産業用バックアップの多くに、何時間もの運転は求められません。小型の無停電電源装置、PLCや計量器のバックアップ、ネットワークのエッジノード、フィールド計器に通常必要なのは、異常を乗り切ることだけです。電圧低下や短い停電の間、バスを維持し、秩序あるシャットダウンとデータ保存のためにコントローラを保持し、あるいは発電機が立ち上がるまでの隙間を埋める。この乗り切り（ride-through）デューティには、独自の規格 IEC 62040-3 と、独自の電気的性格があります。小型UPSと計測器バックアップに関する3部作の第1弾である本稿Aでは、そのデューティと規格のトポロジー区分を解剖し、ハイレートのニッケル水素パックが、コンパクトで広温度域のつなぎ電源として有力な選択肢となる理由を説明します。
警備盤や火災盤は、低電流の何時間という単位で自律性を測ります。小型UPSは、かなりの電流を数秒から数分間という単位で測ります。アニメーションの軌跡は特徴的な形状を示します。通常運転では安定化された商用電源が負荷に給電し、電圧低下・低下・完全停電といった異常が検出されて切り替わり、その後、電池によるつなぎ帯が続きます。その間、インバータまたはDCバスが、電源が復帰するか、発電機が起動するか、管理されたシャットダウンが完了するまで計器を支えます。電池の一生は、完全に準備の整った長い待機であり、比較的高出力の短い事象によって区切られます。
このプロファイルは、セルに対する要件を変えます。容量よりも、何カ月・何年もの完全準備の後、多くの場合は高温または低温の制御盤内で、安定したバスに持続的な適度の電流を繰り返し供給できることが重要です。ピークおよび連続レート能力、低い内部抵抗、フロート状態での耐性が、純粋なエネルギー密度よりも前面に出ます。これはNiMHが特に得意とする軸です。
IEC 62040-3（ヨーロッパではEN 62040-3として採用）は、UPSの性能を精密な語彙で分類します。最初の文字は、通常運転時に出力が入力電源に依存する度合いを表します。VFD（Voltage and Frequency Dependent、電圧・周波数依存）は、オフラインまたはパッシブ待機トポロジーです。負荷は商用電源から直接動作し、電源が故障したときだけインバータに切り替わるため、出力は通常、商用電源の電圧と周波数に追従し、停電時には短い切り替え（通常は数ミリ秒）が生じます。VI（Voltage Independent、電圧非依存）は、ラインインタラクティブ・トポロジーであり、周波数は商用電源に追従したまま、自動電圧調整器によって電圧を安定化します。VFI（Voltage and Frequency Independent、電圧・周波数非依存）は、ダブルコンバージョンのオンライン・トポロジーであり、DCバスから出力を継続的に再生成するため、入力電圧と周波数の両方から独立し、切り替えの途切れはゼロです。
完全な分類は、環境クラスと性能クラスを追加した3文字のコードです。一方、IEC 62040-1は安全を扱い、IEC 62040-5はDC UPSを扱います。これはACインバータなしで、DC給電の計器、PLC、ネットワーク機器を直接バックアップする、ますます一般的なトポロジーです。クラスを選ぶことは、つなぎがどれほどクリーンで途切れないものであるべきかを選ぶことであり、それが電池の切り替えとレートの要件を定めます。
2つの設計意図が、自律性の目標を定めます。停止までのつなぎは、保護される負荷の管理された終了のために電池を寸法設計します。PLCの保持データの保存、アクチュエータの退避、ログの書き込み、クリーンな停止であり、多くの計器やエッジ機器では数十秒から10分の話です。発電機までのつなぎは、予備発電機の起動・安定化時間（通常は数十秒）に加え、最初の起動失敗と再試行の余裕を見込みます。再生可能エネルギーまでのつなぎや、マイクログリッドの障害を通すつなぎは、より多くを必要とする場合があります。
アニメーションのグラフは、固定の24V NiMHパックを、計器負荷ごとの乗り切り分数に変換します。これは例示モデルですが、逆の関係は正確です。保護する負荷を2倍にすると、つなぎ時間は半分になります。コンタクタや再起動する計器のピーク電流を含め、負荷を現実的に指定することが、つなぎを完了するUPSと、シャットダウン・シーケンスの途中で崩れるUPSを分ける点です。
オフラインのVFD UPSでは、リレーがインバータに切り替える間、負荷は短い途切れを見ます。ラインインタラクティブのVI構成では、途切れは同様ですが、AVRが既に範囲内の電圧低下を処理しています。オンラインのVFIユニットは、インバータが常に負荷に給電しているため、途切れがまったくありません。どのトポロジーでも、電池は瞬時に負荷を受け入れ、保護機器の許容範囲内にバスを維持しなければなりません。内部抵抗の高いセル列は、ステップ負荷の下で沈み込み、本来保護すべきコントローラを再起動させてしまう可能性があります。これはソフトウェア障害のように見えかねない故障モードです。
マッチングされた低抵抗のNiMHセルは、セル当たり1.2Vの平坦なプラトーを持つ硬いDC電源を提供します。そのためバスは充電器から電池へクリーンに移行し、インバータまたはDC-DC段は、つなぎの間、安定した入力を見ます。VFD構成では、控えめな保持コンデンサがサブサイクルの切り替えをカバーし、その後、NiMH列が長いつなぎを支えます。
小型UPSや計器バックアップは、保護される電子機器と同じ場所に置かれます。密閉された制御盤、屋外キオスク、工場の筐体、道端や屋上の装置であり、周囲温度は快適なオフィスの範囲をはるかに超えて変動します。20℃だけで容量定格を持つバックアップ電源は、冬の夜にはより少なく供給し、夏の盤内では早期に劣化します。水系のNiMHは広い動作範囲を許容し、広温度の工業グレードでは、鉛蓄電池を大きく弱める寒冷下でも有用な供給を維持します。ただし、約45℃を超える持続的な充電はガス発生と乾燥を促すため、温度を意識した充電が必要です。
停電は繰り返されもします。電源事情の悪い場所では、UPSは年に何十回もサイクル動作する可能性があります。各事象は放電とその後の充電であり、電池はその数百サイクルを通じてつなぎ能力を保持しなければなりません。IEC 61951-2の少なくとも500サイクルという参照耐性が、その期待を枠組みます。寿命末期の余裕を持って選ばれたパックは、後期になっても定格のつなぎを完了します。
候補となる化学種を乗り切りデューティに対して比較すると、明確な位置が浮かび上がります。密閉型鉛蓄電池は安価でなじみがありますが、重く、寒冷に弱く、繰り返される浅いサイクルと長いフロートでサルフェーションを起こし、ハイレートを供給するために体積を必要とします。リチウムはエネルギー密度が高いものの、そのエネルギー上の利点をめったに活かせない短時間・ハイレート・広温度のタスクに、保護とバランスの電子回路、輸送上の重量を追加します。スーパーキャパシタは、ほぼ無限のサイクル寿命と瞬時のレートを提供しますが、エネルギーは数秒分に過ぎず、自己放電が急です。ニッケル水素は有用な中間を占めます。ハイレートで低インピーダンスの供給、平坦なプラトー、良好な寒冷性能、本質的な水系の安全性、カドミウムフリー、最も単純な航空貨物分類です。
本稿Bでは、これを寸法設計と化学種選択の方法に変えます。本稿Cでは、IEC 62040とセルレベルの証拠の道筋をたどります。
Weijiang Powerは、小型UPS、DC UPS、計器/PLCの乗り切り向けに、ハイレートのNiMHセルと溶接パックを製造しています。数秒から数分のつなぎ向けのAA・sub-C・C列、クリーンな切り替えと安定したDCバスのためのマッチングされた低インピーダンスのセル、密閉盤向けの広温度グレード、そしてIEC 61951-2、IEC 62133-1、UN 38.3の書類を提供します。保護する負荷、目標とするつなぎ時間、トポロジー（VFD/VI/VFIまたはDC UPS）、盤内環境をお知らせいただければ、硬く再現性のあるつなぎパックを寸法設計します。
