Samozahřívací lithium-iontové baterie pro solární pouliční osvětlení v chladném podnebí

Proč je chladné podnebí pro baterie typu LiFePO4 tak náročné?

Baterie typu LiFePO4 dobře snášejí vysoké teploty a částečné nabití, avšak chladné podnebí je jejich slabým bodem. Při teplotách pod bodem mrazu prudce klesá jejich výkon a při extrémně nízkých teplotách mohou baterie úplně přestat poskytovat potřebný proud. Pro pouliční osvětlení, které musí fungovat od soumraku do úsvitu na základě uložené energie, to znamená, že osvětlení může zcela vypadnout. Samozahřívací systém slouží právě k tomu, aby články baterie zůstaly v optimálním provozním rozsahu a mohly i nadále plnit svou funkci.

Jak je tento systém konstruován?

Sestava topného zařízení obaluje hotový balíček – články již svařené v sérii i paralelu – do tří vrstev a dvou sond:

Topná fólie. Zdroj tepla, pevně omotaný kolem vnější strany balíčku. Obvykle se jedná o prvek z polyimidu nebo silikonové gumy: poskytuje rovnoměrný výkon tepla, je odolný vůči korozi a dostatečně pružný, aby se přizpůsobil tvaru balíčku. Průtok elektrického proudu skrze fólii přeměňuje elektrickou energii na teplo a rovnoměrně zvyšuje teplotu balíčku.

Isolační fólie. Vnější vrstva, která omezuje únik tepla do okolního prostředí a udržuje vygenerované teplo uvnitř balíčku; právě díky tomu je topné zařízení dostatečně účinné na to, aby fungovalo pouze z energie baterie.

Dvouzónové teplotní sondy. Jedna sonda se nachází na vnější straně izolační fólie a měří okolní teplotu. Když okolní teplota dosáhne předem nastaveného prahu aktivace, signalizuje to řídicímu systému baterie (BMS), aby začalo topení. Druhá sonda měří teplotu povrchu článků uvnitř balíčku a posílá aktuální data zpět do řídicího čipu.

Řídicí proces, krok za krokem

Celý proces je řízen řídicím čipem, který je obvykle součástí systému pro správu baterie (BMS – Battery Management System).

1. Probuzení: Vnější senzor neustále sleduje okolní teplotu. Při dosažení předem nastavené aktivační teploty čip rozhodne, že baterie je v ohrožení, a spustí program ohřevu.
2. Ohřev: Film na povrchu baterie aktivuje a přenáší teplo do jednotlivých článků pomocí tepelně vodivého lepidla nebo přímého kontaktu. Tato energie pochází přímo z samotné baterie.

3 Sledování: Vnitřní senzor měří teplotu jednotlivých článků v určitém frekvenci a informace jsou odeslány do řídicího systému (BMS), který poté ohřev přizpůsobuje v reálném čase. 4 Vypnutí: Jakmile teplota článků dosáhne předem nastavené bezpečné hodnoty, čip přeruší přívod energie k filmu. Tím se zabrání poškození baterie v důsledku přehřátí a zamezí plýtvání energií. 5 Cyklická údržba: Pokud okolní teplota zůstává nízká, teplota baterie opět klesne; jakmile překročí určitou hranici, proces ohřevu se znovu aktivuje. Baterie je udržována v optimálním provozním rozmezí po dobu, po kterou trvá chladné prostředí.

Kompromisy v designu, o kterých v žádné brožuře není řeč…

Hysteresis: Rozdíl teplot mezi okamžikem vypnutí a znovu zapnutí topení zabraňuje tomu, aby topení neustále zapínalo a vypínalo se. Bez tohoto efektu by relé neustále opakovalo své cykly a řídicí logika by nedovolila systému dosáhnout stabilního stavu.

Energetický rozpočet: Topení spotřebovává energii – a to ve velkém množství. Návrh systému musí nastolit rovnováhu mezi rychlostí topení a jeho trvanlivostí, aby i během po sobě jdoucích oblačných nebo deštivých dní, kdy panel nedokáže doplnit spotřebu energie topení, zbývající kapacita stále byla dostatečná pro zajištění základního osvětlení. V naší továrně se výpočet autonomie systému vychází z nároku topení, nikoli z nároku osvětlení.

Bezpečnostní zabezpečení: Dva typy bezpečnostních prvků jsou v našich systémech nezbytné:

1. Ochrana proti přehřátí: Jde o sekundární, nezávislý systém, který automaticky vypne topení v případě selhání samotného čipu a prudkého nárůstu teploty.
2. Zákaz topení při nízkém napětí: Tento mechanismus zabrání topení, když je kapacita baterie kriticky nízká, čímž systém využije své poslední zbytky energie na osvětlení a vyhne se tak hlubokému vybití baterie. Pořadí priorit je záměrné – nejprve osvětlení, poté topení.

Strukturální detaily: Mezi fólií a články baterie jsou umístěny tepelně vodivé silikonové podložky, které rovnoměrně rozdělují teplo a zabraňují vzniku místních „horkých bodů“. Izolační vrstva musí nastolit rovnováhu mezi udržováním tepla a vodotěsností – protože vlhkost, která se jí prodráží, může způsobit zkrat.

Co to znamená v praxi: – Diagnostika: Pokud světlo v chladném počasí nesvítí, nejprve zkontrolujte tyto dvě nejpravděpodobnější příčiny: poškozený teplotní senzor nebo zkrat v topném systému. Právě z tohoto důvodu máme tyto dva díly topného systému skladem v našem programu náhradních dílů. – Konfigurace kapacity: Velikost balení baterie pro chladné podmínky je určena na základě místní minimální teploty a počtu po sobě jdoucích oblačných dní; následně je kapacita baterie přizpůsobena jejímu výkonu. Údaje o výkonu z obecných datových listů však neodrážejí skutečné vlastnosti baterie v reálných zimních podmínkách. – Životnost: Cílem všech těchto opatření je chránit články baterie před dlouhodobým vystavením extrémním teplotám. Za optimálních podmínek mohou baterie typu LiFePO4 vydržet více než 3 000 cyklů nabíjení a vybavení pro správu tepla je klíčovým faktorem pro jejich dlouhodobou životnost.

Kdy specifikujeme funkci samonahřívání a kdy ne

Funkce samonahřívání není standardním doplňkem solárních systémů. Specifikujeme ji pouze tehdy, když se splňují dvě podmínky: dlouhodobé teploty pod bodem mrazu a dostatečně dlouhé období mlhy, během kterých panel nedokáže doplnit energii spotřebovanou topením. Oblasti s chladným kontinentálním klimatem a vysokými zeměpisnými šířkami splňují obě tyto podmínky. Regiony s mírným zimním klimatem jevem však ani jednu z těchto podmínek nesplňují; v takových případech je použití topení nákladné a komplikované, a není žádná ekonomická výhoda z jeho použití. Tuto skutečnost uvádíme přímo v cenové kalkulaci, místo abychom zvyšovali celkovou cenu produktu. Základy výběru baterií pro solární osvětlovací systémy naleznete na stránce batteries for solar lighting systems. Pro výpočet potřebné velikosti baterií používáme náš kalkulačku na výběr řadičů, která zohledňuje i nároky topení na energii.

Co tato stránka nezahrnuje

Tato stránka se věnuje samonahřívacím systémům určeným k použití v samostatných solárních pouličních lampách. Nezahrnuje však standardy testování článků baterií při nízkých teplotách, návrhy topidel určených k použití s napájením ze střídavého proudu nebo připojených k elektrické síti, ani další typy lithiových baterií než LiFePO4. Kompletní solární pouliční lampy vhodné pro chladné klimatické podmínky, jejichž topné systémy a řadiče jsou předem sladěny ve výrobě, naleznete v naší řadě all-in-one solar street lights.