Lithium Batteries na May Kakayahang Magpalakas ng Sarili para sa Mga Ilaw sa Kalye na Gumagamit ng Solar Energy sa Malalamig na Klima

Bakit ang malalamig na klima ay malaking hamon para sa mga baterya ng LiFePO4?

Ang mga baterya ng tipo LiFePO4 ay maayos na humaharap sa pagkakaroon ng init at bahagyang pagkarga, ngunit ang malalamig na klima ay malaking hamon para sa mga ito. Kapag ang temperatura bumaba sa ibaba ng zero, ang kapasidad ng baterya na maglabas ng kuryente ay agad na bumababa, at sa mga temperatura na mas mababa pa sa zero, maaaring hindi na ito makapaglabas ng kuryente na kinakailangan. Para sa mga ilaw sa kalye na kailangang gumana mula sa gabi hanggang sa umaga gamit ang enerhiyang naiimbak, ang ganitong kalagayan ay nagsasabing ang ilaw ay hindi makakapagtrabaho. Ang sistema na may kakayahang magpalakas ng sarili ay dinisenyo upang mapanatili ang mga selula ng baterya sa saklaw ng temperatura kung saan pa rin sila maaaring gumana nang maayos.

Paano ginawa ang hardware para sa ganitong sistema?

Ang hardware para sa sistema na may kakayahang magpalakas ng sarili ay binubuo ng film na tagapainit, lapis ng pag-iinsulate, at mga sensor ng temperatura, na lahat ay nasa ilalim ng kontrol ng sistema ng pamamahala ng baterya (BMS). Ang film na tagapainit ay gumagamit ng kuryente mula sa baterya upang mapanatili ang temperatura ng mga selula sa saklaw na kinakailangan, nguni’t ang prosesong ito ay nakakabawas sa tagal ng operasyon ng baterya. Kaya, ang pagpili ng sistema na angkop para sa isang partikular na kapaligiran ay mahalaga upang makamit ang balanse sa pagitan ng kapakinabangan at mga gastos.

Ang assembly ng heater ay nagbalot sa napagawa nang pack—ang mga cell ay nai-weld na sa series at parallel—sa tatlong layers at dalawang probes:

Heating film. Ang pinagmumulan ng init, na mahigpit na nakabalot sa labas ng pack. Kadalasang ginawa ito mula sa polyimide o silicone rubber: nagbibigay ng uniform na init, matatag laban sa korosyon, at sapat ang pagkalambot nito upang sumunod sa hugis ng pack. Ang kuryenteng dumadaloy sa film ay nagbabago ng electrical energy into heat, na nagtaas ng temperatura ng pack nang pantay.

Insulation film. Ang pinakamalaking layer. Nagbabawas ito sa pagkawala ng init sa kapaligiran at naghihiwalay sa init na nabubuo sa loob ng pack, na siyang nagiging dahilan kung bakit ang heater ay sapat ang kahusayan upang gumana gamit ang enerhiya mula sa battery.

Dual temperature probes. Ang una sa mga probe ay nasa labas ng insulation, nagbabasa ng temperatura ng kapaligiran. Kapag ang temperatura ng kapaligiran ay tumatawid sa preset na threshold para sa pag-aktibo, ito ay nagbibigay ng signal sa BMS (Battery Management System) upang magsimulang magheate. Ang pangalawang probe ay nagbabasa ng temperatura ng ibabaw ng mga cell sa loob ng pack at nagpapadala ng real-time data pabalik sa control chip.

Ang control loop, step by step

Ang buong proseso ay pinapatakbo ng isang control chip, na kadalasang bahagi ng Battery Management System (BMS).

1. Paggising. Ang panlabas na probe ay patuloy na nagmamasid sa kapaligiran. Sa naitakdang temperatura para sa pag-aktibo, ang chip ay nagdidesisyon na ang pack ay nasa panganib at nag-uumpisa ng programa ng pag-init.
2. Pag-init. Ang film ay nagbibigay ng enerhiya at nagpapasa ng init sa mga cell sa pamamagitan ng matatagap na materyal para sa init o direktang kontakto. Ang enerhiyang ito ay nagmumula sa loob mismo ng pack.
3. Pagmamatyag. Ang panloob na probe ay nagkokolekta ng temperatura ng mga cell sa napakabilis na frequency at nagbabalita ito sa BMS (Battery Management System), na siyang nag-aayos sa proseso ng pag-init sa real time.
4. Pagtigil sa pag-init. Kapag ang temperatura ng mga cell ay umabot sa naitakdang ligtas na antas, ang chip ay tinututulan ang pagdadala ng kuryente sa film. Ito ay nagpapahintulot upang maiwasan ang pagkasira dahil sa labis na init at ang pagkasira ng enerhiya.
5. Pagpapanatili sa wastong temperatura (Cyclic maintenance). Kung ang kapaligiran ay nananatiling malamig, ang temperatura ng pack ay muli ring bababa; kapag ito ay tumatawid sa threshold para sa muling pag-aktibo, ang pag-init ay muling mag-uumpisa. Ang pack ay mananatili sa loob ng saklaw ng operasyon nito hangga’t tumatagal ang malamig na panahon.

Ang mga kompromiso sa disenyo na hindi nailalagay sa brosyur…

Hysteresis. Ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng oras ng pagtigil ng tagapainit (shut-off) at pag-uulit ng pagpapatakbo nito (restart) ay nagpapahintulot na maiwasan ang pagkakaroon ng paulit-ulit na pag-on at pag-off ng tagapainit. Kung walang ganitong mekanismo, ang relay ay patuloy na magpapatakbo nang walang pagtigil, at ang sistema ng kontrol ay hindi makakapagbigay ng wastong pagtugon sa mga pagbabago sa temperatura.

Energy budget. Ang pagpapainit ay nagkakonsumo ng enerhiya; kailangang balansehin ng disenyo ang bilis ng pagpapainit at ang tagal ng pagtitiyaga ng baterya. Kahit sa magkakatuloy na mga araw na mapangulap o uulan (kung kailan ang panel ay hindi makakapaglagay muli ng sapat na enerhiya sa baterya), ang natitirang kapasidad ng baterya ay sapat pa upang mapaglaan ng liwanag. Sa aming pagtatayo, ang pagkalkula sa awtonomiya ng baterya ay base sa kapasidad na kinakailangan para sa pagpapainit, hindi sa kapasidad na kinakailangan para sa ilaw.

Safety interlocks. Dalawang sistema ng proteksyon ay mahalaga at hindi maaaring mapaliban sa aming mga disenyo:

1. Over-temperature protection: Isang sekundaryang sistema na awtomatikong tinutigil ang tagapainit kung ang chip mismo ay nagkaroon ng problema at ang temperatura ay tumaas nang labis.
2. Low-voltage protection: Nagpapahintulot itong hindi gumana ang tagapainit kapag ang lebel ng kuryente sa baterya ay napakababa, upang ang baterya ay magamit muna para sa ilaw at hindi para sa pagpapainit, na tumutulong na maiwasan ang labis na pagkawala ng enerhiya (deep discharge). Ang pagkakasunod-sunod ng mga proteksyong ito ay sadyang pinili upang maproteksiyonan ang baterya at ang mga sistemang nauugnay dito.

Mga detalye sa pagkakayari: Ang mga pad na gawa sa silicone na may mahusay na pagdadala ng init ay nasa pagitan ng film at ng mga cell upang maghatid ng init nang pantay at maiwasan ang mga lugar na masyadong mainit. Ang layer ng pag-iinsulate ay kailangang balansehin ang pagpapanatili ng init at ang pagiging water-resistant, dahil ang kahalumang makakatawid dito ay maaaring maging sanhi ng short circuit.

Ano ang ibig sabihin nito sa larangan:

• Diagnosis: Kapag ang ilaw ay hindi gumagana sa malalamig na panahon, suriin muna ang dalawang pangunahing komponente ng heater: ang probe na nagmamapa ng temperatura, o ang pagkakaroon ng open circuit sa heating film. Sa aming programang paglalagay ng mga spare part, ito ang dalawang bahagi ng heater na palaging mayroon kami, dahil sa ganitong kadahilanan.
• Pagtutuon sa kapasidad: Ang pagpili ng laki ng pack para sa malalamig na lugar ay nag-uumpisa sa pinakamababang lokal na temperatura at sa pagkakasunod-sunod na mga araw na mapangulang, at pagkatapos ay pinagkakasabay ang kapasidad ng pack sa kapangyarihan ng heating system. Ang wattage na nakatala sa mga karaniwang datasheet ay hindi sapat upang mapaglabanan ang taglamig na kondisyon.
• Buhay ng pack: Ang layunin ng lahat ng ito ay upang maprotektahan ang mga cell mula sa matagal na pagkakalantad sa labis na temperatura; sa mga pinakamainam na kondisyon ng temperatura, ang mga LiFePO4 pack ay maaaring gumana nang mahigit sa 3,000 beses, at ang pagkontrol sa init ang siyang nagpapahaba ng buhay ng pack.

Kailan namin pinag-uutos ang pagkakaroon ng sistema ng awtomatikong pag-init, at kailan hindi

Ang pagkakaroon ng sistema ng awtomatikong pag-init ay hindi isang karaniwang opsyong pinag-iisipan sa pagpapalakas ng mga sistema ng solar lighting. Pinag-uutos natin ito kapag nagkakatugma ang dalawang kondisyon: (1) matagal nang panahon na mababa sa temperatura ng freezing point, at (2) malalaking panahon ng pagkakaroon ng ulap na nagiging dahilan upang ang mga panel ng solar ay hindi makapaglagay muli ng sapat na enerhiya upang mapaglaan ng init. Ang mga lugar na nasa mga rehiyon na may malalamig na klima at mataas ang latitud ay nagpupuno ng mga kondisyong ito. Sa kabilang dako, ang mga rehiyon na may banayad na taglamig ay hindi nagpupuno ng mga kondisyong ito; sa mga lugar na ito, ang pagkakaroon ng sistema ng awtomatikong pag-init ay nagsasangkot ng gastos at komplikasyon na hindi nagbibigay ng kapakinabangan. Ito ang rason kung bakit hindi namin isinasama ang opsyong ito sa listahan ng mga kinakailangan para sa pagbili (BOM – Bill of Materials). Para sa mga pangunahing impormasyon tungkol sa pagpili ng baterya para sa mga sistema ng solar lighting, tingnan ang batteries for solar lighting systems. Para sa pagtukoy ng tamang laki ng mga komponente, gumamit kami ng controller sizing calculator na isinasama ang pagkalkula para sa kinakailangang enerhiya para sa pag-init.

Ano ang hindi nasasaklaw ng pahinang ito

Ang pahinang ito ay nakatuon sa mga sistema ng awtomatikong pag-init para sa mga solong street light na gumagamit ng enerhiya mula sa solar. Hindi ito nagtataglay ng impormasyon tungkol sa mga pamantayan para sa pagsubok ng mga cell sa malalamig na temperatura, mga disenyo ng mga heater para sa mga sistema na nakakonekta sa grid o sa AC, o ibang uri ng kemikal para sa mga baterya (iba sa LiFePO4). Ang mga kompletong sistema na angkop para sa malalamig na klima, kung saan ang mga pack na nagbibigay ng init at ang mga controller ay pinagkakasama na sa paggawa, ay nasa aming linya ng all-in-one solar street lights.