Разработка накопительного банка для плавающего монитора означает преобразование архитектуры предыдущей статьи в конкретные числа и физический корпус, выдерживающий солёную воду. Разработчик должен выбрать, сколько ячеек и в каком расположении, сколько запасённой энергии обеспечивает целевое число пасмурных дней, как пакет подаёт импульсы двигателя и радиостанции без просадки, как контроллер солнечной зарядки обращается с NiMH-банком иначе, чем с литиевым, и как весь узел собран, чтобы противостоять влажности, конденсату и коррозии, которые разрушают более слабые пакеты на воде. Эта вторая статья прорабатывает эти решения для никель-металлгидрида: перевод цели семидневной автономности и шины типа двенадцать вольт в последовательно-параллельный пакет, расчёт локального импульсного накопителя, задание подходящего для моря режима зарядки, выбор ячеек с низким саморазрядом, проектирование коррозионностойкой и виброзащищённой конструкции, а также добавление резервирования и мониторинга, позволяющих бую продолжать передавать достоверные гидрологические данные даже тогда, когда ветвь или ячейка начинает стареть.
Расчёт начинается с требования автономности, а не с шины. Возьмите усреднённую за цикл нагрузку в ваттах, умножьте на двадцать четыре часа и на целевое число пасмурных дней – семь у многих коммерческих буёв, больше в высокоширотных или муссонных развёртываниях – чтобы получить ватт-часы, которые банк должен выдать при незначительной подзарядке, затем разделите на используемую глубину разряда, ватт-час на ячейку и понижающий коэффициент на температуру и календарное старение. Результат – минимальная параллельная ёмкость; число последовательных ячеек отдельно задаётся шиной системы.
Номинальная шина двенадцать вольт естественно строится из десяти NiMH-ячеек последовательно (10 по 1,2 В), с добавлением параллельных ветвей для ёмкости; шины регистраторов на более низкое напряжение используют меньше ячеек с преобразователем. Поскольку напряжение конца разряда NiMH на ячейку близко к одному вольту, разработчик проверяет, что регулятор всё ещё работает в нижней точке пакета, а не на номинале. Заложить энергию одной-двух дополнительных параллельных ячеек дешевле, чем поездка на лодке для спасения буя, у которого происходит провал напряжения в первую же плохую неделю.
Многоячеечные NiMH-пакеты должны собираться из подобранных ячеек, поскольку последовательные ветви сильны лишь настолько, насколько силён их самый слабый член: рассогласование ёмкости и импеданса приводит к тому, что одни ячейки первыми достигают пустоты, а другие поглощают непропорциональный перезаряд во время солнечного долива. Закупка подобранных, отсортированных ячеек и использование одинаковых сварных соединений поддерживает единообразное поведение ветвей. NiMH прощает перезаряд лучше, чем литий-ион, что является реальным преимуществом в простой морской системе зарядки, но подбор всё равно определяет достижимый ресурс циклов.
Параллельные ветви увеличивают ёмкость и обеспечивают плавную деградацию – если одна ветвь слабеет, остальные несут нагрузку –, тогда как число последовательных ячеек определяет напряжение. Конструкция пакета документирует ориентацию ячеек, сварку лепестков, изоляцию между ветвями и доступные контрольные точки, чтобы стареющие ветви можно было диагностировать во время визитов обслуживания. Эта модульная, подобранная конструкция и есть то, что позволяет бую выдавать номинальную автономность год за годом, а не только в новом состоянии.
Средняя нагрузка определяет размер энергобанка, но пусковой ток двигателя стеклоочистителя или насоса и импульс передачи сотовой радиостанции могут кратковременно потребовать в несколько раз больше этой средней. Как и в проектировании сенсорных узлов, локальный накопитель – суперконденсатор или банк конденсаторов с низким ESR, удерживаемый на шине – подаёт мгновенный импульс, тогда как NiMH-ветви подзаряжают его между событиями. Расчёт использует энергию импульса и максимально допустимое падение напряжения, а накопитель размещается физически близко к нагрузке, чтобы минимизировать импеданс контура.
На буе это важнее, чем на суше, поскольку слабый сотовый сигнал у кромки воды заставляет радиостанцию передавать дольше и на большей мощности – именно тогда, когда холодный или частично разряженный NiMH-пакет имеет наивысший импеданс. Правильно рассчитанный накопитель предотвращает сбросы регистратора и неудачные загрузки, не вынуждая весь банк быть завышенным по размеру ради импульса длительностью в долю цикла, экономя вес и объём на платформе, где оба ограничены.
Морской контроллер зарядки для NiMH-банка отличается от системы управления литиевой батареей: нет необходимости в жёстком ограничении напряжения каждой ячейки, требуемом литий-ионом, но контроллер всё равно должен ограничивать зарядный ток ёмкостью ячеек, завершать или снижать полный заряд с помощью -delta-V, роста температуры или безопасного таймера, предотвращать ночной обратный ток и управлять частыми поверхностными доливками, которые на воде являются нормальным состоянием. Консервативный профиль с температурной компенсацией защищает банк от жары плавающего корпуса.
Поскольку платформа заряжается повторно и поверхностно, а не проходит жёсткие циклы, контроллер настроен удерживать банк в его здоровой средней полосе и считать полный заряд редким событием, а не ежедневной целью. Блокировка зарядки при низкой температуре устанавливается на номинальный предел ячейки; примечательно, что NiMH может принимать некоторый заряд ниже точки замерзания там, где литий-ион не может, – преимущество в развёртываниях в холодной воде, которое подробнее рассматривается в статье о метеостанциях. Контроллер также сообщает состояние заряда и здоровья, чтобы береговая платформа могла пометить деградирующий банк до того, как он вызовет пробел в данных.
Механический корпус – место, где морские пакеты выживают или терпят отказ. Ячейки располагаются за барьером корпуса IP68 в сухом, осушаемом отсеке; соединения сварные, а не подпружиненные, чтобы выдерживать непрерывное движение; шины и лепестки имеют коррозионностойкое покрытие; каждый разъём рассчитан на окружающую среду и защищён от конденсата; а узел при необходимости покрывается защитным слоем или заливается компаундом, чтобы остановить проникновение соли. Заливка также фиксирует ячейки от вибрации и отводит тепло к корпусу.
Тепловое размещение избегает установки пакета у тёмных поверхностей, нагретых солнцем, поскольку продолжительный жар ускоряет календарное старение NiMH, но при этом позволяет умеренному теплу зарядки уходить. Барьеры влажности, осушитель в отсеке и вентиляция, выравнивающая давление без пропуска воды, дополняют корпус. Принцип – рассматривать коррозию и конденсат как переменные проектирования с первой компоновки, а не как полевые проблемы, обнаруживаемые после развёртывания.
Поскольку буй дорого посещать, резервирование закладывается в конструкцию: параллельные ветви деградируют плавно, отдельный резерв может удержать регистратор и последние известные данные при сбое, а контроллер записывает напряжение и температуру по ветвям, поэтому стареющая ячейка предсказывается, а не испытывается на себе. Интервалы обслуживания затем устанавливаются по реальным данным состояния здоровья, а большой ресурс циклов NiMH-банка удерживает эти интервалы длинными.
План валидации воспроизводит худший сценарий на стенде: программируемый источник имитирует семь тусклых солнечных дней, электронные нагрузки воспроизводят импульсы зонда, стеклоочистителя и радиостанции при холодных и тёплых температурах, а от пакета требуется удерживать шину через каждую загрузку и полностью восстановиться при возвращении инсоляции. Прохождение этого воспроизведения – вместе с формальной морской квалификацией в последней статье – и есть то, что превращает набор ячеек в накопительный банк, которому оператор может доверять на воде годами.
Weijiang Power проектирует и производит герметичные никель-металлгидридные ячейки и подобранные промышленные пакеты для удалённого, автономного и связанного с безопасностью оборудования, и поддерживает OEM-партнёров файлами характеристик IEC 61951-2, свидетельствами безопасности IEC 62133-2, описанием импульсных нагрузок, испытаниями в широком температурном диапазоне и совместной валидацией зарядного устройства/пакета. Сообщите нам ваш рабочий цикл, пиковый ток, температурный диапазон, цель автономности и стандарты, которым должно соответствовать ваше изделие, и наши инженеры подберут комбинацию ячейки-и-пакета, защищающую время работы, надёжность и срок службы. Ознакомьтесь с ассортиментом на странице продуктов.
