Zelfverwarmende lithiumbatterijen voor solaire straatlantaarnen in koud klimaat

Waarom koud een groot probleem is voor LiFePO4-batterijen

Lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) kan goed omgaan met hitte en een deelontlading, maar kou is een zwak punt voor deze batterijen. Bij temperaturen onder het vriespunt daalt de bruikbare ontlaadcapaciteit drastisch, en bij zeer lage temperaturen kan de batterij helemaal geen stroom meer leveren. Voor een straatlantaarn die op opgeslagen energie moet werken van zonsondergang tot zonsopkomst, betekent dit dat de lantaarn uitgaat. Het zelfverwarmende systeem is er om de batterijcellen in een optimale werkingstemperatuur te houden, zodat ze nog steeds hun werk kunnen uitvoeren.

Hoe het hardware-systeem is opgebouwd

Het verwarmingssysteem omhult het afgerolde pak – waarbij de cellen al in serie en parallel zijn geïntegreerd – in drie lagen en twee sensoren:

Verwarmingsscherm: De warmtebron is strak om het pak heen gewikkeld. Meestal bestaat dit uit een polyimide- of siliconenrubbercomponent; deze biedt een gelijke warmteafstoot, is bestand tegen corrosie en past zich goed aan de vorm van het pak aan. De stroom die door het scherm stroomt omzet elektrische energie in warmte, waardoor de temperatuur van het pak gelijkmatig stijgt.

Isolatiefolie: De buitenste laag beperkt de warmteverlies naar de omgeving en houdt de opgewekte warmte binnen het pak vast. Dit zorgt ervoor dat het verwarmingssysteem efficiënt werkt, zelfs als het alleen op batterijenergie draait.

Twee temperatuursensoren: De ene sensor bevindt zich aan de buitenkant van de isolatie en mettet de omgevingstemperatuur op. Zodra deze temperatuur de vooraf ingestelde activeringsgrens bereikt, geeft de sensor het signaal aan het batterijbeheersysteem (BMS) om de verwarming te starten. De tweede sensor meet de oppervlaktemperatuur van de cellen en stuurt deze gegevens in real time terug naar het controlechip.

De controleprocedure, stap voor stap:

De hele procedure wordt uitgevoerd door een controlechip, dat meestal onderdeel is van het batterijbeheersysteem (BMS).

1. Wakken op: De externe sensor houdt continu de omgeving in de gaten. Bij de vooraf ingestelde activeringstemperatuur bepaalt de chip dat het pak in gevaar is en startt het verwarmingssysteem.
2. Verwarming: Het verwarmingsmateriaal wordt actief en overdraagt warmte aan de cellen via een thermisch geleidend adhesive of rechtstreekse contact. De energie voor deze verwarming wordt rechtstreeks uit het pak zelf gehaald.
3. Monitoren: De interne sensor meet de temperatuur van de cellen met hoge frequentie en rapporteert deze gegevens aan het BMS (Battery Management System), waarna het BMS de verwarming in real time aanpast.
4. Uitschakelen: Zodra de temperatuur van de cellen de vooraf ingestelde veiligheidsgrens bereikt, stelt de chip de stroom naar het verwarmingsmateriaal uit. Dit voorkomt oververhitting en bespaart energie.
5. Cyclische onderhoudsprocedure: Als de omgeving koud blijft, daalt de temperatuur van het pak opnieuw; wanneer deze temperatuur de opnieuw-start-threshold overschrijdt, wordt de verwarming opnieuw actief gesteld. Het pak wordt zo zo lang in zijn optimale werkbereik gehouden tot de kou voorbij is.

De afwegingen in het ontwerp – die niemand in de brochure vermeldt…

Hysteresis: Een temperatuurverschil tussen het uitschakelen en het opnieuw inschakelen van de heater voorkomt dat de heater continu aan en uit schakelt. Zonder dit verschil zou de relaisvoorstelling onophoudelijk worden herhaald, waardoor de regellogica nooit in staat is om de systeemtoestand te stabiliseren.

Energiebeheer: Het verwarmen verbruikt energie; de ontwerpkeuze moet hierdoor de balans tussen het verwarmingstempo en de duurzaamheid van het systeem bewaren. Zelfs op opvolgende bewolkte of regenachtige dagen, wanneer de zonnepanelen niet genoeg energie opwekken om de energieverbruik van de heater te dekken, moet nog steeds voldoende energie overblijven voor de basisverlichting. In onze fabriek wordt de autonoomie van het systeem berekend op basis van de energiebehoef van de heater, niet van de verlichting.

Safety interlocks (safety-beveiligingen): Twee beveiligingsmaatregelen zijn in onze systemen onverzichtbaar:

1. Overtemperatuurscherming: Een tweede, onafhankelijke schakeling die de heater automatisch uitschakelt als de chip niet meer werkt en de temperatuur te hoog wordt.
2. Laagspanningsbeveiliging: Het verwarmen wordt uitgeschakeld wanneer de batterijcapaciteit te laag is; hierdoor wordt de energie gebruikt voor de verlichting in plaats van voor het verwarmen, waardoor diepe ontladingen van de batterij worden voorkomen. De prioriteit is duidelijk: eerst verlichting, dan verwarming.

Structuurale details: Thermisch geleidende siliconenpads zitten tussen de verwarmingsfilm en de batterijcellen om de warmte gelijkmatig te distribueren en lokale warmteplekken te voorkomen. De isolatielaag moet een balans vinden tussen het behouden van warmte en het voorkomen van waterdruk, omdat vocht dat de isolatielaag doorbreekt tot een kortsluiting kan leidden.

Wat dit betekent in de praktijk:

• Diagnose: Wanneer een licht niet werkt in koud weer, moet je eerst de twee belangrijkste onderdelen van het verwarmingssysteem controleren: een defecte temperatuursensor of een open circuit in de verwarmingsfilm. In ons reserveprogramma hebben we deze twee onderdelen op voorraad, precies vanwege deze reden.
• Capaciteitsbepaling: De afmetingen van de batterijpakketten worden bepaald op basis van de lokale minimumtemperatuur en het aantal opvolgende bewolkte dagen; de capaciteit wordt vervolgens aangepast aan de vereiste verwarmingskracht. De op een generiek datasheet vermelde wattage is niet genoeg om het echte winterklimaat te overstaan.
• Levensduur: Het belangrijkste doel is om de batterijcellen te beschermen tegen langdurige extreme temperaturen. Bij optimale omstandigheden kunnen LiFePO4-batterijen meer dan 3.000 keer worden opgeladen en gedownload; de thermische beheeringsmechanismen zorgen ervoor dat deze levensduur wordt behouden.

Wanneer we zelfverwarming opnemen in de specificaties – en wanneer niet

Zelfverwarming is geen standaardoptie. We kiezen ervoor wanneer twee voorwaarden worden vervuld: langdurige periodes onder het vriespunt en een genoeg lange periode van bewolking, zodat de zonnepanelen de energie die de heater verbruikt niet kunnen opnieuw opwekken. Koudere regio’s op het continent en in hoge breedtegraden voldoen aan beide voorwaarden. In gebieden met milde winters voldoen deze voorwaarden echter niet; in dergelijke gevallen is de toevoeging van een heater kostbaar en complex, zonder dat dit zich terugbetaalt. We geven dit dan duidelijk aan in de offerte. Voor meer informatie over de basisprincipes van de batterijkeuze voor zonnelichtsystemen, kijk je bij Batteries for Solar Lighting Systems. Voor het bepalen van de juiste afmetingen van de zonnepanelen gebruikt onze Controller Sizing Calculator dezelfde berekeningen, waarbij ook de energiebehoef van de heater wordt meegerekend.

Wat deze pagina niet behandelt

Deze pagina gaat alleen over zelfverwarmende onderdelen voor standalone-zonnelichtmasten. Ze behandelt geen teststandaarden voor zonnepanelen bij lage temperaturen, ontwerpen voor heaters die worden gebruikt in combinatie met AC-systemen of het elektriciteitsnet, noch andere lithiumbatterijtypen dan LiFePO4. Complexe oplossingen voor koudere klimaten, waarbij het verwarmde onderdeel en de controller al in de fabriek op elkaar zijn aangepast, vind je in onze all-in-one-zonnelichtmasten-lijn.