Progettare la batteria di un portatile minerario a sicurezza intrinseca è un esercizio nel limitare l'energia invece che nel massimizzarla, e le regole della IEC 60079-11 per celle e batterie sono tra le più prescrittive dell'intera norma. Questo secondo articolo sviluppa un pacco nichel-metallo idruro sigillato per una lampada da casco e un rilevatore personale di metano che devono essere certificati Ex ia I Ma. Percorre i requisiti della norma sulle batterie — l'uso di tipi di cella riconosciuti, il controllo della tensione massima e della corrente di cortocircuito prospettica, la protezione in serie contro i guasti delle celle e il divieto di scintille durante collegamento o sostituzione nell'area pericolosa — e li traduce in un pacco concreto: celle abbinate, un fusibile in serie infallibile e dispositivi limitatori di corrente o di blocco dimensionati sulle curve di accensione del metano, incapsulamento o un contenitore sigillato che impedisce cortocircuiti accidentali e fuoriuscita di elettrolita, protezione contro la carica inversa delle singole celle e un progetto meccanico che sopravvive alla miniera. Poi dimensiona la capacità per il turno di undici ore con una riserva di allarme garantita, specifica il caricabatterie — che, come la maggior parte della carica, avviene solo fuori dall'area pericolosa — e pone il NiMH candidamente accanto ai suoi concorrenti: i blocchi piombo-acido delle vecchie lampade da casco, pesanti e contenenti acido, e le chimiche al litio, a elevata densità energetica ma sottoposte a una valutazione di sicurezza intrinseca e di fuga termica assai più impegnativa. L'articolo è volutamente onesto su dove il litio vince e sul perché, per molti dispositivi indossati del Gruppo I, la minore tensione per cella, il robusto comportamento agli abusi e il più semplice caso di sicurezza del NiMH sigillato lo rendano una scelta difendibile e favorevole alla certificazione.
La IEC 60079-11 vincola strettamente le batterie: possono essere usate solo celle e batterie di un tipo coperto da specifiche riconosciute; la massima tensione a vuoto determina le curve di sicurezza intrinseca rispetto alle quali è valutato il resto del circuito; e la corrente di cortocircuito prospettica deve essere limitata così che un cortocircuito totale ai terminali del pacco non possa produrre una scintilla incendiaria. I pacchi ricaricabili richiedono inoltre misure contro la ricarica inversa di una cella durante la scarica e contro celle collegate in parallelo in modi che consentano uno scambio di corrente incontrollato.
La norma disciplina anche come una batteria viene collegata e sostituita: un connettore che potrebbe essere separato nell'area pericolosa deve essere esso stesso non incendiario, e nelle progettazioni a massima protezione il pacco è fisso e inglobato, apribile solo in un'area sicura. Queste clausole definiscono l'architettura del pacco prima che inizi qualsiasi calcolo di capacità.
La progettazione a sicurezza intrinseca parte dall'uscita nel caso peggiore della batteria e procede verso l'esterno. Le celle in serie fissano la tensione massima; per il NiMH, 1,2 V nominali per cella significano una tensione del pacco modesta per una lampada da casco o un rilevatore, il che tiene il progetto nella parte favorevole delle curve di accensione del Gruppo I. Un fusibile in serie infallibile, spesso duplicato o combinato con un resistore limitatore di corrente o un dispositivo di blocco, limita la corrente di cortocircuito prospettica al di sotto della soglia incendiaria anche con un guasto, e ogni capacità o induttanza nel pacco e nel cablaggio è tenuta al di sotto dei limiti di energia immagazzinata consentiti.
Questi componenti di protezione devono essi stessi soddisfare i requisiti di infallibilità della norma — dimensionati per la corrente di guasto, separati e, ove necessario, incapsulati, così che un singolo guasto non possa vanificarli. La prima figura animata ripercorre questo flusso di progettazione dalla selezione delle celle al bilancio energetico di guasto convalidato; l'analisi è sempre eseguita nella condizione di massima carica e tensione appena raggiunta, che è il caso peggiore per l'accensione per scintilla.
I portatili minerari sono inglobati (potted) o sigillati così che le connessioni interne non possano essere toccate, cortocircuitate da detriti o allentate dalle vibrazioni, e così che, nel raro caso di sfiato di una cella, nessun elettrolita raggiunga l'utente o un percorso conduttivo. L'incapsulamento secondo i requisiti di costruzione pertinenti blocca celle, fusibile ed elementi limitatori in un unico assieme valutato; qualsiasi cambiamento del fornitore delle celle o del layout richiede allora una valutazione documentata rispetto al certificato.
La protezione contro l'inversione di cella è essenziale per le stringhe NiMH in serie: se una cella è esaurita prima delle altre, la stringa rimanente può portarla in inversione, per cui celle abbinate e consistenti per lotto, un taglio conservativo di fine scarica e, ove richiesto dalla norma, elementi di bypass o di blocco lo prevengono. Meccanicamente il pacco sopravvive a schiacciamento, caduta e ai cicli termici di un dispositivo indossato, con un'interfaccia a chiave e a scatto che non può essere montata male al buio della lampisteria.
La capacità è dimensionata dal profilo di carico LED e sensori misurato per superare l'autonomia certificata — undici ore con il fascio principale sopra la soglia di illuminamento richiesta in una lampada da casco, rilevamento continuo con allarmi affidabili in un rilevatore — con declassamenti per bassa temperatura di miniera, autoscarica tra le cariche e capacità a fine vita dopo il numero di cicli nominale (le lampade certificate puntano a oltre 500 cicli e una ricarica sotto le dieci ore). Una riserva di allarme separata garantisce che l'allarme metano e l'avviso di batteria scarica restino disponibili dopo che all'operatore è stato chiesto di ricaricare.
Poiché il caricabatterie funziona nella lampisteria fuori dall'area pericolosa, il NiMH può usare un profilo di carica semplice e supervisionato — corrente controllata con terminazione -delta-V o di picco, riserve di temperatura e timer — senza il vincolo di caricare in una zona di grisù, e il caricabatterie di flotta può registrare le tendenze di capacità e resistenza interna per ritirare i pacchi prima che la loro autonomia scenda sotto la soglia certificata.
Il piombo-acido è la chimica storica delle lampade da casco: economica e tollerante, ma pesante per un dispositivo indossato sulla testa, contenente acido, debole al freddo e di vita relativamente breve, il che è in conflitto con gli obiettivi ergonomici e di progettazione sigillata. Le celle agli ioni di litio e al litio primarie offrono la più alta densità energetica e la più lunga autonomia per grammo, ma il loro caso di sicurezza intrinseca è sostanzialmente più difficile: l'alta tensione per cella sposta il progetto verso l'alto sulle curve di accensione, e il valutatore deve anche affrontare i guasti interni delle celle e la propagazione termica con protezione aggiuntiva, ridondanza e talvolta una minore fiducia di protezione delle apparecchiature — un grave onere per un dispositivo di sicurezza della vita Ex ia Ma.
Il NiMH sigillato si colloca a un punto di mezzo pragmatico: gli 1,2 V per cella e la limitata corrente di guasto prospettica agevolano la progettazione di limitazione dell'energia, non contiene acido libero, tollera i cicli di temperatura di miniera e l'uso quotidiano poco profondo, è meccanicamente robusto, e viene spedito secondo le regole di trasporto per i prodotti non al litio. La seconda figura animata valuta le chimiche sugli assi che contano per i portatili del Gruppo I; il litio rimane giustificato dove il peso minimo è fondamentale e l'ingegneria di sicurezza aggiuntiva è accettata, mentre il NiMH è spesso la scelta più rapida da certificare, più tollerante agli abusi e a minor rischio di ciclo di vita per una flotta di lampade da casco e rilevatori.
Prima della certificazione il pacco è validato al banco rispetto al carico reale lampada-sensori, a temperatura e a fine vita; il fusibile e gli elementi limitatori sono provati mediante applicazione deliberata di guasto per confermare che corrente di cortocircuito ed energia della scintilla restino sotto le soglie del Gruppo I; le prove di inversione di cella e scarica profonda confermano la protezione; e caduta, vibrazione e cicli termici verificano l'incapsulamento e le connessioni. L'autonomia è misurata rispetto ai requisiti di illuminazione di undici ore e di riserva di allarme, non alla capacità della scheda tecnica delle celle.
Il risultato è un pacco caratterizzato e a costruzione controllata, con un bilancio energetico di guasto documentato, una curva autonomia-temperatura e una distinta base (BOM) certificata — l'esatto artefatto richiesto dalla campagna di prove di tipo IECEx/ATEX nell'articolo finale, e la base su cui un OEM può specificare il NiMH con fiducia in uno strumento Ex ia I Ma.
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