Ulkona olevien ohjauskaappien kylmän sään akkuvarmistus: Mitoitus käyttöajan ja palautumisen mukaan

Nopea vastaus: Mitoita kaapin akku käyttämällä olennaista kuormaa, vaadittua katkon kestoa ja käytettävissä olevaa akun energiaa kylmäsäilytyksen jälkeen, mukaan lukien mahdollinen akkulämmittimen kulutus. Tarkista erikseen, kuinka nopeasti lataus jatkuu ja kuinka nopeasti se palauttaa riittävästi varavirtaa toista katkoa varten.

Keskeiset ostokset

• Kylmä sää heikentää akun kapasiteettia. Käytä alennuskerrointa, joka perustuu käyttöpaikkasi alimman lämpötilan arvoon.

• Lämmittimet pitävät akut lämpiminä, mutta ne kuluttavat ylimääräistä energiaa. Lisää lämmittimen teho kokonaisenergiabudjettiisi.

• Useimmat litium-akut eivät lataudu pakkasen puolella. Varaa siis viivästetty lataus sähkökatkon jälkeen.

• Tarkista akun varauskatkokset useammin kuin kerran. Yksi purkaustesti ei osoita, että akku palautuu normaaliksi.

• Valitse LiFePO4, jos haluat pitkän käyttöiän kylmissä ulkokaapeissa. Sovita kemia käyttökohteesi tarpeisiin.

Osa 1: Latausprofiili ja ajonaikainen käyttö

1.1 Jatkuvat, huippu- ja lepokuormitukset

Tarran numerot harvoin vastaavat todellista virrankulutusta. Liikennevalokaapin arvot saattavat olla ohjaimen, radion ja kameran arvot, mutta mitattu virta kertoo toisen asian. Insinöörien tulisi kirjata kaapin todellinen virta koko käyttöjakson aikana. Tämä kirjaus lajittelee kuormat kolmeen luokkaan: jatkuvat kuormat, jotka toimivat joka tunti, lyhytaikaisesti esiintyvät huippukuormat ja lepotilassa olevat kuormat, jotka pysyvät päällä kaapin ollessa käyttämättömänä.

Huippu- ja ylijännitesuojan käyttäytyminen vaatii omat mittausmenetelmänsä. EnergyDawnice huomauttaa, että 5 kW:n teholla toimiva moottori voi vetää käynnistyksen yhteydessä 12–15 kW:n tehoa sekuntien ajan. Turvakaappi, jossa on panorointi-, kallistus- ja zoomauskamera sekä lämmitin, näyttää samanlaisen ylijännitesuojan. Akkuyksikön, rakennusautomaatiojärjestelmän ja johdotuksen on kaikkien kestettävä tämä ylijännitesuoja. Pelkästään keskimääräisen kuormituksen mitoitus vaarantaa järjestelmän pahimmalla hetkellä.

1.2 Kohteen vaatimuksista käyttökatkosten aikaiseen energiaan

Katkosenergian laskenta on yksinkertaista. EnergyCalcSuite tarjoaa menetelmän: kerro välttämätön päivittäinen kuormitus kilowattitunteina katkospäivien lukumäärällä ja lisää sitten 20 %:n puskuri tehottomuutta ja odottamattomia kuormia varten. Kaappi, joka kuluttaa 2 kWh päivässä kolmen päivän katkon aikana, tarvitsee noin 7.2 kWh käytettävissä olevaa varastointia. Tämä luku kattaa vain katkon; latauksen palautus on erillinen tarkistus.

Kaksi korjausta pitää luvun rehellisenä. Ensinnäkin nimelliskapasiteetti on muutettava käyttökelpoiseksi kapasiteetiksi. EnergyDawnice varoittaa, että 100 kWh:n akku 80 %:n purkaussyvyydellä tuottaa 80 kWh ja invertterin hyötysuhde lähellä 95 %:a vähentää vaihtovirtatehoa entisestään. Toiseksi on käytettävä osassa 2 esitettyä kylmätehokerrointa. CE Innovators huomauttaa myös, että kahden 10 kWh:n akulla varustetun akun käyttökelpoinen kapasiteetti voi vaihdella sisäisten puskuriasetusten vuoksi. Vertaa järjestelmiä käyttökelpoisen energian, älä merkinnän perusteella.

Osa 2: Kylmän sään akun varakapasiteetti

2.1 Kylmäliotus ja käyttökelpoinen kapasiteetti

Litium-ioni akku toimii parhaiten noin 25 °C:n lämpötilassa. Tämän alapuolella se antaa vähemmän virtaa ja lataaminen kestää kauemmin. Kylmälämmitys tarkoittaa, että akku pysyy alhaisessa lämpötilassa riittävän kauan, jotta sisäpuolen lämpötila tasaantuu. Tämän jälkeen käyttökelpoinen kapasiteetti laskee selvästi huoneenlämpötilaa alhaisemmaksi.

Battery Universityn mukaan 27 °C:n lämpötilassa kenno antaa 100 prosentin kapasiteetin vertailuarvona. –18 °C:n lämpötilassa sama kenno antaa yleensä vain 50 prosenttia. –20 °C:n lämpötilassa useimmat akut ovat lähellä 50 prosentin tasoa. Battery University huomauttaa myös, että kylmyys lisää sisäistä vastusta ja laskee kapasiteettia, ja häviö häviää, kun kenno lämpenee uudelleen.

Leudompi kylmyys kuluttaa silti energiaa. Grepow raportoi noin 75 prosenttia 25 °C:n arvosta –10 °C:ssa ja noin 60 prosenttia –50 °C:ssa 0.2 asteen lämpötilassa. Grepow lisää, että tarkka hävikki riippuu kemiasta, rakenteesta, kuormituksesta ja lämpöolosuhteista. Niinpä kylmän sään akkuvarmistussuunnittelussa käytetään alennuskerrointa, joka on sidottu kohteen odotettuun alimpaan liotuslämpötilaan, ei leudon talven keskiarvoon.

2.2 Lämmityslaitteen kuormat ja kotelon lämpöbudjetti

Lämmitin suojaa kapasiteettia, mutta se myös tyhjentää akkua. Emergency Lights huomauttaa, että lämmittimet kuluttavat valmiustilavirtaa ja tarvitsevat yleensä jatkuvaa verkkovirtaa akun esilämmittämiseen. Termostaattisäädetyt paneelit pitävät akun lähellä parasta mahdollista lämpötilaa ja toimivat hyvin pakkasalueilla tai pitkäaikaisessa pakkasessa. Oupes tekee saman asian kuorman puolelta: satunnaisesti tapahtuva lämmitys on parempi kuin jatkuvasti käynnissä oleva iso lämmitin. 60–120 W:n lämmityspeitto, tiivisteet ja vedonestoaineet vähentävät energiankulutusta huomattavasti verrattuna 1 500 W:n lämmittimeen.

Lämpöbudjetissa on laskettava lämmitin jatkuvaksi kuormaksi kylmimpinä tunteina. Hätävalot suosittelevat mitoituksen määrittämistä marginaalilla ja talvikäyttöajan tarkistamista, ja ankariin talviolosuhteisiin (–20––40 °F) suositellaan sisäkäyttöön tarkoitettua akkua, jossa on erilliset lämmityspäät.

Koteloinnin asettelu on yhtä tärkeä kuin lämmittimen teho. Yake Climate suosittelee akkutilan erottamista ja sen tuulettamista kuivatulla tuloilmalla, jos mahdollista. Yake Climate varoittaa myös turvailmanvaihdon katkaisemisesta kosteudenpoiston säästämiseksi ja kehottaa käyttämään kipinöimättömiä laitteita, jos vaarallinen ilmaseos on mahdollinen. Ulkona sijaitsevassa akkukaapissa voidaan käyttää pieniä tuuletusaukkoja tai suljettua rakennetta jäähdytyksellä yhdistettynä kaappiin asennettuun ilmankuivaimeen.

Osa 3: Palautumis- ja latautumissuunnittelu

3.1 Matalan lämpötilan latausrajoitukset

Katkoksen aiheuttama energiankulutus on vain puolet suunnitelmasta. Kylmän sään varavirtalähteen on myös palauduttava tapahtuman jälkeen, ja kylmä sää vaikeuttaa palautumista. Useimmat litium-akut lopettavat latauksen 0 °C:n lämpötilassa. Savolturen mukaan LiFePO4-kennot eivät voi latautua tämän lämpötilan alapuolella. Akun hallintajärjestelmä avaa latausreitin ja odottaa akun lämpenemistä.

Tämä katkaisu muuttaa palautumisaikataulua. Kaappi, joka menettää virtansa yöllä pakkassäällä, voi seistä alhaisella latauksella auringonnousuun asti. Se voi myös odottaa, kunnes lämmitin lämmittää kennot kynnyksen yläpuolelle. Tämän jälkeen akku latautuu hitaammin lämmetessään. Suunnittelu, joka odottaa täyttä latausta muutamassa tunnissa, epäonnistuu tavoitteessaan. Insinöörien tulisi käsitellä latauksen katkaisua kovana porttina, ei pehmeänä rajana, ja suunnitella palautumisikkuna sen mukaan.

Aurinkoenergialla toimivilla kaapeilla on toinen ongelma. Paneeleilla oleva lumi voi laskea tehon lähes nollaan talvikatkon aikana. Akku kantaa tällöin täyden kuorman ilman latausreittiä, kunnes lumi sulaa. Kesällä hyvin toimiva paneeli kertoo suunnittelijalle vain vähän tammikuun suorituskyvystä. Työmaan tiedot lumen syvyydestä ja paneelin kallistuksesta ovat tärkeämpiä kuin tyyppikilven teho.

3.2 Latausaika ja toistuvat katkokset

Yksi purkaustesti todistaa käyttöajan. Se ei todista palautumista. Talvimyrskyt aiheuttavat usein toisen katkoksen ennen kuin akku on latautunut uudelleen ensimmäisestä. Suunnittelun on kestettävä tämä jakso, ei vain yksi tapahtuma.

Toistuvien käyttökatkosten validointi paikaa tämän aukon. Testin tulisi noudattaa kiinteää järjestystä:

1. Kylmäliota pakkausta työmaan odotettavissa olevassa alhaisimmassa lämpötilassa.

2. Suorita täysi sähkökatkon purkaus mitatulla kuormituksella, mukaan lukien lämmittimen virrankulutus.

3. Lataa akku samoissa kylmissä olosuhteissa ja kirjaa ylös täyteen lataustilaan kuluva aika.

4. Käynnistä toinen purkaus ennen kuin akku on täysin latautunut.

5. Varmista, että paketti täyttää edelleen suorituksenaikaisen tavoitteen toisessa tapahtumassa.

Akku, joka läpäisee vaiheen 2, mutta ei läpäise vaihetta 5, on liian pieni kyseiseen kohteeseen. Korjaus voi olla suurempi käyttökapasiteetti, suurempi lämmitin tai lämpimämpi akkutila. Jokaisella vaihtoehdolla on omat energiakustannuksensa, joten suunnittelijan tulisi vertailla niitä samalla lämpöbudjetilla.

Palautumistarkistus asettaa myös laturin tehon. Huoneenlämmössä lataukseen mitoitettu laturi voi jumiutua kylmärajaan. Se voi jättää akun osittain ladatuksi tuntikausia. Laturin ja lämmittimen sovittaminen odotettavissa olevaan kylmimpään lämpötilaan pitää palautumisjakson lyhyenä ja ennustettavana.

Osa 4: Litiumkemian vertailu

4.1 Kylmän sään akun varavirtalähteen kemiallinen sopivuus

Akun kemia asettaa kylmän sään lähtöpisteen ennen kuin suunnitteluun lisätään lämmitintä tai alennuskerrointa. Kennotason viitealueet auttavat insinöörejä ymmärtämään kompromisseja, mutta ne eivät koskaan takaa täyttä akkua. Alla oleva taulukko yhteenvetää tyypillisen alustajännitteen, ominaisenergian ja syklin käyttöiän kennotasolla.

LiFePO4 toimii hyvin kylmän sään kohteissa, joissa syklit ja vaihtovirta ovat usein tarpeen ja jotka vaativat pitkän käyttöiän. Sen tasainen jännitekäyrä ja korkea syklien määrä tekevät siitä hyvän valinnan ulkokäyttöön tarkoitetuille ohjauskaapeille infrastruktuuri-, liikenne- ja turvallisuusjärjestelmissä. NMC antaa korkeamman ominaisenergian, kun kotelointitila on ahdas, kuten kompakteissa kamerapylväissä. LCO sopii kuluttajaluokan elektroniikkaan, jossa syklit ja vaihdot ovat kevyitä. LMO sopii kustannusherkkiin sovelluksiin, joissa syklit ja vaihdot ovat kohtalaisia. C1D2-luokiteltu LiFePO4-pakkaus on vahva valinta kylmän sään öljy- ja kaasuteollisuuden UPS-käyttöön, jossa sekä vaarallisen sijainnin luokituksella että syklien käyttöiällä on merkitystä.

4.2 Vaatimustenmukaisuus, kustannukset ja rakennusautomaatiojärjestelmän näkökohdat

Vaatimustenmukaisuus ja kustannukset riippuvat sovelluksesta. Räjähdysvaarallisiin tiloihin tarkoitetut kaapit tarvitsevat mitoitusyksikön, ja yllä oleva C1D2-esimerkki osoittaa, kuinka LiFePO4 täyttää kyseisen standardin. Kuljetuspaikoilla saattaa olla lisälistausvaatimuksia. LiFePO4 maksaa monilla markkinoilla enemmän kWh:ta kohden kuin LMO, mutta sen käyttöikä jakautuu useammille katkoksille, mikä aiheuttaa kustannuksia.

Akkujen hallintajärjestelmä kantaa suuren osan kylmän sään aiheuttamasta kuormasta. Epever huomauttaa, että matalan lämpötilan lataussuoja estää latauksen alle 0 °C:ssa, mikä estää litiumpinnoituksen, ja että jotkin järjestelmät lämmittävät akkua ennen latauksen alkamista. PatSnap Eureka lisää, että tarkka tilan arviointi, kennojen tasapainotus ja litiumpinnoituksen tunnistus tarvitsevat kaikki lämpötilatietoisia algoritmeja.

Osa 5: Vaiheittainen kokoesimerkki

5.1 Työskennellyn käyttöajan ja palautumisen laskenta

Turvakaappi käyttää 2 kWh päivässä, ja kohteen on kestettävä kolmen päivän sähkökatkos. Peruskatkosenergia on 2 kWh päivässä kerrottuna 3 päivällä eli 6 kWh. 20 %:n puskurivaraus nostaa luvun 7.2 kWh:iin käytettävissä olevaa energiaa huoneenlämmössä. Tämä on lähtökohta, ei lopullinen vastaus.

Kylmätehonalennus ja lämmittimen kulutus muuttavat nyt lukuja. 0 °C:n lämpötilassa akku tuottaa noin 80 % nimelliskapasiteetistaan, joten huonelämpötilan luku jaetaan 0.8:lla ja nousee 9 kWh:iin. Kylmempi paikka pahentaa tilannetta; Battery University raportoi noin 50 %:n kapasiteetin –18 °C:ssa. 100 W:n termostaattinen lämmitin, joka toimii 72 tunnin sähkökatkon aikana, lisää 7.2 kWh, mikä lähes kaksinkertaistaa kulutuksen. Suunnittelija tarkistaa sitten palautumisen: BMS estää latauksen alle 0 °C:n lämpötilassa, joten latauskello käynnistyy vasta sen jälkeen, kun lämmitin on lämmittänyt kennot. Kylmän sään varavirtalähde tarvitsee siksi akun, joka on mitoitettu sekä katkosenergialle että lämmittimen energialle, ja laturin, joka on mitoitettu kylmälle säälle.

5.2 Validointi toistuvien käyttökatkosten avulla

Penkkilaskenta ei todista mitään, ennen kuin pakkaus selviää työmaalta. Validointi noudattaa tiettyä järjestystä:

1. Kylmäliota pakkausta odotettavissa olevassa alhaisimmassa työmaan lämpötilassa.

2. Purkaus mitatulla kuormituksella, mukaan lukien lämmittimen kulutus, koko katkosikkunan ajan.

3. Lataa akku samoissa kylmissä olosuhteissa ja kirjaa ylös täyteen lataukseen kuluva aika.

4. Aloita toinen purkaus ennen kuin akku on täysin latautunut.

5. Varmista, että suorituksenaikainen kohde on edelleen voimassa toisen tapahtuman aikana.

Pakkaus, joka läpäisee vaiheen 2, mutta ei läpäise vaihetta 5, tarvitsee enemmän käyttökapasiteettia, suuremman lämmittimen tai lämpimämmän osaston. Jokaisella pakkauksella on omat energiakustannuksensa, joten vertaa niitä yhden lämpöbudjetin perusteella.

Mitoituskaava pysyy samana ensimmäisestä luonnoksesta lopulliseen kokoonpanoon: käytettävissä oleva energia on kuorman teho kerrottuna käyttöajalla jaettuna kylmäalennuskertoimella plus puskuri. Kylmän sään akkuvarmistus tarvitsee myös toisen tekijän, palautumisvahvistuksen. Kylmäalennus kattaa katkoksen. Palautussuunnittelu kattaa sen jälkeiset tunnit, jolloin latauksen katkaisu 0 °C:ssa viivästyttää seuraavaa täyttä latausta.

Insinöörien tulisi käsitellä käyttöaikaa ja palautumista kahtena erillisenä suunnittelutarkastuksena. Akku, joka läpäisee yhden purkaustestin, voi silti epäonnistua toisessakin katkoksessa. Toistuva katkostestaus ennen käyttöönottoa paikaa tätä kuilua. Kemian valinnan tulisi noudattaa kohteen lämpötilaa, syklin kestoa ja vaatimustenmukaisuusvaatimuksia, ei yhtä oletusarvoa.

FAQ

Miten kylmä lämpötila muuttaa litium-akun käyttökelpoista kapasiteettia?

Litium-akku tuottaa vähemmän energiaa lämpötilan laskiessa. Artikkelissa todetaan, että akku voi tuottaa vain noin 80 % nimelliskapasiteetistaan ​​0 °C:n lämpötilassa ja noin 50 % –18 °C:n lämpötilassa. Suunnittelijoiden tulisi käyttää alennuskerrointa, joka perustuu kohteen odotettuun alimpaan liotuslämpötilaan, ei leudon talven keskiarvoon.

Miksi yksittäinen purkaustesti ei todista kylmän sään valmiutta?

Yksi purkaustesti vahvistaa vain käyttöajan. Talvimyrskyt aiheuttavat usein toisen katkoksen ennen akun latautumista. Pätevässä testissä akku kylmennetään, puretaan mitatulla kuormalla, ladataan kylmässä ja aloitetaan sitten toinen purkaus ennen täyttä latausta.

Miten lämmityslaitteiden kuormitus vaikuttaa energiabudjettiin?

Termostaattinen lämmitin lasketaan jatkuvaksi kuormaksi kylmimpinä tunteina. Käytännössä esimerkissä 100 W:n lämmitin lisää 72 tunnin katkon aikana 7.2 kWh, mikä lähes kaksinkertaistaa kulutuksen. Suunnittelijoiden tulisi mitoittaa paketti katkoenergian ja lämmittimen energian mukaan.

Miten 0 °C:n latausraja vaikuttaa palautumiseen?

Useimmat litium-akut estävät latauksen 0 °C:n lämpötilassa. Latauskello käynnistyy vasta, kun lämmitin lämmittää kennot kyseisen pisteen yläpuolelle. Insinöörien tulisi käsitellä katkaisua kovana porttina ja arvioida laturi kylmäikkunan mukaan.

Mikä litiumkemia sopii kylmän sään ohjauskaappiin?

Kemian tulisi noudattaa kohteen lämpötilaa, syklien käyttöikää ja vaatimustenmukaisuusvaatimuksia. LiFePO4 tarjoaa suuren syklimäärän ulkokaapeille, jotka syklaavat usein, kun taas NMC antaa suuremman ominaisenergian ahtaissa tiloissa. C1D2-luokiteltu LiFePO4-pakkaus sopii vaarallisiin tiloihin tarkoitettuihin teollisuus-UPS-tehtäviin.