Il documento A di questa serie ha ricostruito il profilo di carico della batteria all'interno dei terminali portatili marini AIS e GMDSS: lunghe finestre di standby, brevi impulsi di trasmissione ad alta corrente e una batteria primaria regolamentare che deve essere pronta dopo anni in un armadio. Questo documento B passa dai principi alla selezione e alla progettazione del pacco. È rivolto all'ingegnere OEM e all'acquirente di apparecchiature marine che devono specificare un pacco batteria ricaricabile e un'interfaccia di ricarica per una radio VHF portatile quotidiana, di bordo o di addestramento, oppure per un dispositivo AIS portatile, senza confondere questo prodotto con la batteria di soccorso sigillata e datata che il Sistema globale di soccorso e sicurezza in mare (GMDSS) richiede effettivamente. Il calcolo del ciclo di lavoro, i numeri di capacità e le curve di tensione di questo documento sono esempi ingegneristici svolti, chiaramente contrassegnati come illustrativi; le norme e i riferimenti di autonomia sono citati dai documenti sorgente, e il valore certificato su qualsiasi apparecchio reale è sempre quello nel suo certificato di omologazione.
Punto chiave 1. La Risoluzione IMO MSC.149(77) e la norma IEC 61097-12 dimensionano la batteria primaria della VHF bidirezionale da imbarcazione di sopravvivenza per otto ore con un ciclo di lavoro 1:9 — sei secondi di trasmissione, sei secondi di ricezione sopra la soglia di apertura dello squelch e 48 secondi di ricezione al di sotto — alla massima potenza nominale. La guida britannica MSIS raccomanda almeno otto ore, preferibilmente 24 ore.
Punto chiave 2. L'AIS-SART è disciplinato dalla norma IEC 61097-14, allineata alla IMO MSC.246(83), utilizzando la raccomandazione ITU-R M.1371 sui canali AIS 161.975 MHz e 162.025 MHz; campioni commerciali rappresentativi di AIS-SART trasmettono per circa 96 ore con litio primario sigillato, e i campioni personali AIS-MOB funzionano per circa 48 ore a 1 W.
Punto chiave 3. Una cella NiMH sigillata ha una tensione nominale di 1,2 V, quindi sei celle in serie danno 7,2 V e otto celle danno 9,6 V; la capacità del pacco si dimensiona dalla corrente media del ciclo di lavoro e dalla tensione a freddo a fine vita, non dalla sola corrente di picco di trasmissione.
Punto chiave 4. Le celle NiMH portatili sigillate sono specificate dalla norma IEC 61951-2 per le prestazioni, dalla norma IEC 62133-1 per la sicurezza dei sistemi al nichel e dalla norma UN 3496 per il trasporto, e la disposizione speciale IATA A199 conferma che il NiMH non è soggetto alle restrizioni delle merci pericolose al litio; le radio portatili marine sono comunemente sigillate a IPX7 secondo la norma IEC 60529 (immersione a 1 m).
Punto chiave 5. La batteria di soccorso regolamentare, datata e al litio primario, non può essere sostituita da un pacco NiMH ricaricabile. Ad esempio, l'Icom BP-234 è un pacco al litio primario da 9,0 V e 3300 mAh, classificato IPX7 quando installato, e deve essere usato con l'IC-GM1600E per soddisfare il GMDSS. Il NiMH sigillato serve le radio quotidiane, di bordo e di addestramento che vivono nelle basi di ricarica.
La decisione di selezione più importante arriva prima di qualsiasi calcolo di capacità: decidere quale batteria sia realmente il pacco. L'apparecchio di soccorso sigillato — la VHF bidirezionale da imbarcazione di sopravvivenza portata per la zattera, l'AIS-SART montato nel suo supporto e il segnalatore AIS-MOB sul giubbotto di salvataggio — è disciplinato da una norma regolamentare di prestazione e viene fornito con una batteria al litio primario sigillata e datata, con un sigillo di testimone o non sostituibile. Quella batteria deve essere pronta dopo due o più anni di conservazione per la VHF, e tipicamente sei-otto anni sui segnalatori AIS rappresentativi, e viene sostituita alla data di scadenza. Non è ricaricabile, e un pacco NiMH ricaricabile non deve essere venduto come suo sostituto.
L'applicazione ricaricabile legittima è tutto ciò che circonda quell'apparecchio sigillato: la VHF portatile quotidiana usata su plancia, coperta e battello di lavoro, l'AIS portatile portato per il trasferimento del pilota e l'ormeggio, la flotta di addestramento e i portatili GMDSS «dotazione completa» che i costruttori consegnano con un pacco ricaricabile e una base, accanto al primario sigillato. Queste radio sono caricate, usate, scambiate e riutilizzate ogni giorno, e la guida di armonizzazione GMDSS incoraggia attivamente un uso pratico frequente. Il NiMH sigillato si adatta bene a questo ruolo perché tollera l'uso brusco e la scarica poco profonda, offre una risposta impulsiva piatta e prevedibile, non contiene litio ai fini del trasporto e si riprende dopo l'esposizione al freddo che disturberebbe profondamente una chimica a impedanza più alta. La tabella seguente fissa il confine prima dell'inizio del lavoro di progettazione.
| Apparecchio e ruolo | Chimica della batteria e base di progettazione |
|---|---|
| VHF bidirezionale da imbarcazione di sopravvivenza (unità di soccorso sigillata) | Litio primario sigillato; sigillo di testimone e data; 8 h a 1:9 secondo MSC.149(77)/IEC 61097-12; conservazione pluriennale; es. Icom BP-234 9,0 V / 3300 mAh, IPX7 |
| Segnalatori regolamentari AIS-SART e AIS-MOB | Litio primario sigillato; campioni di circa 96 h SART e 48 h MOB; secondo IEC 61097-14, MSC.246(83), ITU-R M.1371; conservazione pluriennale |
| VHF portatile quotidiana / di bordo / di addestramento | NiMH sigillato o Li-ion ricaricabile; caricato nella base, ciclatto e usato; dimensionato sul servizio di guardia, non su anni di conservazione |
| AIS portatile / manuale per plancia e battello di lavoro | NiMH sigillato o Li-ion ricaricabile; alimentato in servizio dalla nave o dalla base; stesso profilo pulsato da standby a trasmissione della radio di sopravvivenza |
| Caso di riserva alcalino / a pile a secco | Molte radio accettano un vano AA sigillato (es. LR6 × 5); utile riserva di emergenza, ma non un sostituto del primario regolamentare datato |
Una VHF portatile assorbe tre correnti molto diverse. In trasmissione deve fornire la corrente dietro l'uscita RF — circa 1 A su un portatile 2 W rappresentativo — più i carichi di logica e audio. In ricezione sopra la soglia di apertura dello squelch può assorbire circa 120-200 mA, e a riposo, sotto squelch o in standby, può assorbire solo 20-50 mA. Il trama di carico dell'imbarcazione di sopravvivenza della norma IEC 61097-12 è un modello pratico e conservativo anche per la radio quotidiana: sei secondi di trasmissione, sei secondi di ricezione sopra lo squelch e 48 secondi al di sotto, ripetendosi ogni 60 secondi. La corrente media del ciclo di lavoro è la somma ponderata di questi stati su un trama:
I_avg = (6 s × I_tx + 6 s × I_rx + 48 s × I_stdby) / 60 s
Con valori illustrativi di 1,0 A in trasmissione, 0,15 A in ricezione attiva e 0,03 A in standby, la media è (6 × 1,0 + 6 × 0,15 + 48 × 0,03) / 60 = 8,34 / 60 = 0,139 A, ovvero circa 139 mA. La carica lorda che il pacco deve fornire è allora la corrente media moltiplicata per l'obiettivo di autonomia. L'obiettivo regolamentare VHF è otto ore, mentre la guida britannica MSIS per le radio di sopravvivenza operative è di almeno otto ore e preferibilmente 24; un progettista accorto di pacchi quotidiani usa la cifra delle 24 ore come obiettivo preferito, perché una radio quotidiana che non sempre viene riportata nella base deve comunque sopravvivere a una lunga guardia. A 139 mA, otto ore richiedono circa 1,11 Ah di carica lorda e 24 ore circa 3,34 Ah. Questi sono valori precedenti al declassamento; la capacità di cella scelta al passo 3 sarà maggiore.
Figura 1. Il flusso di selezione e dimensionamento in sei fasi per un pacco ricaricabile di portatile marino (sequenza di progettazione illustrativa, non una procedura di un costruttore).
Prima di scegliere la capacità, la lunghezza della serie deve corrispondere alla finestra di tensione della radio e alla sua soglia di spegnimento per batteria scarica. Una cella NiMH sigillata ha nominalmente 1,2 V, raggiunge circa 1,42 V a fine carica fresca ed è considerata scarica vicino a 1,0 V. La maggior parte dei portatili marini commerciali sono costruiti intorno a una di due classi di tensione. Una radio di classe 7,2 V, che ha la stessa tensione nominale di un pacco Li-ion a due celle (l'Icom BP-265 è un esempio Li-ion 7,2 V), corrisponde a sei celle NiMH in serie; il pacco a sei celle va da circa 8,5 V fresco a circa 6,0 V scarico. Una radio di classe 9 V, compresi i progetti il cui primario regolamentare è l'Icom BP-234 da 9,0 V, corrisponde a otto celle NiMH in serie, andando da circa 11,4 V fresco a circa 8,0 V scarico. I rami paralleli si aggiungono poi solo per capacità e ripartizione della corrente, non per tensione.
| Configurazione NiMH | Tensione nominale / fresca / scarica | Classe radio tipica |
|---|---|---|
| 6S (6 celle in serie) | 7,2 V / 8,5 V / 6,0 V | VHF portatile di classe 7,2 V (equivalente comune Li-ion 2S); lo spegnimento deve stare sotto la tensione d'impulso a freddo 6S |
| 8S (8 celle in serie) | 9,6 V / 11,4 V / 8,0 V | Radio di classe 9 V e sostituzioni del primario 9 V (es. classe BP-234 9,0 V) |
| Aggiungere rami paralleli (nP) | Tensione invariata; capacità e corrente d'impulso condivise | 2P, 3P usati per raggiungere la capacità di guardia e dimezzare la corrente d'impulso per cella |
Il progettista del pacco deve verificare la reale soglia di spegnimento della radio piuttosto che assumerla. Una soglia troppo alta dichiara morta la batteria mentre resta capacità utilizzabile; una soglia troppo bassa rischia la scarica profonda delle celle durante una lunga trasmissione a freddo. Le celle della serie devono essere accoppiate dallo stesso lotto di produzione, e il pacco deve essere costruito in modo che una cella debole o invertita non possa essere spinta in inversione profonda durante una lunga guardia.
La carica lorda del passo 1 non è la capacità nominale della cella, perché il pacco deve fornire quella carica a fine vita, su un ponte freddo, con un impulso di trasmissione che affonda la tensione e un margine di progettazione trattenuto. Applicando fattori illustrativi — circa 0,85 di capacità utilizzabile a -20 °C, circa 0,85 al punto di fine vita nominale e un margine di progettazione 1,15 — si ottiene una frazione utilizzabile combinata di circa 0,63. L'obiettivo di otto ore da 1,11 Ah richiede dunque un pacco nominale di circa 1,8 Ah, e l'obiettivo preferito di 24 ore da 3,34 Ah richiede circa 5,3 Ah. In pratica, un progettista li raggiunge con celle AA standard ad alta corrente o celle sub-C e SC più grandi: una singola serie di sei AA ad alta corrente (circa 2,0 Ah) soddisfa solo marginalmente la cifra di otto ore dopo declassamento a freddo e vita, quindi un pacco 6S2P AA (circa 4,0 Ah) è il progetto confortevole per otto ore, e un pacco 6S3P AA (circa 6,0 Ah) o un pacco 6S2P sub-C/SC ad alta capacità soddisfa la cifra preferita di 24 ore.
| Obiettivo di autonomia (illustrativo) | Carica lorda a 139 mA | Nominale dopo fattore ~0,63 | Pacco rappresentativo |
|---|---|---|---|
| 8 h (minimo regolamentare VHF) | ~1,11 Ah | ~1,8 Ah | 6S1P AA alta corrente marginale; 6S2P AA (~4,0 Ah) confortevole |
| 24 h (operativo preferito) | ~3,34 Ah | ~5,3 Ah | 6S3P AA (~6,0 Ah) o 6S2P sub-C/SC ad alta capacità |
Gli impulsi di trasmissione sono la seconda ragione per sovradimensionare. Su una serie da 1 A, 7,2 V, una singola cella AA da 2,0 Ah è sollecitata a circa 0,5 C in una raffica di trasmissione; ciò è alla portata di una cella ad alta corrente ma produce una caduta di tensione visibile a bassa temperatura, e la caduta è più profonda a fine guardia, quando lo stato di carica è già basso. Il progettista specifica dunque celle ad alta corrente e bassa resistenza interna, aggiunge un ramo parallelo per dimezzare la corrente d'impulso per cella, e verifica che la tensione del pacco alla fine dell'impulso più freddo e a fine vita resti sopra la soglia della radio. La curva di tensione illustrativa seguente mostra il pacco che declina lentamente nell'arco di una guardia di 24 ore con affossamenti periodici di trasmissione, restando sopra la soglia; la curva reale è specifica della radio e della cella e deve essere misurata, non assunta.
Figura 2. Tensione del pacco lungo una guardia di 24 ore con impulsi di trasmissione periodici; il pacco è dimensionato per restare sopra la soglia durante l'impulso più freddo a fine vita (illustrativo, non misurato).
La strategia di ricarica fa parte del prodotto batteria, non un'aggiunta successiva. Il rilevamento di carica completa NiMH si basa sulla caratteristica caduta di tensione -delta V e sull'aumento di temperatura dT/dt, supportati da un timer di sicurezza; per una base marina, dove l'affidabilità conta più della velocità, il metodo conservativo è una carica controllata a 0,1 C notturna (circa 14-16 ore) con una carica di mantenimento da C/20 a C/40 in seguito, abbastanza dolce da lasciare la radio inserita senza surriscaldare le celle. La ricarica deve essere inibita al di fuori di circa 0-45 °C, in modo che un pacco rientrato da un ponte gelato o da un contenitore zattera caldo possa tornare alla temperatura ambiente prima di caricare; il pacco porta tipicamente una termistora affinché la base possa imporlo. La base accetta i 12 V o 24 V CC della nave tramite un modulo di carica, usa contatti resistenti alla corrosione o placcati oro che non si bloccheranno nell'aria salata, e mantiene la tenuta IPX7 quando la radio è inserita.
All'interno del pacco, le celle usano linguette saldate anziché clip a molla, celle accoppiate, guaine termoretraibili e isolamento agli urti, così che le prove di caduta e vibrazione delle norme IEC 60945 e IEC 61097-12 non aprano una connessione; un fusibile termico o un dispositivo di protezione ripristinabile protegge da cortocircuito esterno e sovracorrente, e l'involucro usa una guarnizione, una via di sfiato e un robusto ferma-celle. L'involucro esterno è lo stesso della radio di sopravvivenza: intervallo di funzionamento da -20 a +55 °C, immersione fino al requisito IPX7 della norma IEC 60529 (1 m per 30 minuti; l'apparecchio di sopravvivenza stesso soddisfa 1 m per almeno 5 minuti secondo la norma IEC 61097-12), resistenza alla nebbia salina e impiego da parte di personale con guanti da tuta di immersione. Ognuna di queste caratteristiche è specificata affinché la radio quotidiana si comporti come l'apparecchio di sicurezza che supporta.
Un pacco NiMH ricaricabile per radio marine quotidiane segue un percorso di conformità chiaro ma deliberatamente limitato. Le celle stesse sono specificate dalla norma IEC 61951-2 per prestazioni e dimensioni delle celle NiMH portatili sigillate e dalla norma IEC 62133-1 per la sicurezza di celle e batterie sigillate contenenti nichel; l'involucro dell'apparecchio è IEC 60945 per ambiente ed EMC e IEC 60529 per il codice IP. Il trasporto è semplice: le batterie NiMH sono spedite sotto il riferimento UN 3496, e la disposizione speciale IATA A199 le considera non soggette alle regole sulle merci pericolose al litio, purché i terminali siano protetti dal cortocircuito — un vantaggio pratico significativo rispetto al litio per un OEM che spedisce per via aerea radio e parti di ricambio. L'apparecchio di soccorso regolamentare stesso porta però il marchio a ruota MED ai sensi della Direttiva europea sulle equipaggiamenti marini 2014/90/EU, e tale approvazione è legata all'apparecchio sigillato completo con la sua batteria primaria datata. Un pacco NiMH ricaricabile non estende né sostituisce quella fonte di soccorso marcata a ruota, e le due non devono essere mescolate su un disegno, una scheda tecnica o un'affermazione di marketing.
| Aspetto | Riferimento per il pacco NiMH quotidiano ricaricabile |
|---|---|
| Prestazioni e dimensioni delle celle | IEC 61951-2 (celle NiMH portatili sigillate cilindriche, prismatiche e a bottone) |
| Sicurezza di celle e batterie | Sicurezza nichel IEC 62133-1; prove di trasporto allineate alla pratica della IEC 62281 |
| Ambiente e penetrazione | IEC 60945 ambiente marino/EMC; IEC 60529 IPX7 (1 m / 30 min); nebbia salina, -20 a +55 °C |
| Trasporto | UN 3496; disposizione speciale IATA A199 — non soggetta alle restrizioni del litio; proteggere i terminali |
| Confine di soccorso regolamentare | Il marchio a ruota MED ai sensi della Direttiva 2014/90/EU resta con l'apparecchio sigillato e il suo litio primario datato; non sostituito dal NiMH |
No. La VHF bidirezionale sigillata da imbarcazione di sopravvivenza è tenuta dalla IMO MSC.149(77) e dalla norma IEC 61097-12 a portare una batteria primaria datata che eroghi otto ore a 1:9 dopo anni di conservazione, tipicamente un pacco al litio primario sigillato come l'Icom BP-234 (9,0 V / 3300 mAh, IPX7 quando installato). Il NiMH sigillato è destinato alle radio quotidiane, di bordo, di addestramento e a dotazione completa, caricate nelle basi e usate regolarmente, non alla fonte di soccorso sigillata regolamentare.
A partire dalla corrente media del ciclo di lavoro su un trama di 60 secondi: I_avg = (6 × I_tx + 6 × I_rx + 48 × I_standby) / 60. Con correnti illustrative di 1,0 A, 0,15 A e 0,03 A si ottengono circa 139 mA. Moltiplicare per l'obiettivo di autonomia (8 h, o preferibilmente 24 h secondo la guida britannica MSIS) e poi dividere per il fattore combinato di temperatura a freddo, fine vita e margine di progettazione, che vale circa 0,63 nell'esempio svolto. Questo produce un pacco nominale di circa 1,8 Ah per 8 h o 5,3 Ah per 24 h, prima di scegliere una configurazione di celle standard.
Ogni cella NiMH sigillata ha nominalmente 1,2 V. Sei celle in serie danno 7,2 V (circa 8,5 V fresca, 6,0 V scarica) e si adattano a un portatile di classe 7,2 V, la stessa classe nominale di un pacco Li-ion 2S. Otto celle danno 9,6 V (circa 11,4 V fresca, 8,0 V scarica) e si adattano a una radio di classe 9 V come la classe di primario BP-234 da 9,0 V. I rami paralleli si aggiungono solo per capacità e ripartizione della corrente d'impulso, e la soglia di bassa tensione della radio deve essere verificata contro la tensione del pacco a freddo a fine vita.
Sì, con un declassamento consapevole. La bassa temperatura aumenta la resistenza interna e riduce la capacità disponibile e la tensione a fine impulso, quindi i progettisti usano celle ad alta corrente e bassa resistenza, sovradimensionano il pacco, aggiungono rami paralleli per ridurre la corrente d'impulso per cella e confermano che la radio non raggiunga mai la soglia durante l'impulso di trasmissione più freddo a fine vita. I pacchi devono essere caricati solo dopo essere tornati a circa 0-45 °C, non quando sono congelati.
Non per la funzione regolamentare. Gli AIS-SART secondo le norme IEC 61097-14 e MSC.246(83) sono progettati per circa 96 ore di trasmissione e gli AIS-MOB personali per circa 48 ore, dopo anni di conservazione senza esercizio, motivo per cui i campioni commerciali usano litio primario sigillato (ad esempio McMurdo SmartFind S5A, AMEC PLOMO-500 e SAILOR 5052). Una chimica ricaricabile non può garantire quella disponibilità; l'AIS ricaricabile si limita ai transponder portatili alimentati e caricati dalla nave o dalla base.
Usare la IEC 61951-2 per le prestazioni delle celle NiMH portatili sigillate, la IEC 62133-1 per la sicurezza dei sistemi al nichel, la IEC 60945 per ambiente marino ed EMC, la IEC 60529 per la penetrazione IPX7, e la UN 3496 con la disposizione speciale IATA A199 per il trasporto aereo, che non impone le restrizioni sulle merci pericolose al litio. L'apparecchio di soccorso completo porta il marchio a ruota MED ai sensi della Direttiva 2014/90/EU; tale approvazione non si trasferisce al pacco ricaricabile.
Norme e riferimenti di prestazione: Risoluzione IMO MSC.149(77) e IEC 61097-12 (VHF bidirezionale da imbarcazione di sopravvivenza; 8 h a 1:9; durata di conservazione del primario); Risoluzione IMO MSC.246(83) e IEC 61097-14 (AIS-SART); raccomandazione ITU-R M.1371 (caratteristiche tecniche AIS, 161.975 / 162.025 MHz); IEC 61108 (GNSS); IEC 62287 (AIS di bordo classe A/B); IEC 60945 (ambiente ed EMC di apparati di navigazione e radio marini); IEC 60529 (codice IP, IPX7); IEC 61951-2 (celle NiMH portatili sigillate); IEC 62133-1 (sicurezza delle celle al nichel); UN 3496 e disposizione speciale IATA A199 (trasporto NiMH); Direttiva europea 2014/90/EU (equipaggiamenti marini, marchio a ruota MED); UK MSIS capitolo 12 (guida 8 h minimo, 24 h preferite).
Dati di prodotti rappresentativi usati per ancorare il confine di chimica: Icom BP-234 (9,0 V, 3300 mAh, litio primario, IPX7, da usare con IC-GM1600E), Icom BP-265 (Li-ion 7,2 V), Icom BP-291 (vano LR6 AA × 5), McMurdo SmartFind S5A AIS-SART (circa 96 h, conservazione pluriennale), AMEC PLOMO-500 AIS-SART e SAILOR 5052 AIS-SART. Tutti i calcoli di capacità, corrente e tensione di questo documento sono esempi ingegneristici svolti contrassegnati come illustrativi; i valori certificati reali di qualsiasi apparecchio sono quelli del suo certificato di omologazione e della scheda tecnica.
Weijiang Power produce pacchi batteria NiMH sigillati e Li-ion e basi di ricarica per portatili OEM marini e industriali, compresi pacchi ricaricabili per radio VHF quotidiane e di addestramento e radio AIS portatili. Dimensioniamo ogni pacco dalla corrente media del ciclo di lavoro, abbiniamo la serie 6S o 8S alla finestra di tensione della radio, specifichiamo celle ad alta corrente per gli impulsi di trasmissione a freddo e progettiamo la base intorno a una carica terminata -delta V/dT o a 0,1 C, tenuta IPX7 e resistenza all'aria salata, seguendo il percorso IEC 61951-2, IEC 62133-1 e UN 3496 (IATA A199). Non sostituiamo la batteria di soccorso al litio primario sigillata e datata richiesta dal GMDSS; costruiamo l'hardware ricaricabile che mantiene addestrati gli equipaggi e operativa la flotta di radio quotidiana. Inviateci banda radio, potenza di trasmissione, ciclo di lavoro, finestra di tensione, intervallo di temperatura e obiettivo di autonomia, e dimensioneremo insieme pacco e interfaccia di ricarica. Nel documento C passiamo al regime di prove di tipo, certificazione e trasporto che il pacco finito e il suo apparecchio devono superare.
