Bateri Litium Pemanas Sendiri untuk Lampu Jalan Solar di Iklim Sejuk

Mengapa iklim sejuk menjadi masalah besar bagi bateri LiFePO4?

Bateri litium besi fosfat (LiFePO4) mampu menangani suhu panas dan keadaan bateri yang sebahagiannya terisi, tetapi suhu sejuk merupakan kelemahannya. Pada suhu di bawah titik beku, kapasiti pengeluaran arus bateri menurun dengan drastik, dan pada suhu yang sangat rendah, bateri mungkin tidak mampu menghasilkan arus yang berguna sama sekali. Bagi lampu jalan yang perlu beroperasi dari senja hingga subuh menggunakan tenaga yang disimpan, ini bukan sekadar penurunan kualiti bateri; ini bermakna lampu tersebut tidak akan berfungsi. Sistem pemanas sendiri wujud untuk memastikan sel-sel bateri kekal dalam keadaan yang sesuai agar dapat terus berfungsi dengan baik.

Cara pembinaan perangkat keras (hardware) tersebut

Pembungkus pemanas melingkari bungkusan yang telah siap – sel-sel yang telah disambungkan secara berderet dan selari – dalam tiga lapisan dan dua probe:

Filem pemanas. Sumber haba ini dililit dengan ketat di sekeliling bahagian luar bungkusan. Ia biasanya terbuat daripada bahan polimerimida atau getah silikon: menghasilkan haba yang seragam, tahan karat, dan cukup fleksibel untuk menyesuaikan dengan bentuk bungkusan. Arus yang mengalir melalui filem ini mengubah tenaga elektrik menjadi haba, sehingga suhu bungkusan meningkat secara merata.

Filem penutup. Lapisan luar ini mengurangkan kehilangan haba ke persekitaran dan menahan haba yang dihasilkan di dalam bungkusan, yang menjadikan pemanas ini cukup efisien untuk beroperasi menggunakan tenaga bateri.

Dua probe suhu. Satu probe terletak di luar lapisan penutup, mengukur suhu persekitaran. Apabila suhu persekitaran melebihi ambang aktivasi yang ditetapkan, ia menghantar isyarat kepada sistem pengurusan bateri (Battery Management System/BMS) untuk memulakan proses pemanasan. Probe kedua mengukur suhu permukaan sel di dalam bungkusan dan menghantar data masa nyata kembali ke cip kawalan.

Proses kawalan, langkah demi langkah

Seluruh proses ini dikendalikan oleh cip kawalan, yang biasanya merupakan sebahagian daripada sistem pengurusan bateri (BMS).

1. Pembangkitan Tenaga: Probe luaran memantau persekitaran secara berterusan. Apabila suhu mencapai tahap yang ditetapkan, cip akan mengesan bahawa bateri berada dalam keadaan berisiko dan memulakan proses pemanasan.
2. Pemanasan: Lapisan pemanas menghasilkan tenaga dan menghantar haba ke sel-sel bateri melalui bahan perekat yang konduktif terhadap haba atau melalui sentuhan langsung. Tenaga ini berasal daripada bateri itu sendiri.
3. Pemantauan: Probe dalaman mengukur suhu sel-sel bateri dengan frekuensi yang tinggi dan melaporkannya kepada sistem kawalan BMS (Battery Management System), yang kemudian menyesuaikan proses pemanasan secara masa nyata.
4. Penutupan Sistem: Apabila suhu sel mencapai nilai keselamatan yang ditetapkan, cip akan memutuskan bekalan kuasa kepada lapisan pemanas, untuk mencegah kerosakan akibat terlalu panas dan mengurangkan pembaziran tenaga.
5. Penyelenggaraan Berulang: Jika suhu persekitaran tetap sejuk, suhu bateri akan menurun lagi; apabila suhu mencapai ambang yang ditetapkan untuk permulaan semula, proses pemanasan akan diaktifkan semula. Bateri akan dijaga dalam julat suhu operasinya selagi keadaan sejuk berterusan.

Kompromi reka bentuk yang tidak disebutkan dalam brosur…

Histeresis: Perbezaan suhu antara keadaan penutupan dan pengaktifan semula pemanas mencegah pemanas daripada beroperasi secara berulang-ulang (menghidup dan mati). Tanpa ciri ini, relay akan beroperasi secara berterusan, dan logik kawalan tidak akan membenarkan sistem untuk mencapai keadaan stabil.

Bajet tenaga: Proses pemanasan memerlukan penggunaan tenaga yang signifikan. Reka bentuk sistem perlu mengimbangi kelajuan pemanasan dengan jangka hayat bateri, agar walaupun pada hari-hari yang mendung atau hujan (di mana panel suria tidak dapat mengisi semula tenaga yang digunakan oleh pemanas), baki tenaga yang tersisa masih cukup untuk menampung keperluan pencahayaan asas. Di kilang kami, pengiraan jangka hayat bateri bermula daripada beban pemanasan, bukan beban lampu.

Sistem keselamatan: Dua ciri keselamatan adalah wajib dalam reka bentuk sistem kami:

1. Perlindungan terhadap suhu yang tinggi: Sistem ini merupakan litar berasingan yang akan mematikan pemanas secara automatik sekiranya cip pemanas gagal dan suhu meningkat secara tidak terkawal.
2. Perlindungan terhadap voltan rendah: Sistem ini akan menghalang operasi pemanas apabila bateri hampir kehabisan tenaga, memastikan tenaga yang tersisa digunakan untuk keperluan pencahayaan terlebih dahulu, bukan untuk pemanasan, untuk mengelakkan keadaan bateri terkuras sepenuhnya.

Pengaturan keutamaan ini dilakukan dengan sengaja, dengan pencahayaan diutamakan berbanding pemanasan.

Butiran struktur: Pad silikon yang mempunyai sifat konduktif terhadap haba diletakkan di antara filem dan sel-sel bateri untuk menyebarkan haba secara merata dan mencegah kawasan yang terlalu panas. Lapisan insulasi perlu mengimbangi antara keupayaan untuk menahan haba dan ciri kalis air; kerana kelembapan yang meresap melalui lapisan insulasi boleh menyebabkan kerosakan pada sistem pemanasan (seperti kerosakan pada litar elektrik).

Apa maknanya dalam bidang teknologi ini:

• Diagnosis: Apabila lampu tidak berfungsi dengan baik dalam cuaca sejuk, periksa terlebih dahulu dua komponen pemanas yang paling mungkin rosak: probe suhu yang tidak berfungsi dengan baik, atau kerosakan pada litar pemanas. Dalam program bekalan alat ganti kami, kedua-dua komponen ini disediakan khusus untuk tujuan ini.
• Konfigurasi kapasiti: Saiz bateri yang diperlukan untuk kawasan sejuk ditentukan berdasarkan suhu minimum tempatan dan corak cuaca mendung yang berterusan, kemudian kapasiti bateri disesuaikan dengan kekuatan pemanas yang diperlukan. Nilai watt yang terdapat dalam data sheet umum biasanya tidak mencukupi untuk menghadapi musim sejuk yang sebenar.
• Jangka hayat: Tujuan utama penggunaan lapisan insulasi dan komponen lain adalah untuk melindungi sel-sel bateri daripada suhu yang ekstrem. Dalam keadaan suhu yang optimum, bateri jenis LiFePO4 boleh bertahan lebih dari 3,000 kali penggunaan, dan pengurusan haba yang baik adalah kunci untuk memastikan jangka hayat bateri yang panjang.

Bila kita memilih ciri pemanasan sendiri, dan bila tidak

Ciri pemanasan sendiri bukanlah peningkatan standard yang disediakan secara laluan (default). Kita akan memilihnya hanya apabila dua syarat tertentu dipenuhi: tempoh yang berpanjangan di bawah suhu beku, dan keadaan cuaca mendung yang cukup lama sehingga panel suria tidak dapat mengisi semula tenaga yang digunakan oleh pemanas. Kawasan beriklim sejuk dan berlatitud tinggi memenuhi kedua-dua syarat tersebut. Sebaliknya, kawasan dengan musim sejuk yang ringan tidak memenuhi syarat-syarat ini, dan di sana penggunaan pemanas hanya menambah kos dan kerumitan tanpa manfaat yang nyata; oleh itu, kita akan menyatakan hal ini secara terbuka dalam quotation (senarai harga). Untuk maklumat asas mengenai pemilihan bateri untuk sistem pencahayaan suria, lihat Bateri untuk Sistem Pencahayaan Suria. Untuk pengiraan saiz peralatan, Kalkulator Pengiraan Saiz Kawalan kami menggunakan formula yang sama, termasuk beban pemanasan dalam pengiraan autonomi peralatan tersebut.

Apa yang tidak dibincangkan dalam halaman ini

Halaman ini hanya membincangkan paket pemanasan sendiri untuk lampu jalan suria yang beroperasi secara mandiri (standalone solar street lights). Ia tidak membincangkan standard ujian suhu rendah pada peringkat sel bateri, reka bentuk pemanas untuk sistem penyimpanan yang disambung ke grid elektrik (AC-coupled storage), atau jenis bateri litium selain LiFePO4. Peralatan lengkap untuk iklim sejuk, di mana paket pemanas dan kawalan dipadankan di kilang, tersedia dalam barisan produk Lampu Jalan Suria Serba Guna kami.