Dokument A tej serii odtworzył profil obciążenia baterii wewnątrz morskich przenośnych terminali AIS i GMDSS: długie okna czuwania, krótkie impulsy nadawania o dużym prądzie oraz obowiązkową baterię pierwotną, która musi być gotowa po latach w szafce. Dokument B przechodzi od zasad do doboru i projektowania pakietu. Jest skierowany do inżyniera OEM i nabywcy sprzętu morskiego, którzy muszą wyspecyfikować ładowalny pakiet akumulatorów i interfejs ładowania dla codziennego, pokładowego lub szkoleniowego przenośnego radiotelefonu VHF albo dla przenośnego urządzenia AIS, bez mylenia tego produktu z uszczelnioną, datowaną baterią ratunkową, której faktycznie wymaga Światowy Morski System Łączności Alarmowej i Bezpieczeństwa (GMDSS). Arytmetyka cyklu pracy, wartości pojemności i krzywe napięcia w tym dokumencie to rozwiązane przykłady inżynierskie, wyraźnie oznaczone jako ilustracyjne; normy i odniesienia do czasu pracy cytowano z dokumentów źródłowych, a wartość certyfikowana na dowolnym rzeczywistym urządzeniu znajduje się zawsze w jego świadectwie uznania typu.

Kluczowe fakty w skrócie

Fakt kluczowy 1. Rezolucja IMO MSC.149(77) i norma IEC 61097-12 wymiarują baterię pierwotną dwukierunkowego radiotelefonu VHF łodzi ratunkowej na osiem godzin przy współczynniku wypełnienia 1:9 — sześć sekund nadawania, sześć sekund odbioru powyżej progu otwarcia blokady szumów i 48 sekund odbioru poniżej — przy maksymalnej mocy znamionowej. Brytyjskie wytyczne MSIS zalecają co najmniej osiem godzin, najlepiej 24 godziny.

Fakt kluczowy 2. AIS-SART reguluje norma IEC 61097-14, zharmonizowana z IMO MSC.246(83), z wykorzystaniem zalecenia ITU-R M.1371 na kanałach AIS 161.975 MHz i 162.025 MHz; reprezentatywne komercyjne egzemplarze AIS-SART nadają przez około 96 godzin na uszczelnionym litowym pierwotnym zasilaniu, a osobiste egzemplarze AIS-MOB pracują około 48 godzin przy 1 W.

Fakt kluczowy 3. Uszczelnione ogniwo NiMH ma napięcie znamionowe 1,2 V, więc sześć ogniw szeregowo daje 7,2 V, a osiem ogniw daje 9,6 V; pojemność pakietu wymiaruje się od średniego prądu cyklu pracy i napięcia na zimno pod koniec życia, a nie tylko od szczytowego prądu nadawania.

Fakt kluczowy 4. Przenośne uszczelnione ogniwa NiMH są wyspecyfikowane normą IEC 61951-2 w zakresie parametrów, normą IEC 62133-1 w zakresie bezpieczeństwa systemów niklowych oraz normą UN 3496 w zakresie transportu; przepis szczególny IATA A199 potwierdza, że NiMH nie podlega ograniczeniom dla towarów niebezpiecznych litowych; morskie radiotelefony przenośne są powszechnie uszczelniane na IPX7 według normy IEC 60529 (zanurzenie 1 m).

Fakt kluczowy 5. Obowiązkowej, datowanej, litowej baterii ratunkowej pierwotnej nie można zastąpić ładowalnym pakietem NiMH. Na przykład Icom BP-234 to uszczelniony pakiet litowy pierwotny 9,0 V / 3300 mAh, o stopniu IPX7 po zamontowaniu, i musi być używany z IC-GM1600E, aby spełniać GMDSS. Uszczelnione NiMH obsługuje codzienne, pokładowe i szkoleniowe radiotelefony, które stoją w podstawkach ładujących.

Narysuj granicę przed jakimkolwiek wymiarowaniem

Najważniejsza decyzja doboru zapada przed jakimkolwiek obliczeniem pojemności: ustalić, którą baterią pakiet faktycznie jest. Uszczelnione urządzenie ratunkowe — dwukierunkowy radiotelefon VHF łodzi ratunkowej zabierany do tratwy, AIS-SART zamontowany w uchwycie oraz znacznik AIS-MOB na kamizelce ratunkowej — podlega normie wymagań eksploatacyjnych i jest dostarczany z uszczelnioną, datowaną, litową baterią pierwotną z plombą kontrolną lub niewymiennym uszczelnieniem. Ta bateria musi być gotowa po dwóch lub więcej latach magazynowania w przypadku VHF, a typowo po sześciu-ośmiu latach w reprezentatywnych znacznikach AIS, i jest wymieniana w dniu ważności. Nie jest ładowalna, a ładowalny pakiet NiMH nie może być sprzedawany jako jej zamiennik.

Uzasadnione zastosowanie ładowalne to wszystko wokół tego uszczelnionego urządzenia: codzienny przenośny VHF używany na mostku, pokładzie i łodzi roboczej, przenośny AIS zabierany do odprowadzania pilota i cumowania, flota szkoleniowa oraz przenośne radiotelefony GMDSS «pełnego wyposażenia», które producenci dostarczają z ładowalnym pakietem i podstawką obok uszczelnionego pierwotnego. Te radiotelefony codziennie ładuje się, ćwiczy, wymienia i używa ponownie, a wytyczne harmonizacji GMDSS czynnie zachęcają do częstego użycia praktycznego. Uszczelnione NiMH dobrze pasuje do tej roli, ponieważ toleruje nieostrożne użycie i płytkie rozładowanie, daje płaską, przewidywalną odpowiedź impulsową, nie zawiera litu do celów transportowych i odzyskuje sprawność po ekspozycji na zimno, która poważnie zakłóciłaby chemię o większej impedancji. Poniższa tabela ustala granicę przed rozpoczęciem prac projektowych.

Krok 1: przekształcić obciążenie radiotelefonu na średni prąd

Przenośny VHF pobiera trzy bardzo różne prądy. Podczas nadawania musi dostarczyć prąd za stopniem wyjścia RF — około 1 A w reprezentatywnym przenośnym 2 W — plus obciążenia logiki i audio. Podczas odbioru powyżej progu otwarcia blokady szumów może pobierać około 120–200 mA, a w stanie cichym, poniżej blokady szumów lub w czuwaniu, zaledwie 20–50 mA. Ramka obciążenia łodzi ratunkowej z normy IEC 61097-12 jest poręcznym, zachowawczym modelem także dla codziennego radiotelefonu: sześć sekund nadawania, sześć sekund odbioru powyżej blokady szumów i 48 sekund poniżej, powtarzane co 60 sekund. Średni prąd cyklu pracy to ważona suma tych stanów w ramce:

I_avg = (6 s × I_tx + 6 s × I_rx + 48 s × I_stdby) / 60 s

Przy ilustracyjnych wartościach 1,0 A podczas nadawania, 0,15 A podczas aktywnego odbioru i 0,03 A w czuwaniu średnia wynosi (6 × 1,0 + 6 × 0,15 + 48 × 0,03) / 60 = 8,34 / 60 = 0,139 A, czyli około 139 mA. Ładunek brutto, jaki pakiet musi oddać, to średni prąd pomnożony przez cel czasowy pracy. Obowiązkowym celem VHF jest osiem godzin, natomiast brytyjskie wytyczne MSIS dla eksploatacyjnych radiotelefonów ratunkowych podają co najmniej osiem godzin, najlepiej 24; rozsądny projektant codziennych pakietów przyjmuje wartość 24-godzinną jako cel preferowany, ponieważ codzienny radiotelefon, którego nie zawsze odstawia się do podstawki, nadal musi przetrwać długą wachtę. Przy 139 mA osiem godzin wymaga około 1,11 Ah ładunku brutto, a 24 godziny około 3,34 Ah. Są to wartości przed obniżeniem; pojemność ogniwa dobrana w kroku 3 będzie większa.

Rysunek 1. Sześcioetapowy schemat doboru i wymiarowania ładowalnego pakietu morskiego radiotelefonu przenośnego (ilustracyjna kolejność projektowania, nie procedura producenta).

Krok 2: dopasować liczbę ogniw szeregowych do okna napięcia radiotelefonu

Przed wyborem pojemności długość gałęzi szeregowej musi odpowiadać oknu napięcia radiotelefonu i jego progowi odcięcia przy niskim napięciu. Uszczelnione ogniwo NiMH ma znamionowo 1,2 V, osiąga około 1,42 V po świeżym ładowaniu i uznaje się rozładowane blisko 1,0 V. Większość komercyjnych morskich radiotelefonów przenośnych jest zbudowana wokół jednej z dwóch klas napięcia. Radiotelefon klasy 7,2 V, mający takie samo napięcie znamionowe jak dwuogniwowy pakiet Li-ion (Icom BP-265 to przykład Li-ion 7,2 V), odpowiada sześciu ogniwom NiMH szeregowo; pakiet sześcioogniwowy przebiega od około 8,5 V świeży do około 6,0 V pusty. Radiotelefon klasy 9 V, w tym konstrukcje, których obowiązkowym pierwotnym jest Icom BP-234 9,0 V, odpowiada ośmiu ogniwom NiMH szeregowo, od około 11,4 V świeży do około 8,0 V pusty. Gałęzie równoległe dodaje się następnie tylko dla pojemności i podziału prądu, nie dla napięcia.

Projektant pakietu musi sprawdzić rzeczywisty próg odcięcia radiotelefonu, zamiast go zakładać. Próg zbyt wysoki uzna baterię za martwą, podczas gdy pozostaje użyteczna pojemność; próg zbyt niski grozi głębokim rozładowaniem ogniw podczas długiego nadawania na zimno. Ogniwa w gałęzi szeregowej powinny być dopasowane z tej samej partii produkcyjnej, a pakiet zbudowany tak, aby słabe lub odwrócone ogniwo nie mogło zostać wpędzone w głęboką inwersję podczas długiej wachty.

Krok 3: wymiarować pojemność, wybrać ogniwa wysokoprądowe i utrzymać napięcie na zimno

Ładunek brutto z kroku 1 nie jest pojemnością znamionową ogniwa, ponieważ pakiet musi oddać ten ładunek pod koniec życia, na zimnym pokładzie, przy impulsie nadawania, który zapada napięcie, oraz z zachowanym marginesem projektowym. Zastosowanie ilustracyjnych współczynników — około 0,85 dostępnej pojemności przy -20 °C, około 0,85 w znamionowym punkcie końca życia oraz margines projektowy 1,15 — daje łączną frakcję użytkową około 0,63. Cel ośmiogodzinny 1,11 Ah wymaga więc pakietu znamionowego około 1,8 Ah, a preferowany cel 24-godzinny 3,34 Ah wymaga około 5,3 Ah. W praktyce projektant osiąga to standardowymi ogniwami AA wysokoprądowymi lub większymi ogniwami sub-C i SC: pojedyncza gałąź sześciu AA wysokoprądowych (około 2,0 Ah) tylko marginalnie spełnia wartość ośmiogodzinną po obniżeniu zimowym i życiowym, więc pakiet 6S2P AA (około 4,0 Ah) jest komfortowym projektem 8-godzinnym, a pakiet 6S3P AA (około 6,0 Ah) lub 6S2P sub-C/SC dużej pojemności spełnia preferowaną wartość 24-godzinną.

Impulsy nadawania są drugim powodem do zawyżania. W gałęzi 1 A, 7,2 V pojedyncze ogniwo AA 2,0 Ah jest obciążone na około 0,5 C w serii nadawania; mieści się to w możliwościach ogniwa wysokoprądowego, ale daje widoczny spadek napięcia w niskiej temperaturze, a spadek jest głębszy pod koniec wachty, gdy stan naładowania jest już niski. Projektant określa więc ogniwa wysokoprądowe o niskiej rezystancji wewnętrznej, dodaje gałąź równoległą, aby zmniejszyć o połowę prąd impulsowy na ogniwo, i sprawdza, czy napięcie pakietu na końcu najzimniejszego impulsu pod koniec życia pozostaje powyżej progu radiotelefonu. Ilustracyjna krzywa napięcia poniżej pokazuje pakiet opadający powoli w ciągu 24-godzinnej wachty z okresowymi zapadami na nadawanie, pozostający powyżej progu; krzywa rzeczywista jest specyficzna dla radiotelefonu i ogniwa i musi być zmierzona, nie założona.

Rysunek 2. Napięcie pakietu w ciągu 24-godzinnej wachty z okresowymi impulsami nadawania; pakiet wymiarowano tak, aby pozostać powyżej odcięcia podczas najzimniejszego impulsu pod koniec życia (ilustracyjnie, nie zmierzono).

Krok 4: ładowanie, ochrona, podstawka i projekt mechaniczny

Strategia ładowania jest częścią produktu akumulatorowego, a nie dodatkiem po fakcie. Wykrywanie pełnego naładowania NiMH opiera się na charakterystycznym spadku napięcia -delta V i wzroście temperatury dT/dt, wspartych czasomierzem bezpieczeństwa; dla morskiej podstawki, gdzie niezawodność liczy się bardziej niż szybkość, zachowawczą metodą jest sterowane ładowanie nocne 0,1 C (około 14–16 godzin) z późniejszym ładowaniem podtrzymującym C/20 do C/40, wystarczająco łagodne, aby zostawić radiotelefon w podstawce bez przegrzewania ogniw. Ładowanie należy zablokować poza zakresem około 0–45 °C, aby pakiet, który wrócił z mroźnego pokładu lub gorącego pojemnika tratwy, mógł powrócić do temperatury pokojowej przed ładowaniem; pakiet zwykle ma termistor, aby podstawka mogła to wymusić. Podstawka przyjmuje pokładowe 12 V lub 24 V DC przez moduł ładowania, używa styków odpornych na korozję lub pozłacanych, które nie zablokują się w słonym powietrzu, i utrzymuje uszczelnienie IPX7 przy wstawionym radiotelefonie.

Wewnątrz pakietu ogniwa używają przyspawanych wypustek, a nie klipsów sprężynowych, dopasowanych ogniw, koszulek termokurczliwych i izolacji udarowej, aby próby zrzutu i wibracji norm IEC 60945 i IEC 61097-12 nie otworzyły połączenia; bezpiecznik termiczny lub samonastawny element ochronny zabezpiecza przed zewnętrznym zwarciem i przetężeniem, a obudowa używa uszczelki, kanału wentylacyjnego i mocnego mocowania ogniw. Powłoka zewnętrzna jest taka sama jak u radiotelefonu ratunkowego: zakres pracy od -20 do +55 °C, zanurzenie do wymogu IPX7 normy IEC 60529 (1 m przez 30 minut; samo urządzenie ratunkowe spełnia 1 m przez co najmniej 5 minut według IEC 61097-12), odporność na mgłę solną i obsługę przez personel w rękawicach kombinezonu ratunkowego. Każdą z tych cech wyspecyfikowano tak, aby codzienny radiotelefon zachowywał się jak urządzenie ratunkowe, które wspiera.

Zgodność, transport i granica MED

Ładowalny pakiet NiMH do codziennych morskich radiotelefonów podąża jasną, lecz celowo ograniczoną ścieżką zgodności. Same ogniwa są wyspecyfikowane normą IEC 61951-2 dla parametrów i wymiarów przenośnych uszczelnionych ogniw NiMH oraz normą IEC 62133-1 dla bezpieczeństwa uszczelnionych ogniw i baterii zawierających nikiel; obudowa sprzętu to IEC 60945 dla środowiska i EMC oraz IEC 60529 dla kodu IP. Transport jest prosty: baterie NiMH wysyła się pod numerem UN 3496, a przepis szczególny IATA A199 traktuje je jako niepodlegające przepisom dla towarów niebezpiecznych litowych, o ile zaciski są chronione przed zwarciem — istotna praktyczna przewaga nad litem dla OEM wysyłającego radiotelefony i części zamienne drogą powietrzną. Samo obowiązkowe urządzenie ratunkowe nosi jednak znak koła sterowego MED na mocy europejskiej dyrektywy o wyposażeniu morskim 2014/90/EU, a to zatwierdzenie jest związane z kompletnym uszczelnionym urządzeniem i jego datowaną baterią pierwotną. Ładowalny pakiet NiMH nie rozszerza ani nie zastępuje tego ratunkowego źródła ze znakiem koła sterowego, i obu nie wolno mieszać na rysunku, karcie katalogowej ani w oświadczeniu marketingowym.

Często zadawane pytania

Czy ładowalny uszczelniony pakiet NiMH może zastąpić baterię pierwotną VHF łodzi ratunkowej GMDSS?

Nie. Uszczelniony dwukierunkowy VHF łodzi ratunkowej jest zobowiązany przez IMO MSC.149(77) i normę IEC 61097-12 do noszenia datowanej baterii pierwotnej, która zapewni osiem godzin przy 1:9 po latach magazynowania, typowo uszczelnionego litowego pakietu pierwotnego, takiego jak Icom BP-234 (9,0 V / 3300 mAh, IPX7 po zamontowaniu). Uszczelnione NiMH jest przeznaczone dla codziennych, pokładowych, szkoleniowych radiotelefonów i pełnego wyposażenia, ładowanych w podstawkach i regularnie ćwiczonych, a nie dla obowiązkowego uszczelnionego źródła ratunkowego.

Jak oblicza się pojemność pakietu NiMH morskiego radiotelefonu przenośnego?

Od średniego prądu cyklu pracy w ramce 60 sekund: I_avg = (6 × I_tx + 6 × I_rx + 48 × I_standby) / 60. Przy ilustracyjnych prądach 1,0 A, 0,15 A i 0,03 A daje to około 139 mA. Pomnóż przez cel czasowy pracy (8 h lub najlepiej 24 h według brytyjskich wytycznych MSIS), następnie podziel przez łączny współczynnik zimnej temperatury, końca życia i marginesu projektowego, który w rozwiązanym przykładzie wynosi około 0,63. Daje to pakiet znamionowy około 1,8 Ah dla 8 h lub 5,3 Ah dla 24 h, przed wyborem standardowej konfiguracji ogniw.

Ile ogniw NiMH szeregowo potrzebuję?

Każde uszczelnione ogniwo NiMH ma znamionowo 1,2 V. Sześć ogniw szeregowo daje 7,2 V (około 8,5 V świeże, 6,0 V puste) i pasuje do przenośnego radiotelefonu klasy 7,2 V — tej samej klasy znamionowej co pakiet Li-ion 2S. Osiem ogniw daje 9,6 V (około 11,4 V świeże, 8,0 V puste) i pasuje do radiotelefonu klasy 9 V, takiego jak klasa pierwotnego BP-234 9,0 V. Gałęzie równoległe dodaje się tylko dla pojemności i podziału prądu impulsowego, a próg odcięcia niskiego napięcia radiotelefonu należy zweryfikować względem napięcia zimnego pakietu pod koniec życia.

Czy uszczelnione NiMH działa przy -20 °C na zimnym pokładzie?

Tak, ze świadomym obniżeniem. Niska temperatura zwiększa rezystancję wewnętrzną i zmniejsza dostępną pojemność oraz napięcie na końcu impulsu, więc projektanci używają ogniw wysokoprądowych o niskiej rezystancji, zawyżają pakiet, dodają gałęzie równoległe, aby zmniejszyć prąd impulsowy na ogniwo, i potwierdzają, że radiotelefon nigdy nie osiąga progu podczas najzimniejszego nadawania pod koniec życia. Pakiety należy ładować dopiero po powrocie do około 0–45 °C, nie w stanie zamrożonym.

Czy znacznik AIS-SART lub AIS-MOB może używać ogniw ładowalnych?

Nie do funkcji obowiązkowej. AIS-SART według norm IEC 61097-14 i MSC.246(83) projektuje się na około 96 godzin nadawania, a osobiste AIS-MOB na około 48 godzin, po latach magazynowania bez ćwiczenia, dlatego komercyjne egzemplarze używają uszczelnionego litu pierwotnego (np. McMurdo SmartFind S5A, AMEC PLOMO-500 i SAILOR 5052). Chemia ładowalna nie może zagwarantować takiej gotowości; ładowalny AIS ogranicza się do przenośnych transponderów zasilanych i ładowanych ze statku lub podstawki.

Jakie normy i zasady transportu dotyczą ładowalnego pakietu NiMH morskiego radiotelefonu przenośnego?

Stosuj IEC 61951-2 dla parametrów przenośnych uszczelnionych ogniw NiMH, IEC 62133-1 dla bezpieczeństwa systemów niklowych, IEC 60945 dla środowiska morskiego i EMC, IEC 60529 dla penetracji IPX7 oraz UN 3496 z przepisem szczególnym IATA A199 dla transportu lotniczego, który nie nakłada ograniczeń dla towarów niebezpiecznych litowych. Samo kompletne urządzenie ratunkowe nosi znak koła sterowego MED na mocy dyrektywy 2014/90/EU; to zatwierdzenie nie przenosi się na pakiet ładowalny.

Źródła i normy

Normy i odniesienia eksploatacyjne: Rezolucja IMO MSC.149(77) i IEC 61097-12 (dwukierunkowy VHF łodzi ratunkowej; 8 h przy 1:9; trwałość pierwotnego); Rezolucja IMO MSC.246(83) i IEC 61097-14 (AIS-SART); zalecenie ITU-R M.1371 (parametry techniczne AIS, 161.975 / 162.025 MHz); IEC 61108 (GNSS); IEC 62287 (pokładowy AIS klasa A/B); IEC 60945 (środowisko i EMC morskich urządzeń nawigacyjnych i radiowych); IEC 60529 (kod IP, IPX7); IEC 61951-2 (przenośne uszczelnione ogniwa NiMH); IEC 62133-1 (bezpieczeństwo ogniw niklowych); UN 3496 i przepis szczególny IATA A199 (transport NiMH); europejska dyrektywa 2014/90/EU (wyposażenie morskie, znak MED); UK MSIS rozdział 12 (wytyczne: minimum 8 h, najlepiej 24 h).

Dane reprezentatywnych produktów użyte do zakotwiczenia granicy chemii: Icom BP-234 (9,0 V, 3300 mAh, lit pierwotny, IPX7, do użycia z IC-GM1600E), Icom BP-265 (Li-ion 7,2 V), Icom BP-291 (pojemnik LR6 AA × 5), McMurdo SmartFind S5A AIS-SART (około 96 h, wieloletnie magazynowanie), AMEC PLOMO-500 AIS-SART i SAILOR 5052 AIS-SART. Wszystkie obliczenia pojemności, prądu i napięcia w tym dokumencie to rozwiązane przykłady inżynierskie oznaczone jako ilustracyjne; rzeczywiste wartości certyfikowane dowolnego urządzenia znajdują się w jego świadectwie uznania typu i karcie katalogowej.

Weijiang Power

Weijiang Power produkuje uszczelnione pakiety akumulatorów NiMH i Li-ion oraz podstawki ładujące do morskich i przemysłowych przenośnych urządzeń OEM, w tym ładowalne pakiety do codziennych i szkoleniowych radiotelefonów VHF oraz przenośnych radiotelefonów AIS. Wymiarujemy każdy pakiet od średniego prądu cyklu pracy, dopasowujemy gałąź 6S lub 8S do okna napięcia radiotelefonu, wyspecyfikowujemy ogniwa wysokoprądowe dla zimnych impulsów nadawania i projektujemy podstawkę wokół ładowania zakończonego -delta V/dT lub 0,1 C, uszczelnienia IPX7 i odporności na słone powietrze, zgodnie ze ścieżką IEC 61951-2, IEC 62133-1 i UN 3496 (IATA A199). Nie zastępujemy uszczelnionej, datowanej, litowej baterii ratunkowej pierwotnej wymaganej przez GMDSS; budujemy sprzęt ładowalny, który utrzymuje załogi w ćwiczeniu, a codzienną flotę radiotelefonów w sprawności. Prześlij nam pasmo radiotelefonu, moc nadawania, cykl pracy, okno napięcia, zakres temperatur i cel czasowy pracy, a wspólnie zwymiarujemy pakiet i interfejs ładowania. W dokumencie C przechodzimy do reżimu badań typu, certyfikacji i transportu, które muszą spełnić gotowy pakiet i jego urządzenie.