Batteriespannung von Solarstraßenlaternen: Was ist der Unterschied zwischen 3,2 V und 12,8 V?

 

Bei der technischen Gestaltung kommunaler Straßenbeleuchtungs- und netzunabhängiger Solarenergiespeichersysteme ist die Definition der Betriebsspannung des Systems einer der wichtigen Ausgangspunkte für die Entwicklung eines elektrischen Entwurfs. In diesem Artikel werden die Batteriespannungen von Solarstraßenlaternen der Klassen 3,2 V, 12,8 V und 24 V verglichen, einschließlich Verkabelungsverlusten, BMS-Anforderungen und Projektauswahlfaktoren.

 

In der Marktkommunikation werden die Anwendungen von Systemen der 3,2-V-, 12,8-V- und 24-V-Klasse manchmal verwechselt. Wenn ein 3,2-V-Batteriesystem, das für die Garten- oder Wegebeleuchtung mit geringem Stromverbrauch vorgesehen ist, direkt in einem 8–12 m langen kommunalen Straßenbeleuchtungsprojekt verwendet wird, ohne die tatsächliche Last, das Konverterdesign, den Drahtquerschnitt und die Kabelführungslänge zu überprüfen, kann dies das Risiko von Spannungsabfall, Wärmeentwicklung und unzureichender Beleuchtungsstärke erhöhen und auch die langfristige Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen.

 

1. Die elektrischen Prinzipien: Wie sich die Betriebsspannung auf Systemverluste auswirkt

Bei der Gleichstromübertragung hängen Leitungsverluste vom Quadrat des Stroms und dem Widerstand des Leiters ab. Unter idealen Vergleichsbedingungen – bei gleicher Lastleistung und gleichem Leiterwiderstand und ohne Berücksichtigung von Effizienzunterschieden zwischen Leistungsumwandlungsschemata – reduziert eine Verdoppelung der Betriebsspannung den Strom um etwa die Hälfte und die Widerstandsverluste im Draht auf etwa ein Viertel. In einem realen System müssen auch Faktoren wie der Batteriespannungsbereich, die DC-DC-Umwandlung, die Effizienz des Controllers, die Leiterquerschnittsfläche und der Kontaktwiderstand berücksichtigt werden.

 

Das folgende Beispiel veranschaulicht ein typisches kommunales Beleuchtungsszenario:

 

Gehen Sie von einer tatsächlichen Leuchtenleistung von 80 W und einer Masthöhe von 10 m aus. Einschließlich des Auslegerarms und der Erdkabelzugabe beträgt die Gesamtlänge des Kabelkreises etwa 15 m. Dies ist eine vereinfachte Analyse; Tatsächliche Projekte sollten auf der Grundlage des Systemschaltkreises und der gemessenen Parameter berechnet werden.

 

 

Mit einem 3,2-V-Niederspannungsbatteriesystem:

Bei einer idealen Schätzung, die eine direkte 3,2-V-Versorgung annimmt und die Aufwärtswandlung ausschließt, würde eine 80-W-Last etwa 25 A verbrauchen, was relativ viel ist. Wenn der Leiterquerschnitt, die Kabellänge oder das Anschlussdesign nicht geeignet sind, können spürbare Leitungsverluste, Spannungsabfall und Temperaturanstieg auftreten, die möglicherweise die an die Leuchte abgegebene Leistung beeinträchtigen. In der Praxis können Solarstraßenlaternen die LEDs über einen Aufwärtswandler oder eine andere Energieumwandlungsmethode antreiben. Daher kann die Nennspannung der Batterie allein nicht ausschlaggebend dafür sein, ob die Leuchte ordnungsgemäß funktioniert; Außerdem müssen die Controller-Topologie, die Umwandlungseffizienz, der Drahtquerschnitt und das Schutzdesign überprüft werden.

 

Mit einem Batteriesystem der 12V-Klasse:

Bei gleicher Leistung und ohne Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten beträgt der geschätzte Strom etwa 6,7 ​​A und liegt damit unter dem Schätzwert für eine direkte 3,2-V-Versorgung. Eine ordnungsgemäß konzipierte Verkabelung und eine geeignete Steuerung können dazu beitragen, Leitungsverluste und Temperaturanstiege zu reduzieren. Die tatsächliche Leistung hängt immer noch von der Betriebsspannung, der Umwandlungsschaltung, der Verkabelung und den Lastparametern der Batterie ab.

 

Mit einem Batteriesystem der 24V-Klasse:

Unter den gleichen idealen Annahmen beträgt der Strom etwa die Hälfte des Stroms eines 12-V-Systems, wodurch die Widerstandsverluste in der Leitung weiter reduziert werden können. Bei Projekten mit längeren Kabelstrecken oder größeren Lasten kann eine höhere Spannung des Akkupacks helfen, Leitungsverluste zu kontrollieren. Bei der Konstruktion müssen jedoch auch die Effizienz der Steuerung, Isolations- und Schutzanforderungen, Kosten und Wartungsbedingungen berücksichtigt werden.

 

Technische Schlussfolgerung: Bei Projekten mit höherer tatsächlicher Leistung, höheren Masten oder längeren Kabelstrecken sollte die Eignung eines 3,2-V-Systems nicht ausschließlich anhand der Leistung oder der Masthöhe beurteilt werden. Die Versorgungstopologie, der Leitungsstrom und Spannungsabfall, die Steuerungsfähigkeit, die Anforderungen an die Beleuchtungsstärke und der elektrische Schutz sollten alle bewertet werden. Wenn in einem Projekt ein System der 12-V-Klasse oder der 24-V-Klasse verwendet wird, sollte dessen Konfiguration ebenfalls anhand der Last- und Standortbedingungen bestätigt werden.

 

2. Umfassender Vergleich der Schlüsselparameter über drei Systemtypen hinweg

Die folgende Tabelle bietet eine vorläufige Referenz für gängige Konfigurationen und Anwendungen. Es handelt sich nicht um einen festen Satz von Auswahlgrenzen für jedes Projekt. Die Batteriespannung der Solarstraßenlaterne, die Spannung des Solarmoduls und die Betriebsspannung der Leuchte können unterschiedlich sein; Die tatsächliche Konfiguration finden Sie im Systemschaltplan, in den Controller-Spezifikationen und in den Projektberechnungen.

 

3. Wie sich das Batteriemanagementsystem und die Zellenqualität auf die Systemleistung auswirken

In mehrreihigen Systemen (12-V-Klasse und 24-V-Klasse) hängt die Lebensdauer nicht nur von der Zellleistung ab, sondern auch von der Zellkonsistenz, der Packungsmontage, dem BMS-Design, der Temperatur sowie den Lade- und Entladestrategien.

 

Zellungleichgewicht und Unterschiede zwischen einzelnen Zellen: Wenn sich die Zellen in einem in Reihe geschalteten Batteriepack stark im Zustand unterscheiden, kann es mit der Zeit zu einem Ungleichgewicht in ihrem Ladezustand oder ihrer Spannung kommen. Die Verwendung von Zellen unterschiedlicher Herkunft, unterschiedlicher Gesundheitszustände oder unterschiedlicher Abbaugrade kann das Risiko eines Packungsungleichgewichts erhöhen. In einigen Fällen kann es vorkommen, dass eine einzelne Zelle den Schutz vorzeitig auslöst, wodurch die nutzbare Kapazität des gesamten Akkus verringert wird oder die Lichter früher als erwartet ausgeschaltet werden. Beim Kauf empfiehlt es sich, die Rückverfolgbarkeit der Zellen, die Sortierung und Zuordnung von Aufzeichnungen zu prüfen und zu prüfen, ob das BMS entsprechende Überwachungs- und Schutzfunktionen bietet.

 

Empfohlene Qualitätskontrollmaßnahmen auf Fertigungsebene: Für industrielle Batteriesysteme können folgende Anforderungen in den technischen Spezifikationen und Abnahmekriterien festgelegt und anschließend durch Dokumentation oder Stichprobenprüfungen überprüft werden:

 

• Priorisieren Sie neue Zellen mit nachvollziehbarer Herkunft. In den Lebensdauerspezifikationen sollten die Testbedingungen, Lade- und Entladeraten, Temperatur und Kapazitätserhaltungskriterien angegeben sein. Beispielsweise können einige Produkte unter bestimmten Testbedingungen 3.500 Zyklen oder mehr erreichen; Die tatsächliche Lebensdauer hängt von der Betriebsumgebung und der Nutzungsstrategie ab.

 

• Überprüfen Sie vor dem Zusammenbau des Packs die Anforderungen zum Testen und Anpassen von Zellen, einschließlich Kapazität, Leerlaufspannung und Innenwiderstand. Fordern Sie bei Bedarf unterstützende Unterlagen vom Lieferanten an.

 

• Abhängig von den Projektanforderungen können Batteriemodule mit einem BMS ausgestattet sein, das Überstrom-, Überladungs-, Tiefentladungs-, Kurzschluss- und Temperaturschutz bietet. Ein geeignetes BMS kann dazu beitragen, das Risiko eines abnormalen Betriebs zu verringern, ersetzt jedoch nicht die Zellqualitätskontrolle, das ordnungsgemäße Systemdesign, die Installation oder die Wartung.

 

 

4. Umfassende Auswahl- und Entwurfsberechnungen für kommunale Projekte

Bei der Entwicklung eines Elektroentwurfs für solare Straßenbeleuchtung können Konstrukteure und EPC-Projektmanager die folgenden Schritte befolgen:

 

Schritt 1: Ermitteln Sie die erforderliche Straßenbeleuchtung und den tatsächlichen Energieverbrauch über Nacht

Schätzen Sie die Batterieausgangsenergie für die ganze Nacht (Wh), indem Sie die tatsächliche Eingangsleistung der Leuchte mit ihrer Betriebszeit in jedem Zeitraum multiplizieren und dabei den Energieverbrauch nach dem intelligenten Dimmen später in der Nacht berücksichtigen. Berücksichtigen Sie auch Verluste in der Steuerungs- und Leistungsumwandlungsphase und überprüfen Sie die erforderliche Autonomiezeit für das Projekt.

 

Schritt 2: Nehmen Sie eine vorläufige Beurteilung der Systemspannung vor, basierend auf der Masthöhe, der tatsächlichen Leistung und den Verkabelungsbedingungen

• Für Lasten unter 35 W und Masthöhen bis 6 m kann ein kompaktes 3,2-V-System in Betracht gezogen werden. Überprüfen Sie den Spitzenstrom, die Kabellänge, den Drahtquerschnitt und das Umrechnungsschema.

 

• Für Lasten von 40–80 W und Masthöhen von 6–9 m kann ein System der 12-V-Klasse in Betracht gezogen werden, vorbehaltlich einer Überprüfung anhand der tatsächlichen Last und des Netzspannungsabfalls.

 

• Für Lasten von 80–150 W oder mehr oder Masthöhen über 9 m kann ein System der 24-V-Klasse als mögliche Option in Betracht gezogen werden. Vergleichen Sie es mit den Projektspezifikationen, den Controller- und Batteriemanagementanforderungen, dem Netzspannungsabfall und den Lebenszykluskosten.

 

Schritt 3: Bestimmen Sie die Solarpanel-Spezifikationen basierend auf der geringeren Solarverfügbarkeit im Winter

Berechnen Sie die erforderliche Spitzenleistung der Solarmodule anhand der effektiven Solarstunden des Projektstandorts, der saisonalen Schwankungen, der Installationsbedingungen der Module und der Lade-/Umwandlungseffizienz. Überprüfen Sie auch die Energiebilanz des Systems an aufeinanderfolgenden bewölkten oder regnerischen Tagen.

 

Schritt 4: Wählen Sie den Baustahlmast basierend auf Windlasten und Standortbedingungen aus

Abhängig von den Designanforderungen kommen Stahlsorten wie Q235B oder Q355 in Betracht. Überprüfen Sie den Korrosionsschutz anhand der geltenden Feuerverzinkungsnormen und Projektzeichnungen. Die Dicke der Zinkbeschichtung sollte entsprechend dem Bauteil, den geltenden Normen und den Projektspezifikationen bestimmt werden. Wenn ein Wert wie 86 μm angegeben wird, sollte seine Grundlage klar angegeben und bei der Abnahmeprüfung überprüft werden.

 

Abschluss

Bei netzunabhängigen Solarbeleuchtungssystemen geht es bei der Auswahl der Batteriespannung für Solarstraßenlaternen um mehr als nur den Vergleich von Spezifikationen; Es wirkt sich auch auf Leitungsverluste, Controller- und Batteriekonfiguration, Wartung und Betriebszuverlässigkeit aus. Das System sollte durch Berechnung und Verifizierung auf der Grundlage der tatsächlichen Last, der Standortbedingungen, der Systemtopologie und der geltenden Standards ausgewählt werden – und nicht nur auf der Nennspannung der Batterie, der Polhöhe oder einem einzelnen Leistungsschwellenwert.