Självvärmande litiumbatterier för sollampor i kalla klimat

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

Litiumjärnfosfatbatterier (LiFePO4) hanterar värme och delmätning bra, men kallt klimat är deras svaga sida. När temperaturen sjunker under nollgraden minskar den användbara laddningskapaciteten kraftigt, och vid mycket låga temperaturer kan batteriet helt enkelt inte leverera någon ström. För en sollampa som måste fungera från skymning till gryning på lagrad energi innebär detta att lampan stänger av. Självvärmandesystemet finns just för att hålla battericellerna inom det funktionella området där de fortfarande kan utföra sitt jobb.

Hur hårdvaran är konstruerad?

Värmeelementet omger den färdiga batteripacken – cellerna är redan svetsade i serie och parallell – och består av tre lager samt två sensorer:

Värmefilm. Källan till värmen, som täts stramt omkring batteripackens yta. Den består vanligtvis av polyimid eller silikonkummi: den ger jämnt värmeutbyte, är korrosionsresistent och anpassar sig till batteripackens form. Ström som passerar genom filmen omvandlar elektrisk energi till värme och höjer batteripackens temperatur jämnt.

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

Dubbla temperatursensorer. En sensor sitter på ytan av isolationsfilmen och mäter omgivningstemperaturen. När omgivningstemperaturen når en förinställd tröskel signalerar den batterihanteringssystemet (BMS) att värmningen ska påbörjas. Den andra sensorn mäter cellernas yttemperatur och skickar realtidsdata till kontrollchipet.

Kontrollprocessen, steg för steg

Hela processen styrs av ett kontrollchip, som vanligtvis ingår i batterihanteringssystemet (BMS).

1. Uppvakning: Den externa sonden övervakar omgivningen kontinuerligt. Vid det förinställda aktiveringsvärdet avgör chipen att paketet är i fara och startar uppvärmningsprogrammet.
2. Uppvärmning: Filmen aktiveras och överför värme till cellerna via termiskt ledande lim eller direkt kontakt. Denna energi kommer från paketet självt.
3. Övervakning: Den interna sonden mäter celltemperaturen med hög frekvens och rapporterar till BMS (Battery Management System), som justerar uppvärmningen i realtid.
4. Avstängning: När celltemperaturen når det förinställda säkerhetsvärdet stänger chipen av strömmen till filmen. Detta förhindrar överhettningsskador och stoppar energiförluster.
5. Cyklisk underhåll: Om omgivningen förblir kall sjunker pakettemperaturen igen; när temperaturen når omstartskraven aktiveras uppvärmningen på nytt. Paketet hålls inom sin funktionella temperaturband så länge kylan varar.

De designval som ingen nämner i broschyrerna

Hysteres – En temperaturskillnad mellan stängning och omstart förhindrar att värmen startar och stänger upprepade gånger. Utan denna skillnad cyklar reläen ständigt, och kontrolllogiken låter paketet aldrig nå en stabilt tillstånd.

Energibudget – Värmning förbrukar energi; designen måste balansera värmhastighet mot hållbarhet, så att även under flera molniga eller regniga dagar – när panelen inte kan återfylla den energi som värmaren förbrukar – fortfarande finns tillräcklig energi för grundläggande belysning. I vår fabrik baseras beräkningarna av autonomin på värmbelastningen, inte på belysningsbelastningen.

Säkerhetsfunktioner – Två säkerhetsfunktioner är obligatoriska i våra produkter:

1. Övertemperaturskydd : Ett sekundärt, oberoende system som avstänger värmen om chipen själv felar och temperaturen stiger för högt.
2. Lågspänningsförbud : Värmningen avstängs när batteriets laddning är alltför låg, så att systemet använder sina sista elektroner för belysning istället för värme – för att undvika allvarlig nedladdning av batteriet. Prioriteten är tydlig: först belysning, sedan värme.

Strukturella detaljer: Värmeledande silikonpaddar placeras mellan filmen och cellerna för att jämnt fördela värmen och förhindra lokala varmepunkter. Isolationslagret måste balansera mellan värmebehållning och vattentäthet – eftersom fukt som tar sig igenom isolationslagret kan orsaka kortslutningar.

Vad detta betyder inom branschen:

• Diagnos: När en lampa inte lyser i kallt väder bör man först kontrollera de två uppenbara värmekomponenterna: en defekt temperatursond eller ett öppet kretslopp i värmefilmen. I vårt reservprogram har vi just dessa två värmekomponenter i lager av just denna anledning.
• Kapacitetskonfiguration: Storleken på batteripaket för kalla områden beräknas utifrån den lokala minimaltemperaturn samt det lokala mönstret av på varandra följande molniga dagar, och kapaciteten anpassas därefter till värmeffekten. En generisk databladshöjd i wattage räcker inte för en verklig vinter.
• Livslängd: Syftet med all denna konstruktion är att skydda cellerna från långvariga extremtemperaturer. Under optimala förhållanden kan LiFePO4-batteripaket uppnå över 3 000 laddnings-/lossningscykler, och det är just värmehanteringen som skyddar denna livslängd.

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

Självvärmande funktioner ingår inte som standarduppdatering. Vi väljer dessa funktioner när två villkor uppfylls: långa perioder med temperaturer under nollgraden, samt molniga vädertider som gör att panelen inte kan återfylla den energi som värmaren förbrukar. Kalla kontinentala områden och höga latituder uppfyller båda villkoren. Regioner med milda vinter uppfyller inga av dessa villkor, och där är användningen av värmare både kostsam och komplicerad – därför anges detta tydligt i offerterna, istället för att höja kostnaderna. För grundläggande information om batterival för solbelysningssystem, se batterier för solbelysningssystem. För dimensionering av systemen använder vår kontrollerdimensioneringskalkylator samma beräkningar, inklusive effekten från värmaren.

Vad denna sida inte täcker

Denna sida behandlar självvärmande system för fristående solgatorljus. Den täcker inte teststandarder för celler vid låga temperaturer, designer för värmare som används i system kopplade till elnät, eller andra litiumbatterietyper än LiFePO4. Kompletta lösningar för kalla klimat, där värmepaketet och kontrollern är anpassade i fabriken, finns i vår serie all-in-one solgatorljus.