Документ A этой серии описал профиль нагрузки аккумулятора внутри морских портативных терминалов AIS и GMDSS: длинные окна ожидания, короткие импульсы передачи с большим током и нормативную первичную батарею, которая должна быть готова после лет на полке. Документ B переходит от принципов к подбору и проектированию пакета. Он написан для инженера OEM и закупщика морского оборудования, которым нужно специфицировать перезаряжаемый аккумуляторный пакет и зарядный интерфейс для повседневной, судовой или учебной портативной VHF-радиостанции либо для портативного устройства AIS, не путая это изделие с герметичной датированной аварийной батареей, которую реально требует Глобальная морская система связи при бедствии (GMDSS). Арифметика рабочего цикла, цифры ёмкости и кривые напряжения в этом документе — это решённые инженерные примеры, явно помеченные как иллюстративные; стандарты и ориентиры автономности цитируются из исходных документов, а сертифицированное значение на любом реальном устройстве всегда указывается в его свидетельстве о типовом одобрении.
Ключевой факт 1. Резолюция IMO MSC.149(77) и стандарт IEC 61097-12 рассчитывают первичную батарею двусторонней УКВ-радиостанции спасательной шлюпки на восемь часов при коэффициенте 1:9 — шесть секунд передачи, шесть секунд приёма выше порога открытия шумоподавителя и 48 секунд приёма ниже — на максимальной номинальной мощности. Британское руководство MSIS рекомендует не менее восьми часов, предпочтительно 24 часа.
Ключевой факт 2. AIS-SART регулируется стандартом IEC 61097-14, согласованным с IMO MSC.246(83), с использованием рекомендации ITU-R M.1371 на каналах AIS 161.975 MHz и 162.025 MHz; репрезентативные коммерческие образцы AIS-SART передают около 96 часов на герметичной первичной литиевой батарее, а персональные образцы AIS-MOB работают около 48 часов при мощности 1 W.
Ключевой факт 3. Герметичный NiMH-элемент имеет номинальное напряжение 1,2 В, поэтому шесть элементов последовательно дают 7,2 В, а восемь — 9,6 В; ёмкость пакета рассчитывается по среднему току рабочего цикла и напряжению на холоде в конце срока службы, а не только по пиковому току передачи.
Ключевой факт 4. Портативные герметичные NiMH-элементы специфицируются стандартом IEC 61951-2 по характеристикам, стандартом IEC 62133-1 по безопасности никелевых систем и стандартом UN 3496 по перевозке; специальное положение IATA A199 подтверждает, что NiMH не подпадает под ограничения для литиевых опасных грузов; морские портативные радиостанции обычно герметизируются по степени IPX7 согласно стандарту IEC 60529 (погружение на 1 м).
Ключевой факт 5. Нормативную датированную аварийную первичную литиевую батарею нельзя заменить перезаряжаемым NiMH-пакетом. Например, Icom BP-234 — это первичный литиевый пакет 9,0 В / 3300 mAh, со степенью IPX7 в установленном виде, и он должен использоваться с IC-GM1600E для соответствия GMDSS. Герметичный NiMH обслуживает повседневные, судовые и учебные радиостанции, которые стоят в зарядных стаканах.
Самое важное решение по подбору принимается до расчёта ёмкости: определить, какой батареей пакет является на самом деле. Герметичное аварийное устройство — двусторонняя УКВ-радиостанция спасательной шлюпки, которую берут в плот, AIS-SART в креплении и буй AIS-MOB на спасательном жилете — регулируется нормативным стандартом на характеристики и поставляется с герметичной датированной первичной литиевой батареей с контрольной пломбой или несъёмным уплотнением. Эта батарея должна быть готова после двух или более лет хранения для УКВ и обычно шести-восьми лет на репрезентативных AIS-буях, и заменяется по истечении срока. Она не перезаряжается, и перезаряжаемый NiMH-пакет не должен продаваться как её замена.
Законное перезаряжаемое применение — это всё вокруг герметичного устройства: повседневная портативная УКВ на мостике, палубе и рабочей шлюпке, портативный AIS для проводки лоцмана и швартовки, учебный флот и портативные радиостанции GMDSS «полного комплекта», которые производители поставляют с перезаряжаемым пакетом и стаканом наряду с герметичным первичным. Эти радиостанции заряжают, тренируют, меняют и используют каждый день, а руководство по гармонизации GMDSS прямо поощряет частое практическое использование. Герметичный NiMH хорошо подходит для этой роли, поскольку переносит грубое обращение и неглубокий разряд, даёт плоский предсказуемый импульсный отклик, не содержит лития для целей перевозки и восстанавливается после холода, который серьёзно нарушил бы работу химии с большим импедансом. Таблица ниже задаёт границу до начала проектирования.
| Устройство и роль | Химия батареи и основа проектирования |
|---|---|
| Двусторонняя УКВ спасательной шлюпки (герметичное аварийное устройство) | Герметичный первичный литий; контрольная пломба и дата; 8 ч при 1:9 согласно MSC.149(77)/IEC 61097-12; многолетнее хранение; напр. Icom BP-234 9,0 В / 3300 mAh, IPX7 |
| Нормативные буи AIS-SART и AIS-MOB | Герметичный первичный литий; образцы около 96 ч SART и 48 ч MOB; согласно IEC 61097-14, MSC.246(83), ITU-R M.1371; многолетнее хранение |
| Повседневная / судовая / учебная портативная УКВ | Герметичный NiMH или перезаряжаемый Li-ion; заряжается в стакане, циклируется и тренируется; рассчитывается на вахту, а не на годы хранения |
| Портативный / ручной AIS для мостика и рабочей шлюпки | Герметичный NiMH или перезаряжаемый Li-ion; в работе питается от судна или стакана; тот же импульсный профиль от ожидания к передаче, что и у спасательной радиостанции |
| Резервный вариант на щелочных / сухих элементах | Многие радиостанции принимают герметичный отсек AA (напр. LR6 × 5); полезный аварийный резерв, но не замена датированной нормативной первичной батареи |
Портативная УКВ потребляет три очень разных тока. При передаче она должна отдать ток за ВЧ-выходом — около 1 А у репрезентативной портативной станции 2 W — плюс нагрузки логики и звука. При приёме выше порога открытия шумоподавителя она может потреблять около 120–200 mA, а в тихом состоянии, под шумоподавителем или в ожидании — лишь 20–50 mA. Кадр нагрузки спасательной шлюпки из стандарта IEC 61097-12 — удобная консервативная модель и для повседневной радиостанции: шесть секунд передачи, шесть секунд приёма выше шумоподавителя и 48 секунд ниже, повторяясь каждые 60 секунд. Средний ток рабочего цикла — это взвешенная сумма этих состояний за кадр:
I_avg = (6 s × I_tx + 6 s × I_rx + 48 s × I_stdby) / 60 s
При иллюстративных значениях 1,0 А на передаче, 0,15 А на активном приёме и 0,03 А в ожидании среднее равно (6 × 1,0 + 6 × 0,15 + 48 × 0,03) / 60 = 8,34 / 60 = 0,139 А, то есть около 139 mA. Валовая ёмкость, которую пакет должен отдать, — это средний ток, умноженный на целевую автономность. Нормативная цель для УКВ — восемь часов, а британское руководство MSIS для эксплуатационных спасательных радиостанций даёт не менее восьми часов, предпочтительно 24; разумный разработчик повседневных пакетов берёт 24 часа как предпочтительную цель, поскольку повседневная радиостанция, которую не всегда возвращают в стакан, всё же должна пережить долгую вахту. При 139 mA восемь часов требуют около 1,11 Ah валового заряда, а 24 часа — около 3,34 Ah. Это значения до снижения номинала; ёмкость элемента, выбранная на шаге 3, будет больше.
Рисунок 1. Шестиэтапный поток подбора и расчёта перезаряжаемого пакета для морской портативной станции (иллюстративная последовательность проектирования, а не процедура производителя).
Перед выбором ёмкости длина последовательной цепочки должна соответствовать диапазону напряжения радиостанции и порогу отключения при разряде. Герметичный NiMH-элемент номинально имеет 1,2 В, достигает около 1,42 В в конце свежей зарядки и считается разряженным около 1,0 В. Большинство коммерческих морских портативных станций построены вокруг одного из двух классов напряжения. Радиостанция класса 7,2 В, имеющая тот же номинал, что и двухэлементный Li-ion пакет (Icom BP-265 — пример Li-ion 7,2 В), соответствует шести NiMH-элементам последовательно; шестиэлементный пакет идёт от около 8,5 В свежим до около 6,0 В разряженным. Радиостанция класса 9 В, включая конструкции, у которых нормативная первичная батарея — Icom BP-234 на 9,0 В, соответствует восьми NiMH-элементам последовательно, от около 11,4 В свежим до около 8,0 В разряженным. Параллельные цепочки добавляются затем только ради ёмкости и распределения тока, не напряжения.
| Конфигурация NiMH | Напряжение номинальное / свежее / разряженное | Типовой класс радиостанции |
|---|---|---|
| 6S (6 элементов последовательно) | 7,2 В / 8,5 В / 6,0 В | Портативная УКВ класса 7,2 В (обычный эквивалент Li-ion 2S); порог отключения должен быть ниже импульсного напряжения 6S на холоде |
| 8S (8 элементов последовательно) | 9,6 В / 11,4 В / 8,0 В | Радиостанции класса 9 В и замена первичной батареи 9 В (напр. класс BP-234 9,0 В) |
| Добавление параллельных цепочек (nP) | Напряжение без изменений; ёмкость и импульсный ток разделяются | 2P, 3P применяются для достижения ёмкости вахты и снижения вдвое импульсного тока на элемент |
Разработчик пакета должен проверить реальный порог отключения радиостанции, а не предполагать его. Слишком высокий порог объявит батарею разряженной, пока ещё остаётся используемая ёмкость; слишком низкий порог рискует глубоким разрядом элементов при длинной передаче на холоде. Элементы в цепочке должны быть подобраны из одной производственной партии, а пакет собран так, чтобы слабый или переполюсованный элемент не мог быть загнан в глубокую инверсию во время долгой вахты.
Валовой заряд с шага 1 — это не номинальная ёмкость элемента, поскольку пакет должен отдать этот заряд в конце срока службы, на холодной палубе, при импульсе передачи, просаживающем напряжение, и с заложенным проектным запасом. Применение иллюстративных коэффициентов — около 0,85 используемой ёмкости при -20 °C, около 0,85 в номинальной точке конца срока службы и проектный запас 1,15 — даёт совокупную используемую долю около 0,63. Таким образом, цель 8 часов в 1,11 Ah требует номинального пакета около 1,8 Ah, а предпочтительная цель 24 часа в 3,34 Ah — около 5,3 Ah. На практике разработчик достигает этого стандартными AA-элементами с большим током или более крупными элементами sub-C и SC: одна цепочка из шести AA с большим током (около 2,0 Ah) лишь на пределе удовлетворяет восьмичасовому значению после холодового и ресурсного снижения, поэтому пакет 6S2P AA (около 4,0 Ah) — комфортная конструкция на 8 часов, а пакет 6S3P AA (около 6,0 Ah) или 6S2P sub-C/SC большой ёмкости удовлетворяет предпочтительному 24-часовому значению.
| Цель автономности (иллюстративно) | Валовой заряд при 139 mA | Номинал после коэффициента ~0,63 | Репрезентативный пакет |
|---|---|---|---|
| 8 ч (нормативный минимум УКВ) | ~1,11 Ah | ~1,8 Ah | 6S1P AA большого тока на пределе; 6S2P AA (~4,0 Ah) комфортно |
| 24 ч (предпочтительно в эксплуатации) | ~3,34 Ah | ~5,3 Ah | 6S3P AA (~6,0 Ah) или 6S2P sub-C/SC большой ёмкости |
Импульсы передачи — вторая причина завышать номинал. На цепочке 1 А, 7,2 В одиночный элемент AA 2,0 Ah нагружается примерно на 0,5 C в пачке передачи; это в пределах возможностей элемента с большим током, но даёт заметную просадку напряжения при низкой температуре, причём просадка глубже всего в конце вахты, когда состояние заряда уже низкое. Поэтому разработчик задаёт элементы с большим током и малым внутренним сопротивлением, добавляет параллельную цепочку для снижения вдвое импульсного тока на элемент и проверяет, что напряжение пакета в конце самого холодного импульса в конце срока службы остаётся выше порога радиостанции. Иллюстративная кривая напряжения ниже показывает, как пакет медленно снижается за 24-часовую вахту с периодическими провалами на передачу, оставаясь выше порога; реальная кривая зависит от радиостанции и элемента и должна измеряться, а не предполагаться.
Рисунок 2. Напряжение пакета за 24-часовую вахту с периодическими импульсами передачи; пакет рассчитан так, чтобы оставаться выше порога на самом холодном импульсе в конце срока службы (иллюстративно, не измерено).
Стратегия заряда — часть аккумуляторного изделия, а не запоздалая мысль. Определение полного заряда NiMH опирается на характерное падение напряжения -delta V и рост температуры dT/dt, подкреплённые таймером безопасности; для морского стакана, где надёжность важнее скорости, консервативный метод — управляемый ночной заряд 0,1 C (около 14–16 часов) с последующим поддерживающим зарядом C/20–C/40, достаточно мягким, чтобы оставлять радиостанцию в стакане без перегрева элементов. Заряд должен запрещаться вне диапазона около 0–45 °C, чтобы пакет, пришедший с морозной палубы или из тёплого контейнера плота, мог вернуться к комнатной температуре перед зарядкой; в пакете обычно есть термистор, чтобы стакан мог это обеспечить. Стакан принимает судовые 12 В или 24 В постоянного тока через зарядный модуль, использует коррозионностойкие или позолоченные контакты, которые не заклинят в солёном воздухе, и сохраняет уплотнение IPX7 при установленной радиостанции.
Внутри пакета элементы используют приваренные лепестки, а не пружинные зажимы, подобранные элементы, термоусадочные оболочки и ударную изоляцию, чтобы испытания на падение и вибрацию стандартов IEC 60945 и IEC 61097-12 не разорвали соединение; тепловой предохранитель или самовосстанавливающийся защитный элемент защищает от внешнего короткого замыкания и перегрузки по току, а корпус использует прокладку, канал газоотвода и надёжное крепление элементов. Внешняя оболочка та же, что у спасательной радиостанции: рабочий диапазон от -20 до +55 °C, погружение до требования IPX7 стандарта IEC 60529 (1 м в течение 30 минут; само спасательное устройство выдерживает 1 м не менее 5 минут согласно IEC 61097-12), стойкость к соляному туману и работа персонала в перчатках гидрокостюма. Каждая из этих характеристик задаётся, чтобы повседневная радиостанция вела себя как аварийное устройство, которое она дублирует.
Перезаряжаемый NiMH-пакет для повседневных морских радиостанций следует по ясному, но намеренно ограниченному пути соответствия. Сами элементы специфицируются стандартом IEC 61951-2 по характеристикам и размерам портативных герметичных NiMH-элементов и стандартом IEC 62133-1 по безопасности герметичных элементов и батарей, содержащих никель; оболочка оборудования — IEC 60945 по среде и ЭМС и IEC 60529 по коду IP. Перевозка проста: NiMH-батареи отправляются под номером UN 3496, а специальное положение IATA A199 считает их не подпадающими под правила для литиевых опасных грузов при условии защиты клемм от короткого замыкания — существенное практическое преимущество перед литием для OEM, отправляющего радиостанции и запчасти по воздуху. Однако само нормативное аварийное устройство несёт отметку штурвального колеса MED согласно европейской директиве по морскому оборудованию 2014/90/EU, и это одобрение привязано к полному герметичному устройству с его датированной первичной батареей. Перезаряжаемый NiMH-пакет не расширяет и не заменяет этот аварийный источник со штурвальной отметкой, и оба нельзя смешивать в чертёже, паспорте или маркетинговом утверждении.
| Аспект | Ссылка для повседневного перезаряжаемого NiMH-пакета |
|---|---|
| Характеристики и размеры элементов | IEC 61951-2 (портативные герметичные NiMH-элементы цилиндрические, призматические и кнопочные) |
| Безопасность элементов и батарей | Никелевая безопасность IEC 62133-1; транспортные испытания согласуются с практикой IEC 62281 |
| Среда и проникновение | IEC 60945 морская среда/ЭМС; IEC 60529 IPX7 (1 м / 30 мин); солёный туман, -20 до +55 °C |
| Перевозка | UN 3496; специальное положение IATA A199 — не подпадает под ограничения для лития; защитить клеммы |
| Граница нормативного аварийного устройства | Отметка штурвального колеса MED согласно директиве 2014/90/EU остаётся с герметичным устройством и его датированным первичным литием; не заменяется NiMH |
Нет. Герметичная двусторонняя УКВ спасательной шлюпки обязана по IMO MSC.149(77) и стандарту IEC 61097-12 нести датированную первичную батарею, обеспечивающую восемь часов при 1:9 после лет хранения, обычно герметичный первичный литиевый пакет, такой как Icom BP-234 (9,0 В / 3300 mAh, IPX7 в установленном виде). Герметичный NiMH предназначен для повседневных, судовых, учебных радиостанций и радиостанций полного комплекта, которые заряжаются в стаканах и регулярно тренируются, а не для нормативного герметичного аварийного источника.
От среднего тока рабочего цикла за 60-секундный кадр: I_avg = (6 × I_tx + 6 × I_rx + 48 × I_standby) / 60. При иллюстративных токах 1,0 А, 0,15 А и 0,03 А это около 139 mA. Умножьте на целевую автономность (8 ч или предпочтительно 24 ч согласно британскому руководству MSIS), затем разделите на совокупный коэффициент холодовой температуры, конца срока службы и проектного запаса, который в решённом примере равен около 0,63. Это даёт номинальный пакет около 1,8 Ah для 8 ч или 5,3 Ah для 24 ч до выбора стандартной конфигурации элементов.
Каждый герметичный NiMH-элемент номинально имеет 1,2 В. Шесть элементов последовательно дают 7,2 В (около 8,5 В свежим, 6,0 В разряженным) и подходят портативной станции класса 7,2 В — тому же номиналу, что и пакет Li-ion 2S. Восемь элементов дают 9,6 В (около 11,4 В свежим, 8,0 В разряженным) и подходят радиостанции класса 9 В, такой как класс первичной батареи BP-234 на 9,0 В. Параллельные цепочки добавляются только ради ёмкости и распределения импульсного тока, а порог отключения при низком напряжении радиостанции должен проверяться относительно напряжения холодного пакета в конце срока службы.
Да, при сознательном снижении номинала. Низкая температура повышает внутреннее сопротивление и снижает доступную ёмкость и напряжение в конце импульса, поэтому разработчики используют элементы с большим током и малым сопротивлением, завышают номинал пакета, добавляют параллельные цепочки для снижения импульсного тока на элемент и подтверждают, что радиостанция никогда не достигает порога на самой холодной передаче в конце срока службы. Пакеты следует заряжать только после возврата к примерно 0–45 °C, а не в замороженном виде.
Не для нормативной функции. AIS-SART согласно стандартам IEC 61097-14 и MSC.246(83) рассчитаны примерно на 96 часов передачи, а персональные AIS-MOB — примерно на 48 часов после лет хранения без тренировки, поэтому коммерческие образцы используют герметичный первичный литий (например McMurdo SmartFind S5A, AMEC PLOMO-500 и SAILOR 5052). Перезаряжаемая химия не может гарантировать такую готовность; перезаряжаемый AIS ограничен портативными транспондерами, питаемыми и заряжаемыми от судна или стакана.
Используйте IEC 61951-2 для характеристик портативных герметичных NiMH-элементов, IEC 62133-1 для безопасности никелевых систем, IEC 60945 для морской среды и ЭМС, IEC 60529 для степени проникновения IPX7 и UN 3496 со специальным положением IATA A199 для воздушной перевозки, которое не налагает ограничений для литиевых опасных грузов. Само полное аварийное устройство несёт отметку штурвального колеса MED согласно директиве 2014/90/EU; это одобрение не переносится на перезаряжаемый пакет.
Стандарты и ориентиры характеристик: Резолюция IMO MSC.149(77) и IEC 61097-12 (двусторонняя УКВ спасательной шлюпки; 8 ч при 1:9; срок хранения первичной батареи); Резолюция IMO MSC.246(83) и IEC 61097-14 (AIS-SART); рекомендация ITU-R M.1371 (технические характеристики AIS, 161.975 / 162.025 MHz); IEC 61108 (GNSS); IEC 62287 (судовой AIS класса A/B); IEC 60945 (среда и ЭМС морских навигационных и радиоустройств); IEC 60529 (код IP, IPX7); IEC 61951-2 (портативные герметичные NiMH-элементы); IEC 62133-1 (безопасность никелевых элементов); UN 3496 и специальное положение IATA A199 (перевозка NiMH); европейская директива 2014/90/EU (морское оборудование, отметка MED); UK MSIS глава 12 (руководство: минимум 8 ч, предпочтительно 24 ч).
Данные репрезентативных изделий для привязки границы химии: Icom BP-234 (9,0 В, 3300 mAh, первичный литий, IPX7, используется с IC-GM1600E), Icom BP-265 (Li-ion 7,2 В), Icom BP-291 (отсек LR6 AA × 5), McMurdo SmartFind S5A AIS-SART (около 96 ч, многолетнее хранение), AMEC PLOMO-500 AIS-SART и SAILOR 5052 AIS-SART. Все расчёты ёмкости, тока и напряжения в этом документе — решённые инженерные примеры, помеченные как иллюстративные; реальные сертифицированные значения любого устройства — в его свидетельстве о типовом одобрении и паспорте.
Weijiang Power производит герметичные NiMH и Li-ion аккумуляторные пакеты и зарядные стаканы для морских и промышленных OEM-портативных устройств, включая перезаряжаемые пакеты для повседневных и учебных УКВ и портативных AIS-радиостанций. Мы рассчитываем каждый пакет по среднему току рабочего цикла, согласуем цепочку 6S или 8S с диапазоном напряжения радиостанции, задаём элементы с большим током для холодных импульсов передачи и проектируем стакан вокруг заряда с завершением -delta V/dT или 0,1 C, уплотнения IPX7 и стойкости к солёному воздуху, следуя пути IEC 61951-2, IEC 62133-1 и UN 3496 (IATA A199). Мы не заменяем герметичную датированную аварийную первичную литиевую батарею, требуемую GMDSS; мы создаём перезаряжаемое оборудование, которое поддерживает тренировку экипажей и работоспособность повседневного радиофлота. Пришлите нам диапазон радиостанции, мощность передачи, рабочий цикл, диапазон напряжения, температурный диапазон и целевую автономность, и мы вместе рассчитаем пакет и зарядный интерфейс. В документе C мы переходим к режиму типовых испытаний, сертификации и перевозки, которые должны пройти готовый пакет и его устройство.
