элементы емкостью 10 000 мА·ч для системы мощностью 5 кВт·ч ИБП. В результате получается система, которая выходит из строя за считанные минуты, а не часы.

Промышленные покупатели часто получают коммерческие предложения с указанием различных единиц измерения. Поставщик систем бесперебойного питания (UPS) указывает цены в кВт·ч. Дистрибьютор аккумуляторов — в мА·ч. Интегратор солнечных систем — в А·ч. Прежде чем сравнивать однородные величины, необходимо привести все показатели к одной единице измерения. Именно здесь преобразование кВт·ч в мА·ч приобретает решающее значение.

2. В каких случаях применяется данное преобразование

ИБП для центров обработки данных Модули используют аккумуляторные батареи на 48 В. В солнечных системах накопления энергии применяются батареи на 12 В, 24 В или 48 В. В телекоммуникационных будках используются системы питания на 48 В постоянного тока. В промышленной автоматизации применяется резервное питание на 24 В постоянного тока. В морских системах и системах для автофургонов используются батарейные блоки на 12 В или 24 В. В каждом из этих случаев необходимо пересчитать потребность в энергии в кВт·ч в емкость батареи в мА·ч или А·ч. Это гарантирует, что аккумуляторная батарея соответствует техническим характеристикам по времени работы.

В развивающихся регионах нестабильность электросети вынуждает предприятия в течение нескольких часов полагаться на резервное питание от аккумуляторов. Текстильному заводу в Юго-Восточной Азии может потребоваться 4 часа Время работы ИБП. В африканской больнице это может занять 8 часов. Без точного пересчёта кВт·ч в мА·ч эти учреждения рискуют столкнуться с критическими сбоями в питании.

Ⅱ. Основные формулы: пересчёт из кВт·ч в мА·ч и обратно

1 кВт·ч в мА·ч

Используйте эту формулу, если вам известны потребляемая мощность и напряжение аккумулятора.

мА·ч равен кВт·ч, умноженному на 1 000 000 и деленному на V.

Пример: 2 кВт·ч аккумулятор UPS напряжение 48 В.

2 умноженное на 1 000 000 равно 2 000 000. 2 000 000, деленное на 48, равно 41 667 мА·ч. Это 41,67 А·ч.

2. От «Wh» до «mAh»

Для небольших систем используйте единицы измерения «Вт·ч» вместо «кВт·ч».

мА·ч равен Вт·ч, умноженному на 1 000 и деленному на V.

Пример: Переносная электростанция мощностью 500 Вт·ч, 12 В.

500 умноженное на 1 000 равно 500 000. 500 000, деленное на 12, равно 41 667 мА·ч.

3. Пересчет: от мА·ч в кВт·ч

Используйте эту формулу, если у вас есть технические характеристики аккумулятора и вам нужно рассчитать запас энергии.

1 кВт·ч равен произведению мА·ч на V, деленному на 1 000 000.

Пример: литиевая батарея емкостью 100 А·ч и напряжением 12,8 В.

100 000 мА·ч, умноженные на 12,8, равны 1 280 000. 1 280 000, деленное на 1 000 000, равно 1,28 кВт·ч.

4. Пересчёт кВт·ч в А·ч

Для крупных промышленных систем единица «А·ч» более практична, чем «мА·ч».

А равен кВт·ч, умноженному на 1 000 и деленному на V.

Пример: Солнечная батарея мощностью 10 кВт·ч и напряжением 48 В.

10 умноженное на 1 000 равно 10 000. 10 000, деленное на 48, равно 208,3 А·ч.

5. Таблица кратких справочных данных

| кВт·ч | Напряжение | мА·ч | А·ч | | 0,5 | 12 В | 41 667 | 41,7 | | 1,0 | 12 В | 83 333 | 83,3 | | 2,0 | 24 В | 83 333 | 83,3 | | 5,0 | 48 В | 104 167 | 104,2 | | 10,0 | 48 В | 208 333 | 208,3 | | 20,0 | 48 В | 416 667 | 416,7 |

Ⅲ. Поправки с учетом реальных условий: почему математические расчеты никогда не бывают идеальными

1. Глубина разряда (DoD)

Вы не можете использовать 100 процентов емкость батареи. Разряд свинцово-кислотных аккумуляторов не должен опускаться ниже 50 процентов. Литий-ионные аккумуляторы допускают разряд до 80–90 процентов. Если по вашим расчётам вам требуется 100 А·ч, вам необходимо приобрести свинцово-кислотную батарею ёмкостью 200 А·ч. Для литиевых батарей следует приобрести батарею ёмкостью 125 А·ч. Одно только это корректирующее действие может удвоить или уменьшить вдвое объём вашего заказа на батареи.

Степень разряда (DoD) также влияет на срок службы аккумулятора. Свинцово-кислотный аккумулятор, разряжаемый до 50 % DoD, выдерживает от 500 до 800 циклов. Тот же аккумулятор, разряжаемый до 80 % DoD, выдерживает лишь 200 циклов. Для применений, предполагающих ежедневные циклы заряда-разряда, таких как солнечные батареи, литиевые аккумуляторы являются явным лидером.

2. Потери в инверторе и при преобразовании

Инвертор, преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный ток для питания нагрузки, не обладает 100-процентным КПД. Типичные инверторы ИБП работают с КПД от 92 до 96 процентов. Рассчитанную ёмкость необходимо разделить на коэффициент КПД. Если вам требуется 100 А·ч номинальной ёмкости, а КПД вашего инвертора составляет 94 %, приобретите аккумулятор с общей ёмкостью 106,4 А·ч.

Некоторые системы также оснащены преобразователем постоянного тока в постоянный. Это приводит к дополнительным потерям в размере от 2 до 5 процентов. Контроллеры заряда в солнечных системах теряют от 3 до 8 процентов. Сложите все эти потери, прежде чем окончательно определиться с размером аккумуляторной батареи.

3. Закон Пейкерта

Емкость аккумулятора зависит от скорости разряда. Аккумулятор емкостью 100 А·ч обеспечивает 100 А·ч только при 20-часовой скорости разряда. При 1-часовой скорости разряда тот же аккумулятор может обеспечить лишь 60 А·ч. Быстрый разряд снижает полезную емкость. Для систем ИБП с высокими токами разряда следует применять поправочный коэффициент Пейкерта от 1,1 до 1,3.

Закон Пейкерта имеет особое значение для промышленных ИБП. Нагрузка мощностью 10 кВт в системе с напряжением 48 В потребляет ток 208 А. Это соответствует коэффициенту разряда 2C для аккумулятора емкостью 100 А·ч. При коэффициенте разряда 2C полезная емкость снижается до 70–80 процентов. При такой нагрузке ваша батарея емкостью 100 А·ч ведет себя как батарея емкостью 75 А·ч.

4. Понижение номинальных параметров при повышении температуры

Емкость аккумулятора снижается по мере понижения температуры. При температуре 0 градусов по Цельсию свинцово-кислотный аккумулятор теряет от 20 до 30 процентов емкости. При минус 20 градусах по Цельсию он теряет 50 процентов. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4) демонстрирует лучшие характеристики в холодных условиях, но его мощность все равно снижается. Всегда подбирайте аккумулятор с учетом самой низкой ожидаемой рабочей температуры.

Высокие температуры также наносят ущерб аккумуляторам. При температуре выше 35 градусов по Цельсию срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов сокращается вдвое с каждым повышением температуры на 8 градусов. Литиевые аккумуляторы изнашиваются быстрее при температуре выше 45 градусов. По возможности устанавливайте аккумуляторы в помещениях с климат-контролем.

5. Коэффициент окончания срока службы

Аккумуляторы не выходят из строя внезапно. Их емкость постепенно снижается. Литиевая батарея в конце срока службы сохраняет от 70 до 80 процентов первоначальной ёмкости. Если в первый день вашей системе требуется 100 А·ч, то к 8-му году ей потребуется 125 А·ч. Выбирайте ёмкость с учётом показателей на конец срока службы, а не на первый день. Это продлевает срок службы системы и позволяет избежать замены в середине цикла.

Ⅳ. Пошаговый алгоритм расчета мощности промышленных ИБП

1. Определите нагрузку в кВт

Перечислите все устройства, которые будет защищать ИБП. Сложите их мощность в ваттах. Пересчитайте в киловатты. Пример: 5 серверов по 400 Вт каждый плюс 2 коммутатора по 150 Вт каждый — итого 2 300 Вт. Это 2,3 кВт. Добавьте 20 процентов на будущее расширение. Пересчитанная нагрузка составляет 2,76 кВт.

2. Определить необходимую среду выполнения

Как долго ИБП должен поддерживать нагрузку? Для центров обработки данных достаточно 10–15 минут, чтобы запустить генератор. Для телекоммуникационных станций обычно требуется 4–8 часов. Для автономных солнечных систем может потребоваться 24–48 часов. На производственных предприятиях 30 минут–2 часа позволяют обеспечить упорядоченное отключение оборудования.

3. Рассчитать потребление первичной энергии в кВт·ч

Умножьте нагрузку в кВт на время работы в часах. Пример: 2,76 кВт, умноженные на 0,5 часа, равны 1,38 кВт·ч при времени работы 30 минут. При 4 часах резервного питания телекоммуникационного оборудования с мощностью 2 кВт общее потребление энергии составляет 8 кВт·ч.

4. Применить поправки на эффективность и глубину проникновения

Поделить на КПД инвертора. Поделить на предельное значение глубины разряда (DoD). Пример: 1,38 кВт·ч, поделенное на 0,94, равно 1,468 кВт·ч. Затем поделить на 0,8 (DoD) — получается 1,835 кВт·ч брутто. Для примера с телекоммуникационным оборудованием мощностью 8 кВт·ч при КПД 92 % и глубине разряда (DoD) 50 % брутто-объём равен 17,39 кВт·ч.

5. Пересчитать в мА·ч при системном напряжении

Воспользуйтесь формулой. Пример: 1,835 кВт·ч при напряжении 48 В соответствует 38 229 мА·ч. Это составляет 38,2 А·ч. Округлите значение до ближайшего стандартного номинала аккумулятора. Для примера из сферы телекоммуникаций при напряжении 48 В 17,39 кВт·ч соответствует 362 292 мА·ч или 362 А·ч.

6. Выберите конфигурацию аккумулятора

Выберите последовательное или параллельное соединение. Четыре аккумулятора на 12 В и 100 А·ч, соединенные последовательно, дают 48 В и 100 А·ч. Четыре цепочки, соединенные параллельно, дают 48 В и 400 А·ч. Убедитесь, что все аккумуляторы в цепочке идентичны: одной марки, одной модели и одного возраста. Несоответствие аккумуляторов приводит к дисбалансу и преждевременному выходу из строя.

Ⅴ. Сравнение типов аккумуляторов для систем резервного питания

1. Свинцово-кислотные аккумуляторы типа VRLA

Аккумуляторы VRLA дешевле при первоначальной покупке. Их срок службы составляет от 3 до 5 лет. Они выдерживают глубину разряда (DoD) до 50 %. Они тяжелые. Им требуется вентиляция. Они хорошо работают в помещениях с контролируемой температурой. Для системы мощностью 10 кВт·ч при напряжении 48 В требуется емкость VRLA-аккумуляторов около 417 А·ч. Они подлежат вторичной переработке и широко доступны. Являются стандартным выбором для проектов с ограниченным бюджетом.

2. Литий-ионный аккумулятор LiFePO4

Аккумуляторы LiFePO4 стоят дороже при первоначальной покупке. Их срок службы составляет от 8 до 15 лет. Они выдерживают глубину разряда (DoD) от 80 до 90 процентов. Они на 50–70 процентов легче. Заряжаются быстрее. Не требуют вентиляции. Для той же системы мощностью 10 кВт·ч при напряжении 48 В требуется всего 260 А·ч емкости LiFePO4. За 10 лет совокупная стоимость владения оказывается ниже. Кроме того, они поддерживают более высокие скорости разряда без потери производительности по эффекту Пейкерта.

3. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы

Эти типы аккумуляторов редко встречаются в современных системах ИБП. Никель-кадмиевые аккумуляторы выдерживают экстремальные температуры. Они токсичны и подпадают под строгий контроль. Никель-металлогидридные аккумуляторы демонстрируют средние эксплуатационные характеристики. В основном они используются в небольших бытовых устройствах. В промышленных системах ИБП сегодня выбирают между аккумуляторами VRLA и LiFePO4.

4. Натрий-ионные батареи и новые химические составы

Натриево-ионные аккумуляторы становятся недорогой альтернативой. В их производстве используется широко доступное сырье. Они безопаснее литиевых аккумуляторов. Они устойчивы к широкому диапазону температур. Энергетическая плотность у них ниже. Они подходят для стационарных систем хранения энергии, где вес не имеет значения. Компания BKPOWER отслеживает развитие этих технологий с целью их будущей интеграции.

Ⅵ. Сценарии применения и практические примеры

1. Модуль ИБП для центра обработки данных

Для стойки мощностью 20 кВт требуется 15 минут автономной работы. Общее потребление энергии составляет 20 кВт, умноженное на 0,25 часа, что равно 5 кВт·ч. При КПД инвертора 94 % и глубине разряда (DoD) 80 % полезная энергия составляет 6,65 кВт·ч. При напряжении 48 В это соответствует 138 542 мА·ч или 138,5 А·ч. Модульный аккумуляторный блок LiFePO4 с модулями емкостью 150 А·ч идеально подходит для этой задачи. Модульные системы ИБП BKPOWER поддерживают модули аккумуляторов с возможностью «горячей» замены. Вы можете увеличить мощность без простоев.

2. Домашние системы аккумулирования солнечной энергии

Домашняя солнечная система аккумулирует 10 кВт·ч в день. При напряжении 48 В номинальная ёмкость составляет 208 333 мА·ч. При глубине разряда (DoD) 90 % для аккумуляторов LiFePO4 общая ёмкость равна 231 481 мА·ч. Четыре аккумулятора ёмкостью 60 А·ч, соединенные параллельно, обеспечивают ёмкость 240 А·ч. Это с запасом покрывает суточное потребление. Солнечные инверторы BKPOWER интегрируются с батареями LiFePO4 для бесперебойного управления зарядкой и разрядкой.

3. Телекоммуникационная станция

В удаленном телекоммуникационном пункте работает радиооборудование мощностью 2 кВт. Требуется 8 часов автономной работы. Объем потребляемой энергии составляет 16 кВт·ч. При КПД 92 % и глубине разряда (DoD) 50 % для аккумуляторов VRLA общий объем энергии равен 34,8 кВт·ч. При напряжении 48 В это соответствует 725 000 мА·ч. Требуется батарейный блок VRLA емкостью 750 А·ч или блок LiFePO4 емкостью 450 А·ч. Компания BKPOWER предлагает системы бесперебойного питания (ИБП) с широким диапазоном рабочих температур для телекоммуникационных станций. Они работают в диапазоне от минус 20 до 55 градусов по Цельсию.

4. Резервное копирование данных при производстве с ЧПУ

Станок с ЧПУ потребляет 5 кВт. На его упорядоченное выключение требуется 30 минут. Потребляемая энергия составляет 2,5 кВт·ч. При КПД 95 % и глубине разряда (DoD) 80 % общая энергия составляет 3,29 кВт·ч. При напряжении 24 В это соответствует 137 083 мА·ч. Достаточно батарейного блока LiFePO4 емкостью 150 А·ч при напряжении 24 В. Промышленные системы бесперебойного питания BKPOWER мощностью от 10 до 200 кВА обеспечить питание этих нагрузок с выходным сигналом в виде чистой синусоиды.

5. Морская и офшорная отрасль

Рыболовному судну требуется 5 кВт·ч резервного питания для навигации и связи. При напряжении 24 В номинальная ёмкость составляет 208 333 мА·ч. При глубине разряда (DoD) 80 % полная ёмкость равна 260 417 мА·ч. Две батареи LiFePO4 емкостью 150 А·ч, соединенные параллельно, обеспечивают емкость 300 А·ч. Этого достаточно для 6 часов работы при средней нагрузке 800 Вт. Системы бесперебойного питания BKPOWER морского класса устойчивы к воздействию солевого тумана и вибрации.

Ⅶ. Распространенные ошибки, которых следует избегать

1. Игнорирование напряжения

Самая распространенная ошибка — не учитывать напряжение. 10 000 мА·ч при напряжении 3,7 В — это всего 37 Вт·ч. 10 000 мА·ч при напряжении 12 В — это 120 Вт·ч. Одно и то же значение в мА·ч означает совершенно разный объем энергии при разных напряжениях. Всегда учитывайте напряжение в своих расчётах. Покупатель, увидевший 50 000 мА·ч и предположивший высокую ёмкость, не проверив напряжение, будет разочарован.

2. Использование номинального напряжения для всей кривой разряда

Номинальное напряжение свинцово-кислотного аккумулятора 12 В составляет от 12,8 В до 10,5 В. Среднее значение составляет около 12 В. Использование значения 12,8 В для всех расчётов приводит к завышению ёмкости. Использование значения 10,5 В — к её занижению. Следует использовать номинальное напряжение, указанное в техническом паспорте. Для литиевых аккумуляторов номинальное напряжение обычно составляет 3,2 В на элемент для LiFePO₄ и 3,7 В для NMC.

3. Пренебрежение запасом прочности

Никогда не рассчитывайте емкость на 100 процентов от расчетной. Добавьте запас в 10–20 процентов с учетом старения аккумулятора, влияния температуры и непредвиденных скачков нагрузки. Аккумулятор, заряженный на 90 процентов в первый день, через три года циклов заряда-разряда будет заряжен на 70 процентов. Запас прочности обеспечит вам время и надежность.

4. Сочетание последовательных и параллельных схем

При последовательном соединении аккумуляторов напряжение суммируется. При параллельном соединении — емкость. Четыре аккумулятора 12 В 100 А·ч, соединенные последовательно, дают 48 В 100 А·ч. Четыре аккумулятора, соединенные параллельно, дают 12 В 400 А·ч. Смешивание этих схем приведет к сбоям в расчетах. Перед заказом нарисуйте схему конфигурации. Во время установки четко обозначьте каждую цепочку.

5. Несоблюдение требований к совместимости с системой управления батареей (BMS)

Литиевые аккумуляторы требуют наличия системы управления аккумулятором (BMS). Система BMS обеспечивает балансировку элементов, защищает от перезаряда и чрезмерной разрядки, а также контролирует температуру. Убедитесь, что ваша система BMS соответствует химическому составу и напряжению вашей батареи. Несоответствующая система BMS может вывести из строя блок литиевых аккумуляторов за считанные недели.

Ⅷ. Решения «прямо с завода» от BKPOWER

Компания BKPOWER занимается разработкой и производством систем бесперебойного питания (ИБП) и решений по резервному питанию от аккумуляторов. Наши инженеры ежедневно выполняют пересчет кВт·ч в мА·ч. Мы поставляем аккумуляторные батареи, изготовленные по индивидуальному заказу, для центров обработки данных, телекоммуникаций, солнечной энергетики и промышленной автоматизации. Наши аккумуляторные модули LiFePO4 интегрируются с нашей серией ИБП с двойным преобразованием в режиме онлайн. Мы предлагаем продукцию, сертифицированную по стандартам CE, ISO 9001 и IEC 62040.

Наша модель прямых продаж с завода позволяет исключить наценку дистрибьюторов. Вы получаете индивидуальные настройки напряжения, емкости и прошивки. Вы получаете полную прослеживаемость сертификации. Вы получаете прямой доступ к нашей команде по исследованиям и разработкам. Связаться с BKPOWER для бесплатной консультации по подбору мощности. Мы анализируем профиль вашей нагрузки, требования к времени автономной работы и условия эксплуатации. Мы с первого раза поставляем систему резервного питания, идеально подходящую для ваших нужд.

Источники информации

1. Международная электротехническая комиссия (МЭК) Официальный веб-сайт: www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL) Официальный веб-сайт: www.ul.com
3. Европейский комитет по стандартизации (CEN) Официальный веб-сайт: www.cen.eu
4. Управление по стандартизации Китая (SAC) Официальный веб-сайт: www.sac.gov.cn
5. Альянс технологий энергохранилищной промышленности Чжунгуаньцунь (CNESA) Официальный веб-сайт: www.cnESA.org
6. Международная организация по стандартизации (ISO) Официальный веб-сайт: www.iso.org

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ