Les lampadaires solaires à batterie au lithium peuvent-ils être utilisés dans les régions froides ?

 

Lampadaires solaires à batterie au lithiumpeut être utilisé dans les régions froides, mais la sélection ne doit pas être basée uniquement sur la composition chimique de la batterie ou sur sa capacité nominale. Les basses températures en hiver affectent la capacité disponible d'une batterie, ses performances de charge et de décharge et sa sécurité de charge. Dans ce blog, nous expliquons comment les basses températures affectent les lampadaires solaires à batterie au lithium et ce qu'il faut prendre en compte lors de la sélection, de la conception et de la maintenance des systèmes pour les régions froides.

 

1. Lampadaires solaires à batterie au lithium par temps froid : peuvent-ils fonctionner de manière fiable ?

Les lampadaires solaires peuvent fonctionner dans des environnements froids, mais l’hiver est souvent la saison clé pour déterminer si le système a été correctement conçu. Les basses températures ralentissent les réactions électrochimiques à l’intérieur de la batterie et augmentent la résistance au transfert de charge. En conséquence, la batterie peut fournir moins d’énergie utilisable même si sa capacité nominale reste la même. Dans des conditions extrêmes, il peut ne pas se charger ou se décharger comme prévu. Dans le même temps, des heures de clarté plus courtes, un angle d'ensoleillement plus faible et un temps nuageux ou enneigé prolongé peuvent réduire l'énergie efficace générée par les panneaux solaires. Le système doit donc faire face à la fois à des températures basses et à une énergie de charge réduite.

 

Les batteries au plomb, au lithium fer phosphate (LiFePO₄) et autres batteries lithium-ion sont toutes affectées par les basses températures. Le degré d’impact dépend de la chimie cellulaire, de la conception, du processus de fabrication, de l’état de vieillissement et de la stratégie de contrôle. Il n’est pas exact de dire qu’un type de batterie est plus performant dans toutes les applications par temps froid. Il est particulièrement important de faire la distinction entre la décharge et la charge à basse température : certaines batteries peuvent encore se décharger à basse température, tandis que leur plage de températures de charge autorisée peut être plus restrictive. Charger en dehors de la plage de température spécifiée peut provoquer des dommages irréversibles à la batterie ou créer des risques pour la sécurité.

 

 

Pour cette raison, les équipes de projet doivent regarder au-delà de la question : « Cette lumière peut-elle fonctionner en dessous de zéro ? » Ils doivent également déterminer la température minimale du site, les conditions solaires hivernales, la durée de l'éclairage nocturne, les jours consécutifs attendus de temps nuageux ou enneigé et la période d'autonomie requise, puis confirmer que l'ensemble du système peut fonctionner dans ces conditions.

 

2. Lampadaires solaires à batterie au lithium : comment choisir des batteries pour les régions froides ?

Commencez par consulter la documentation technique des cellules et de la batterie, y compris leurs plages de températures de charge, de décharge et de stockage autorisées. Ne vous fiez pas uniquement aux spécifications indiquées sur la page d'un produit cellulaire. Confirmez que les paramètres indiqués s'appliquent à la batterie finie et que le BMS, le contrôleur et la stratégie de charge sont compatibles avec les cellules.

 

Pour l'approvisionnement du projet, demandez les spécifications, les conditions et les résultats des tests à basse température pour le modèle exact considéré. Confirmez également que les échantillons testés correspondent aux produits fournis pour le projet.

 

Les formats de cellules, les compositions chimiques et les applications varient selon le marché. Des apparences ou des noms de modèles similaires n'indiquent pas nécessairement des performances similaires à basse température. Les cellules de puissance sont souvent conçues pour un rendement plus élevé, mais une « cellule de puissance » n'est pas automatiquement adaptée aux climats extrêmement froids. La sélection doit être basée sur les spécifications du fabricant pour le modèle de cellule exact, y compris sa plage de température de fonctionnement, ses performances de charge et de décharge à basse température et les limites de sécurité, et non simplement sur des étiquettes telles que « qualité automobile » ou « cellule à basse température ».

 

 

Les lampadaires solaires équipés de batteries au lithium nécessitent également un système de gestion de batterie (BMS) compatible. Sur la base des spécifications des cellules, le BMS doit gérer les risques tels que la surcharge, la décharge excessive, la surintensité, les courts-circuits et les problèmes liés à la température. Si les cellules ne doivent pas être chargées à basse température, le système de contrôle doit limiter ou arrêter la charge lorsque la batterie atteint le seuil de température spécifié. Pour les projets dans des climats extrêmement froids, une solution avec surveillance de la température ou chauffage des batteries peut également être envisagée. Cependant, le chauffage consomme de l'énergie et doit être inclus dans les calculs globaux de la puissance des panneaux solaires, de la capacité des batteries et de la demande d'éclairage nocturne. Il ne doit pas être traité comme un module complémentaire ne nécessitant aucune autre conception du système.

 

3. Lampadaires solaires à batterie au lithium : comment les boîtiers, l'installation et l'isolation affectent les performances

Changer l'environnement de fonctionnement de la batterie est un moyen de lutter contre les basses températures. Dans certains projets d’éclairage public traditionnels, les batteries sont installées sous terre, où des températures du sol relativement stables peuvent contribuer à réduire les fluctuations de température. Toutefois, l’installation souterraine n’est pas une solution universelle. Les considérations de conception comprennent la profondeur du gel local, le niveau de la nappe phréatique, le drainage, l'imperméabilisation, l'accès pour l'entretien, la sécurité structurelle et les exigences de construction applicables. Si une enceinte de batterie souterraine est utilisée, l'enceinte et les connexions électriques doivent répondre aux exigences environnementales, et la conception doit permettre l'inspection et le remplacement. Le simple fait d’enterrer la batterie plus profondément ne garantit pas une fiabilité à long terme.

 

Pour les installations hors sol, le matériau du boîtier, la structure, l'étanchéité et l'isolation doivent être évalués comme un système complet. L'aluminium conduit la chaleur plus facilement que le plastique et certains autres matériaux, mais les performances réelles dépendent également de la conception du boîtier, de l'épaisseur de la paroi, des joints, de la méthode de montage et de l'espace interne. Lorsqu'une isolation est nécessaire, des matériaux d'isolation appropriés ou une solution de chauffage par batterie peuvent être sélectionnés sur la base de calculs. La dissipation thermique, la condensation, le drainage et la sécurité incendie doivent également être pris en compte. Une isolation mal conçue peut empêcher la batterie de dissiper efficacement la chaleur pendant la journée ou provoquer une accumulation d’humidité.

 

 

For lithium batteries, the BMS, wiring, connectors, and seals also require attention. The enclosure should protect these components in accordance with site conditions while allowing for future inspection. Design documents should specify the enclosure location, operating temperature range, cable-entry sealing, inspection procedures, and replacement process. Simply stating "aluminum enclosure" or "insulation added" is not a complete design specification.

 

4. Lampadaires solaires à batterie au lithium : pourquoi les batteries sont-elles sensibles au froid ?

Les basses températures entravent tout d’abord le transport des ions à travers l’électrolyte et aux interfaces. À mesure que la température baisse, l'électrolyte devient plus visqueux et peut se solidifier partiellement, réduisant ainsi sa conductivité ionique et ralentissant le mouvement des ions lithium.

 

La compatibilité entre l'électrolyte, l'électrode négative et le séparateur peut également se détériorer. Pendant ce temps, du lithium métallique peut se déposer à la surface de l'électrode négative et réagir avec l'électrolyte. Les dépôts résultants peuvent épaissir la couche d’interphase d’électrolyte solide (SEI). La diffusion du lithium-ion au sein des matériaux actifs ralentit également, tandis que la résistance au transfert de charge (Rct) augmente considérablement. Une capacité réduite, une dégradation plus rapide, une capacité de débit plus faible, un placage de lithium accru et un déséquilibre entre l'insertion et l'extraction du lithium peuvent tous résulter de ces effets combinés.

 

 

Une inadéquation des tarifs de transport peut encore accroître la polarisation. Lorsque le transport des électrons à travers le circuit externe et le transport des ions à l’intérieur de la batterie ne correspondent plus, la polarisation augmente et la capacité de charge et de décharge peut chuter fortement. Une charge à basse température peut également augmenter le risque de formation de dendrites de lithium. Certains rapports indiquent qu'à −20 degrés, la capacité de décharge d'une batterie lithium-ion peut représenter environ 31,5 % de sa capacité à température ambiante. Les batteries lithium-ion conventionnelles ont généralement une plage de températures de fonctionnement d'environ -20 degrés à +55 degrés, tandis que des applications telles que l'aérospatiale, la défense et les véhicules électriques peuvent nécessiter un fonctionnement à des températures aussi basses que -40 degrés. Les performances à basse température sont donc un facteur important à prendre en compte.

 

L'électrolyte et la couche SEI ont une influence directe. La conductivité électrolytique est étroitement liée à la viscosité du solvant, au degré de dissociation sel de lithium et au transport des ions. À basse température, une bonne fluidité du solvant et un transport plus rapide des ions aident la batterie à fournir une plus grande capacité. La résistance de la couche SEI est également une des sources d'impédance à basse température. Cependant, certains chercheurs affirment que la forte augmentation de la résistance à la diffusion du Li⁺, plutôt que la couche SEI seule, est le principal facteur limitant les performances à basse température.

 

Les performances à basse température varient considérablement selon les matériaux cathodiques. Pour les matériaux cathodiques en couches, le plateau de décharge et la capacité diminuent à mesure que la température baisse. Le spinelle LiMn₂O₄ est relativement peu coûteux, mais les changements dans la valence du manganèse et l'effet Jahn-Teller peuvent contribuer à l'instabilité structurelle. LiFePO₄ a une faible conductivité électronique et une diffusion limitée des ions lithium, ce qui peut augmenter la résistance interne et la polarisation à basse température, réduisant ainsi l'efficacité coulombienne et la tension de décharge. La modification du nanocarbone peut réduire sa sensibilité à la température. LiMnPO₄ a un potentiel de fonctionnement élevé mais une conductivité ionique encore plus faible ; en pratique, une partie du manganèse est souvent remplacée par du fer.

 

La dégradation à basse température peut être plus prononcée au niveau de l’électrode négative. Lors d'une charge et d'une décharge à haut débit à basse température, une polarisation importante peut provoquer un dépôt important de lithium métallique sur la surface de l'électrode négative. Les produits de réaction sont généralement peu conducteurs. La couche SEI peut également être plus affectée par les basses températures, tandis que les électrodes négatives à base de carbone peuvent avoir des difficultés à accueillir le lithium, contribuant ainsi à un déséquilibre entre charge et décharge.

 

 

Les processus de fabrication et la conception influencent également les performances à basse température. Une charge d’électrode plus faible et des revêtements plus fins peuvent améliorer la rétention de capacité dans certaines conditions. Une profondeur de décharge excessive peut entraîner une perte de capacité plus importante et une durée de vie plus courte. D'autres facteurs incluent la surface de l'électrode, la taille des pores, la densité de l'électrode, la mouillabilité de l'électrolyte, les propriétés du séparateur et les défauts des matériaux ou des processus de fabrication. La prise en charge des performances à basse température nécessite une couche SEI fine et dense, un coefficient de diffusion lithium-ion élevé dans les matériaux actifs et un électrolyte qui maintient une conductivité ionique élevée à basse température. Les batteries lithium-ion entièrement solides, en particulier les batteries à couches minces, sont également considérées comme un moyen potentiel d'atténuer la perte de capacité à basse température et les problèmes de sécurité en matière de cyclage.

 

5. Lampadaires solaires à batterie au lithium : que vérifier pour le fonctionnement et l’entretien hivernaux ?

Ne traitez pas une batterie au lithium par temps froid comme si elle fonctionnait à température ambiante. Lorsque la température est inférieure à 0 degré, évitez autant que possible de charger à l'extérieur. Si le chargement à l'intérieur est une option, déplacez la batterie à l'intérieur, mais gardez-la à l'écart des matériaux inflammables. À des températures inférieures à −20 degrés, certaines batteries peuvent passer en mode veille ou en mode protection. Les utilisateurs du nord et d'autres régions froides doivent donc vérifier les spécifications de la batterie. Si le chargement à l'intérieur n'est pas possible, utilisez la chaleur résiduelle de la batterie après la décharge et chargez-la au soleil dès que possible. Cela peut contribuer à augmenter la charge reçue et à réduire le risque de placage au lithium.

 

Ajustez vos habitudes de recharge en hiver. Rechargez rapidement lorsque le niveau de la batterie est faible et n'estimez pas l'autonomie hivernale en fonction des performances à des températures normales. Une activité réduite de la batterie par temps froid peut augmenter le risque de décharge excessive ou de surcharge. Lorsque le fabricant de la batterie le permet, utilisez une décharge superficielle et une charge superficielle. Ne laissez pas un véhicule connecté à un chargeur pendant de longues périodes et évitez les surcharges. Maintenez l'environnement de charge au-dessus de 0 degré, débranchez le chargeur une fois la charge terminée et restez à proximité pendant la charge.

 

Utilisez le bon chargeur et surveillez l’état de la batterie. Utilisez un chargeur spécialement conçu pour la batterie au lithium. N'utilisez pas de chargeurs de mauvaise qualité ou de chargeurs conçus pour les batteries au plomb. Si le chargeur ne fonctionne pas correctement, arrêtez immédiatement de l'utiliser. Les batteries ont une durée de vie limitée. Si le véhicule perd de la puissance de manière inattendue, si son autonomie devient inhabituellement courte ou si la batterie ne peut plus se charger ou se décharger normalement, contactez un technicien de réparation qualifié ou organisez un remplacement.

Laissez la batterie chargée et protégez-la pendant un stockage à long terme. Si la batterie n'est pas utilisée pendant une période prolongée, chargez-la entre 50 % et 80 %, retirez-la du véhicule, rangez-la dans un endroit sec et rechargez-la périodiquement, environ une fois par mois. Ne plongez pas la batterie dans l’eau et ne la laissez pas devenir humide. N'empilez pas plus de sept unités et ne stockez pas la batterie à l'envers.

 

 

Pour l'approvisionnement et l'acceptation, recherchez les résultats des tests à basse température, et pas seulement les spécifications à température ambiante. Demandez des données mesurées sur la rétention de la capacité de décharge à basse température et si la batterie peut fonctionner à -20 degrés ou même à -40 degrés. Examinez le système électrolytique, les sels et solvants de lithium, la formation de la couche SEI et la résistance au transfert de charge (Rct), l'épaisseur du revêtement de l'électrode et la stratégie de profondeur de décharge. Confirmez que le BMS fournit une coupure de charge, un déclassement ou une protection contre le sommeil à basse température ; que le boîtier de la batterie comprend une isolation ou un chauffage approprié et une protection contre l'humidité et la condensation ; et que le contrôleur et le chargeur dédié sont correctement adaptés. Demandez une documentation de test couvrant les risques de cyclage à basse température et de placage au lithium.

 

Lors de la réception, vérifiez que la protection de charge à basse température s'active réellement et que la rétention de capacité et les performances de tension répondent aux exigences du projet. Cela permet d’éviter qu’un système qui fonctionne bien à température ambiante mais tombe en panne par temps froid soit installé dans une région froide.

 

Note éditoriale : cette section source comprend des conseils sur les batteries de véhicules amovibles, telles que le transport de la batterie à l'intérieur pour la recharger. Pour un système de lampadaire solaire stationnaire, les limites de charge, les seuils de sommeil et les procédures de stockage doivent suivre les spécifications du modèle exact de batterie, de BMS et de contrôleur.

 

Conclusion

Lampadaires solaires à batterie au lithiumpeut être utilisé dans les régions froides lorsque le système est conçu pour les conditions hivernales du site. Vérifiez les limites de température et les données de test spécifiques de la batterie, assurez-vous que le BMS et le contrôleur fournissent une protection appropriée et tenez compte de la réduction de la charge solaire et de toute énergie de chauffage dans la conception du système. Suivez les instructions du fabricant pour le fonctionnement et l'entretien plutôt que d'appliquer des conseils généraux sur la batterie à chaque modèle.