Självvärmande litiumbatterier för solgaser i kalla klimatförhållanden

Varför kallt klimat utgör ett stort problem för LiFePO4-batterier?

Litiumjärnfosfat (LiFePO4) hanterar värme och delmänt laddning bra, men kallt klimat är deras svaga sida. När temperaturen sjunker under nollgraden minskar den användbara laddningskapaciteten kraftigt, och vid mycket låga temperaturer kan batteripacken helt enkelt inte leverera någon ström. För en solgaser som måste vara i drift från skymning till gryning på lagrad energi betyder detta att lampan släcks. Självvärmandesystemet finns för att hålla battericellerna inom det fungeringsområde där de fortfarande kan utföra sin funktion.

Hur hårdvaran är konstruerad?

Värmeelementet omger den färdiga batteripaketen – cellerna är redan svetsade i serie och parallell – i tre lager och två sonder:

Värmefilm. Källan till värmen, som täts ordentligt omkring paketets yta. Det består vanligtvis av polyimid eller silikongummi: ger jämn värmeutstråling, är korrosionsresistent och anpassar sig till paketets form. Ström som passerar genom filmen omvandlar elektrisk energi till värme och höjer temperaturen i paketet jämnt.

Isolationsfilm. Det yttre lagret. Det minskar värmeförlusten till omgivningen och håller den genererade värmen inom paketet – det är därför värmeelementet är tillräckligt effektivt för att fungera med batterieenergi.

Dvå temperatursonder. En sond sitter på ytan av isolationslagret och mäter omgivningstemperaturen. När omgivningstemperaturen når det förinställda aktiveringsgränsen signalerar den BMS:et att börja värma. Den andra sonden mäter cellernas yttemperatur och skickar realtidsdata till styrenhetens chip.

Styreningsprocess, steg för steg

Hela processen styrs av en styrenhet, som vanligtvis ingår i batteriadministreringssystemet (BMS).

1. Vaknning: Den yttre sonden övervakar ständigt omgivningen. Vid det förinställda aktiveringstemperaturnivån avgör chipen att paketet är i fara och startar värmeprogrammet.
2. Värmning: Filmen aktiveras och överför värme till cellerna via termiskt ledande lim eller direktt kontakt. Denna energi kommer från paketet självt.
3. Övervakning: Den inre sonden mäter celltemperaturen med hög frekvens och rapporterar till BMS (Battery Management System), som justerar värmen i realtid.
4. Stängning av värme: När celltemperaturen når det förinställda säkerhetsnivån stänger chipen av strömmen till filmen. Detta förhindrar översvämningsskador och stoppar energiförluster.
5. Cyklisk underhåll: Om omgivningen fortfarande är kall, sjunker pakettemperaturen igen; när temperaturen når återstartgränsen aktiveras värmen på nytt. Paketet hålls inom sin funktionella temperaturband så länge kylan varar.

De designval som ingen nämner i broschyrerna

Hysteresis: En temperaturskillnad mellan stängning og omstart förhindrar att värmetægget startar och stänger uppe upprepade gånger. Utan denna skillnad skulle relén cykla ständigt, og kontrolllogiken skulle aldrig låta systemet stabilisera sig.

Energibudget: Värmning förbrukar energi – punkt. Designen måste balansera värmhastighet mot hållbarhet, så att även under flera molniga eller regniga dagar (där panelen inte kan återfylla den energi som värmetægget förbrukar) fortfarande finns tillräcklig energi för grundläggande belysning. I vår fabrik beräknas autonomin för ett värmd system utifrån värmeförbrukningen, inte från belysningsförbrukningen.

Säkerhetsfunktioner: Två säkerhetsfunktioner är obligatoriska i våra produkter:

1. Övertemperaturskydd: Ett sekundärt, oberoende system som avbryter värmetægget om chipen själv felar och temperaturen stiger för högt.
2. Lågspänningsförbud: Värmningen avbryts när batteriets spänning är alldeles för låg, så att systemet använder sina sista elektroner för belysning istället för värme – för att undvika allvarlig nedladdning av batteriet. Prioriteten är tydlig: belysning först, värmning senast.

Strukturella detaljer: Värmeledande silikonpads placeras mellan värmeisolerande film och battericeller för att jämnt fördela värmen och förhindra lokala varmepunkter. Isolationslagret måste balansera mellan värmebehållning och vattentätthet – eftersom fukt som slippar igenom kan orsaka kortslutningar.

Vad detta betyder inom branschen:

• Diagnos: När en lampe inte lyser i kallt väder bör man först kontrollera de två viktigaste komponenterna i värmetekniken: en defekt temperatursensor eller ett öppet kretslopp i värmefilmen. I vårt reservprogram har vi just dessa två delar på lager av denna anledning.
• Kapacitetskonfiguration: Storleken på batteripaketen för kalla områden beräknas utifrån den lokala minimaltemperaturn samt antalet påvarande molniga dagar, och kapaciteten anpassas därefter till värmeffekten. En generisk datablad med angivna wattvärden räcker inte för en verklig vinter.
• Livslängd: Syftet med all denna konstruktion är att skydda battericellerna från långvariga extrema temperaturer. Under optimala förhållanden kan LiFePO4-batterier uppnå över 3 000 cykler, och det är just värmehanteringen som säkerställer denna långa livslängd.

När vi valer självvärmande system – och när vi inte gör det

Självvärmande är inte en standardfunktion som inkluderas i produkterna. Vi valer denna funktion när två villkor uppfylls: långa perioder med temperaturer under nulgraden, samt rejäl skymning som gör att panelen inte kan återfylla den energi som värmekomponenten förbrukar. Kalla kontinentala områden och höga breddgrader uppfyller båda villkoren. Regioner med milda vinteruppgifter uppfyller inget av dessa villkor, och där är användningen av en värmekomponent både kostsamt och komplicerat – därför anges detta tydligt i offerterna, istället för att bara höja kostnaderna. För grundläggande information om batterival för solbelysningssystem, se Batterier för solbelysningssystem. För beräkningar av behovet av batterier, använder vi vår Beräkningsverktyg för batteristorlek, som inkluderar även värmelasten i beräkningarna.

Vad denna sida inte täcker

Denna sida handlar om självvärmande system för fristående solgatelampor. Den täcker inte teststandarder för celler vid låga temperaturer, designer för värmekomponenter som används i system kopplade till elnät, eller andra litiumbatterietyper än LiFePO4. Kompletta solgatelampor anpassade till kalla klimatförhållanden, med värmepaket och kontrollen som är föregjordt tillverkat i fabriken, finns i vår serie All-in-one solgatelampor.