Baterie litiu z automatycznym ogrzewaniem dla ulicznych lamp solarnych w chłodniejszych klimatach

Dlaczego chłód stanowi tak wielki problem dla baterii LiFePO4?

Baterie typu LiFePO4 dobrze radzą sobie z wysokimi temperaturami oraz częściowym naładowaniem, ale słabo reagują na niskie temperatury. Poniżej zera spada znacznie ich wydajność, a w bardzo niskich warunkach mogą w ogóle przestać dostarczać prąd. Dla ulicznej lampy, która musi pracować od zmierzchu do świtu na energii zgromadzonej wcześniej, to oznacza, że lampa po prostu nie będzie świecić. Układ z automatycznym ogrzewaniem ma za cel utrzymywanie baterii w stanie, w którym może nadal wykonywać swoje funkcje.

Jak jest zbudowany ten hardware?

Zbiórka elementów grzewczych otacza gotowy pakiet baterii – komórki baterii już połączone w seriach i paralelach – w trzech warstwach oraz dwóch sondach:

Film grzewczy: Źródło ciepła, dokładnie umieszczone wokół zewnętrznej powierzchni pakietu. Zwykle jest to element zrobiony z polimidu lub silikonowej gumy; zapewnia równomierne wydawanie ciepła, jest odporny na korozję i dostatecznie elastyczny, by dopasować się do kształtu pakietu. Prąd przepływający przez film przekształca energię elektryczną w ciepło, podwyższając temperaturę pakietu.

Film izolacyjny: Zewnętrzna warstwa, która ogranicza utraty ciepła do otoczenia i utrzymuje generowane ciepło wewnątrz pakietu; dzięki temu układ grzewczy może efektywnie funkcjonować na bazie energii z baterii.

Dwie sondy pomiaru temperatury: Pierwsza sonda znajduje się na zewnątrz warstwy izolacyjnej i mierzy temperaturę otoczenia; gdy temperatura otoczenia przekracza ustawiony próg aktywacji, sygnałizuje to systemowi zarządzania bateriami (BMS – Battery Management System), aby uruchomił proces ogrzewania. Druga sonda mierzy temperaturę powierzchni komórek baterii i przekazuje dane w czasie rzeczywistym do chipu sterującego.

Proces sterowania, krok po kroku:

Cała procedura jest realizowana przez chip sterujący, który należy zwykle do systemu zarządzania bateriami (BMS).

1. Budzenie: Zewnętrzny detektor stale monitoruje otoczenie. Gdy temperatura osiąga ustawioną wartość aktywacji, chip rozpoznaje, że bateria jest w zagrożeniu, i uruchamia program nagrzewania.
2. Nagrzewanie: Folia nagrzewa się i przenosi ciepło do komórek baterii za pomocą termicznie przewodzącego kleju lub bezpośredniego kontaktu. Energia do nagrzewania pochodzi z samej baterii.
3. Monitorowanie: Wewnętrzny detektor bierze pomiar temperatury komórek z dużą częstotliwością i przekazuje dane do systemu BMS (Battery Management System), który w czasie rzeczywistym reguluje proces nagrzewania.
4. Wyłączenie: Gdy temperatura komórek przekracza ustawioną wartość bezpieczeństwa, chip odłącza dopływ energii do folii, aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych przegrzaniem oraz zmarnowania energii.

5 Cykliczne utrzymywanie temperatury: Jeśli otoczenie pozostaje zimne, temperatura baterii ponownie spada; gdy przekracza ustawiony próg, proces nagrzewania zostaje wznowiony. Bateria utrzymuje się w swoim przedziałie pracy tak długo, jak trwa zimno.

Kompromisy w projekcie, o których nikt nie mówi w broszurze…

Histeresja: Różnica temperatur pomiędzy momencem wyłączenia i ponownego uruchomienia ogrzewacza zapobiega jego ciągłemu włączaniu i wyłączaniu. Jej brak powodowałby bez ustanku cykliczne uruchomianie i wyłączenie ogrzewacza, co uniemożliwiłoby ustabilizację pracy systemu.

Budżet energii: Ogrzewanie zużywa energię; konstrukcja musi uwzględnić balans między szybkością ogrzewania a jego trwałością. Nawet w ciągu kilku deszczowych lub chmurnych dni, gdy panel nie jest w stanie uzupełnić zużytej energii, pozostała ilość energii musi wystarczyć na podstawowe potrzeby oświetlenia. W naszym zakładzie obliczenie autonomii systemu ogrzewczego bazuje na obciążeniu generowanym przez ogrzewacz, a nie na obciążeniu oświetlenia.

Zabezpieczenia bezpieczeństwa: Dwa typy zabezpieczeń są niezbędne w naszych urządzeniach:

1. Ochrona przed przegrzaniem: Jest to niezależny, dodatkowy system, który automatycznie wyłącza ogrzewacz w przypadku awarii chipu i przekroczenia dopuszczalnej temperatury.
2. Zakaz pracy ogrzewacza przy niskim napięciu: Funkcja ta uniemożliwia uruchomienie ogrzewacza, gdy poziom napięcia w akumulatorze jest zbyt niski, aby zapewnić bezpieczne działanie systemu. W takiej sytuacji energia jest używana wyłącznie do oświetlenia, a nie do ogrzewania, co zapobiega głębokiemu rozładowaniu akumulatora.

Każdy z tych zabezpieczeń ma kluczowe znaczenie – priorytetem jest bezpieczeństwo systemu.

Detalje strukturalne: Między folią i elementami grzewczymi znajdują się podkładki z silikonu o dobrej termoprzewodności, które rozprowadzają ciepło równomiernie i zapobiegają powstaniu lokalnych obszarów z nadmiernym nagrzewaniem. Warstwa izolacji musi pogodzić zdolność utrzymywania ciepła z potrzebami wodoodporności – bowiem wilgoć, przenikająca przez tę warstwę, może doprowadzić do powstania krótkiego złącza („krótkiego obwodu”).

Co to oznacza w praktyce: – Diagnoza: Gdy żarówka nie świeci w chłodniejszych warunkach pogodowych, najpierw sprawdź dwa najważniejsze elementy układu grzewczego: uszkodzoną sondę pomiaru temperatury lub otwarty obwód w folii grzewczej. W ramach naszego programu dostawek części zamiennych właśnie te elementy są w naszym asortymencie. – Konfiguracja pojemności: Rozmiar pakietów grzewczych jest ustalany na podstawie lokalnych minimów temperatury oraz częstoty ciągłych chmurnych dni; pojemność pakietów jest dopasowana do ich mocy grzewczej. Wartości watowe podane na standardowych kartach specyfikacyjnych nie odzwierają rzeczywistych wymagań zimy. – Światłość życia: Kluczowym elementem zapewniającym długą żywotność pakietów jest ochrona ich elementów przed długotrwającymi ekstremalnymi temperaturami. W optymalnych warunkach pakety z akumulatorami typu LiFePO4 mogą przetrwać ponad 3000 cykli pracy, a właśnie systemy zarządzania ciepłem są kluczowymi w utrzymaniu tego poziomu wydajności.

Kiedy włączamy funkcję samogrzania, a kiedy nie

Funkcja samogrzania nie jest standardowym elementem wyposażenia. Włączamy ją wtedy, gdy spełniają się dwa warunki: długotrwające okresy temperatur poniżej zera oraz wystarczająco długie okresy chmurności, przez które panel nie jest w stanie uzupełnić energii zużytej przez ogrzewacz. Takie warunki panują w obszarach z chłodnym klimatem kontynentalnym i na dużych szerokościach geograficznych. Regiony z łagodnym zimowym klimatem nie spełniają tych warunków, więc w takich przypadkach instalacja ogrzewacza nie jest rentowna pod względem kosztów i złożoności. O tym informujemy w ofercie, zamiast przekraczać ustalone normy wyposażenia. Jeśli chcesz zapoznać się z podstawami wyboru baterii dla systemów oświetlenia solarnego, sprawdź informacje na stronie batteries for solar lighting systems. Aby obliczyć wymagania dotyczące wielkości akumulatora, użyj naszego kalkulatora do wyboru kontrolera, który uwzględnia również obciążenie powodowane przez ogrzewacz.

Co na tej stronie nie jest opisane

Na tej stronie opisane są układy samogrzania stosowane w niezależnych lampach ulicznych na energię słoneczną. Nie dotyczy się tu standardów testów baterii w niskich temperaturach, projektów ogrzewaczy do systemów zmagazynowania energii połączonych z siecią elektryczną, ani innych typów chemii litu niż LiFePO4. Kompletne układy do zimowych warunków klimatycznych, w których elementy ogrzewania i kontroler są dostosowane fabrycznie, znajdują się w naszej linii produktów lamp ulicznych na energię słoneczną typu „all-in-one.