Una volta compreso il profilo di carico di un nodo sensore ambientale, la progettazione del pacco diventa un atto di bilanciamento tra tre grandezze che tirano in direzioni diverse: l'energia che deve essere immagazzinata per sopravvivere al più lungo periodo senza recupero previsto, la potenza istantanea di cui la radio ha bisogno per trasmettere, e la corrente debole e intermittente che un piccolo recuperatore può realisticamente fornire. Un pacco ottimizzato solo per l'energia può abbassarsi sotto l'impulso di trasmissione; un pacco ottimizzato solo per l'impulso può essere sovradimensionato e sottocaricato da una debole fonte solare; un circuito di carica che presuppone un adattatore potente non riempirà mai un pacco da una traccia fotovoltaica indoor o invernale. Questo secondo articolo elabora quel bilanciamento per il nichel-metallo idruro, coprendo formato della cella e configurazione in serie, dimensionamento della capacità rispetto a un definito obiettivo di autonomia al buio, il serbatoio a condensatore che porta la raffica radio, la gestione della carica adattata a fonti deboli e intermittenti, il ruolo delle chimiche a bassa autoscarica, e le decisioni su freddo e layout che separano un nodo robusto da uno che funziona solo sul banco.
Il fabbisogno di capacità è fissato dal più lungo intervallo in cui il recuperatore non fornisce essenzialmente nulla – giornate nuvolose consecutive per un nodo fotovoltaico, incrostazione o seppellimento per altri recuperatori – moltiplicato per il carico mediato sul ciclo e un margine di sicurezza. Laddove i progetti pubblicati di boe e stazioni specificano comunemente sette o più giorni di autonomia senza ricarica, la stessa disciplina si applica su scala più piccola: definire la finestra di autonomia in ore, moltiplicare per corrente media e tensione di sistema per ottenere wattora, dividere per la profondità di scarica utilizzabile e aggiungere un margine per la perdita di capacità a bassa temperatura e l'invecchiamento.
Il NiMH tollera il ciclaggio profondo meglio di molte chimiche ricaricabili ma vive più a lungo quando non viene ripetutamente appiattito; il progetto deve quindi mirare a una profondità di scarica media bassa lungo la finestra di autonomia piuttosto che dimensionare fino al taglio assoluto. Poiché la cella è da 1,2 volt nominali, il numero in serie si sceglie per superare l'ingresso minimo di regolatore e radio attraverso la tensione di fine scarica; una singola AA o AAA è adatta a sistemi sotto 1,8 V e pacchi da due o tre celle alimentano rail da 2,4 V o 3,6 V tramite uno stadio buck-boost quando la radio richiede 3 volt o più.
Anche una cella NiMH a bassa impedenza trae vantaggio da un serbatoio locale quando l'impulso di trasmissione è corto e netto. Un condensatore – un supercondensatore per raffiche maggiori o un banco di ceramiche multistrato per nodi compatti – è mantenuto alla tensione del pacco tra le trasmissioni e si scarica nella radio durante la raffica da 50 a 150 mA. Il dimensionamento segue Q uguale C per delta-V: il condensatore deve trattenere abbastanza carica con un calo di tensione accettabile per fornire l'energia dell'impulso, dopodiché la cella NiMH lo ricarica lentamente durante il lungo intervallo di riposo.
Questa divisione del lavoro è ciò che rende praticabile una piccola capacità NiMH. La cella non deve mai erogare direttamente l'intera corrente di trasmissione, così il suo tasso di scarica effettivo resta vicino alla bassa media, l'efficienza migliora e calore e calo di tensione sono minimizzati. Il compromesso sono tempo di ricarica e dispersione: il serbatoio deve essere riempito entro il più breve intervallo tra raffiche, e la sua corrente di dispersione diventa parte del budget di riposo. Un confronto animato di un progetto solo cella e cella più serbatoio mostra quest'ultimo mantenere una tensione marcatamente più piatta attraverso la raffica a parità di capacità nominale della cella.
Un piccolo pannello fotovoltaico su un nodo ambientale non è per niente come un adattatore di rete: la sua uscita si muove con nuvolosità, angolo e incrostazione, crolla a zero ogni notte e può fornire solo milliwatt mediati su una giornata. Lo stadio di gestione della carica deve quindi operare un'estrazione di energia tipo punto di massima potenza a consumo molto basso, iniziare a caricare a una soglia di ingresso bassa, impedire la corrente inversa di notte e non imporre mai un profilo di carica che la cella NiMH non possa accettare da una traccia così debole.
Il NiMH è qui tollerante in modo utile: una carica a corrente costante controllata con una terminazione compensata in temperatura o un tetto di carica di mantenimento conservatore ben si adatta ai rabbocchi superficiali e intermittenti, e la chimica tollera il modesto sovraccarico che un semplice regolatore di recupero può applicare molto meglio di quanto una cella agli ioni di litio tolleri uno non controllato. I progettisti specificano comunque una finestra di temperatura di carica, un limite di corrente adattato alla capacità della cella e una terminazione -delta-V o dT/dt per ogni carica rapida sostanziale, con ripari a timer e temperatura. Il risultato è un pacco che assorbe ciò che il recuperatore offre senza richiedere la precisa disciplina di carica che il litio-ione esige.
L'autoscarica è una perdita di primo ordine in un dispositivo che può stare giorni tra ricariche significative, ed è la ragione per cui il NiMH ordinario ad alta capacità ha storicamente deluso nei ruoli di standby solare. Le formulazioni a bassa autoscarica – la stessa tecnologia che le schede dati valutano capace di ritenere circa il 75 per cento della carica dopo dodici mesi – cambiano quel calcolo trattenendo l'energia recuperata lungo lunghi intervalli fiocchi. La loro capacità nominale per cella leggermente inferiore è di solito uno scambio utile per la perdita calendario molto più piccola in un nodo a basso ciclo di lavoro.
Il modello di bilancio energetico deve includere l'autoscarica come carico parallelo, non una nota in calce: nella peggiore settimana invernale il pacco perde sia l'energia di carico sia un termine di dispersione calendario, e il recuperatore deve coprire entrambi. Scegliere un grado LSD, mantenere il pacco a uno stato di carica moderato ove possibile ed evitare l'alta temperatura prolungata riducono quel termine parassita e fanno corrispondere la previsione di autonomia al comportamento sul campo.
I nodi ambientali vivono all'aperto, e capacità e tensione NiMH scendono al crescere della resistenza interna al freddo; l'effetto è modesto vicino al gelo ma diventa significativo sotto circa meno dieci/meno venti gradi Celsius. Le risposte progettuali includono dimensionare capacità extra per il mese più freddo, porre il pacco nell'involucro termicamente tamponato anziché esposto su un palo, usare il serbatoio a condensatore per coprire gli impulsi freddi quando l'impedenza della cella è massima, e – laddove un sito si avvicini al limite pratico del NiMH – aggiungere massa termica o selezionare una chimica a più ampio intervallo termico per le stazioni più estreme.
Il layout meccanico conta tanto quanto il progetto elettrico: le celle necessitano di ritenzione contro vibrazione ed espansione termica, linguette saldate o un supporto collaudato invece di contatti a molla nei siti ad alta vibrazione, un sensore di temperatura vicino alle celle per la terminazione di carica, e separazione dai circuiti radio che generano calore. La protezione conformale e un involucro sigillato adatto al sito tengono condensa e sale lontano dal pacco, legando direttamente il progetto del pacco al programma di protezione dall'ingresso trattato nell'articolo di qualificazione.
Riunire gli elementi segue una sequenza ripetibile: fissare la finestra di autonomia e il carico medio; scegliere il numero in serie dalla tensione del rail; ricavare la capacità da energia, profondità di scarica e declassamento a freddo; aggiungere e dimensionare il serbatoio di impulsi dall'energia di trasmissione e dal calo ammissibile; abbinare il caricatore di recupero alla più debole fonte realistica; selezionare una cella LSD; e disporre il pacco per robustezza termica e meccanica. Ogni passo produce un numero verificabile tramite misura invece di una raccomandazione generica.
La validazione riproduce poi il progetto rispetto al ciclo di lavoro reale sul banco: un'unità source-measure o un carico programmabile riproduce la forma d'onda riposo-campionamento-trasmissione, un simulatore solare o una fonte programmabile riproduce buone e cattive giornate invernali, e il progetto è giudicato sul fatto che il rail resti sopra il taglio attraverso ogni raffica e che lo stato di carica chiuda ogni bilancio di peggiore settimana non negativo. I progetti che superano quella riproduzione – e la qualificazione formale nell'articolo finale – sono quelli che sopravvivono anni su un palo, una boa o una stazione di monitoraggio remota.
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