Desenhar a bateria de um portátil de mineração intrinsecamente seguro é um exercício de limitar a energia em vez de a maximizar, e as regras da IEC 60079-11 para células e baterias estão entre as mais prescritivas de toda a norma. Este segundo artigo desenvolve um pack selado de níquel-metal hidreto para uma lanterna de capacete e um detetor pessoal de metano que têm de ser certificados Ex ia I Ma. Percorre os requisitos de bateria da norma — a utilização de tipos de células reconhecidos, o controlo da tensão máxima e da corrente de curto-circuito prospetiva, a proteção em série contra falhas de células e a proibição de faíscas durante a ligação ou a troca na área perigosa — e traduz-os num pack concreto: células combinadas, um fusível em série infalível e dispositivos limitadores de corrente ou de bloqueio dimensionados conforme as curvas de ignição do metano, encapsulamento ou um suporte selado que impede curtos acidentais e a fuga de eletrólito, proteção contra a carga inversa de células individuais e um projeto mecânico que resiste à mina. Depois dimensiona a capacidade para o turno de onze horas com uma reserva de alarme garantida, especifica o carregador — que, como a maior parte do carregamento, só acontece fora da área perigosa — e coloca o NiMH com franqueza ao lado dos seus concorrentes: os blocos de chumbo-ácido das lanternas de capacete antigas, pesados e com ácido, e as químicas do lítio, de alta densidade energética mas sujeitas a uma avaliação de segurança intrínseca e fuga térmica muito mais exigente. O artigo é deliberadamente honesto sobre onde o lítio vence e por que, para muitos dispositivos corporais do Grupo I, a menor tensão por célula, o comportamento robusto perante abusos e o caso de segurança mais simples do NiMH selado fazem dele uma escolha defensável e favorável à certificação.
A IEC 60079-11 restringe apertamente as baterias: só podem ser usadas células e baterias de um tipo coberto por especificações reconhecidas; a tensão máxima em circuito aberto determina as curvas de segurança intrínseca face às quais o resto do circuito é avaliado; e a corrente de curto-circuito prospettica deve ser limitada para que um curto-direto nos terminais do pack não possa produzir uma faísca incendiária. Os packs recarregáveis exigem ainda medidas contra a carga inversa de qualquer célula durante a descarga e contra células em paralelo de formas que permitam uma troca de corrente descontrolada.
A norma também rege como uma bateria é ligada e trocada: um conector que possa ser separado na área perigosa deve ele próprio ser não incendiário, e nos projetos de proteção mais elevada o pack é fixo e encapsulado, abrível apenas numa área segura. Estas cláusulas definem a arquitetura do pack antes de qualquer cálculo de capacidade.
O projeto de segurança intrínseca parte da saída no pior caso da bateria e prossegue para fora. As células em série definem a tensão máxima; para o NiMH, 1,2 V nominais por célula significam uma tensão de pack moderada para uma lanterna de capacete ou um detetor, o que mantém o projeto na parte favorável das curvas de ignição do Grupo I. Um fusível em série infalível, frequentemente duplicado ou combinado com uma resistência limitadora de corrente ou um dispositivo de bloqueio, limita a corrente de curto-circuito prospettica abaixo do limiar incendiário mesmo com uma falha, e cada capacitância ou indutância no pack e na cablagem é mantida abaixo dos limites de energia armazenada permitidos.
Estes componentes de proteção devem eles próprios cumprir os requisitos de infalibilidade da norma — classificados para a corrente de falha, separados e, quando necessário, encapsulados, para que uma única falha os não possa anular. A primeira figura animada percorre este fluxo de projeto, da seleção das células ao orçamento de energia de falha validado; a análise é sempre feita na condição recém-carregada de tensão máxima, que é o pior caso para a ignição por faísca.
Os portáteis mineiros são encapsulados (potted) ou selados para que as ligações internas não possam ser tocadas, postas em curto por detritos ou soltas por vibração, e para que, no raro evento de ventilação de uma célula, nenhum eletrólito atinja o utilizador ou um caminho condutor. O encapsulamento ao abrigo dos requisitos de construção relevantes fixa as células, o fusível e os elementos limitadores num único conjunto avaliado; qualquer mudança de fornecedor das células ou da disposição exige então uma avaliação documentada face ao certificado.
A proteção contra inversão de células é essencial para as cadeias NiMH em série: se uma célula se esgota antes das outras, a cadeia restante pode conduzi-la à inversão, pelo que células combinadas e consistentes por lote, um corte de fim de descarga conservador e, onde a norma exige, elementos de bypass ou de bloqueio o evitam. Mecanicamente, o pack resiste ao esmagamento, à queda e ao ciclo térmico de um dispositivo corporal, com uma interface com chave e engate que não possa ser montada errado no escuro da sala de lanternas.
A capacidade é dimensionada a partir do perfil de carga medido de LED e sensores para exceder a autonomia certificada — onze horas com o feixe principal acima do piso de iluminância exigido numa lanterna de capacete, deteção contínua com alarmes fiáveis num detetor — com desclassificações para baixa temperatura mineira, autodescarga entre cargas e capacidade de fim de vida após o número de ciclos nominal (os lampiões certificados visam mais de 500 ciclos e uma recarga em menos de dez horas). Uma reserva de alarme separada garante que o alarme de metano e o aviso de bateria fraca permaneçam disponíveis depois de o operador ser instruído a recarregar.
Como o carregador funciona na sala de lanternas fora da área perigosa, o NiMH pode usar um perfil de carga direto e supervisionado — corrente controlada com terminação -delta-V ou de pico, apoios de temperatura e temporizador — sem o constrangimento de carregar numa zona de grisú, e o carregador de frota pode registar tendências de capacidade e resistência interna para reformar os packs antes que a sua autonomia caia abaixo do piso certificado.
O chumbo-ácido é a química histórica das lanternas de capacete: barata e tolerante, mas pesada para um dispositivo usado na cabeça, portadora de ácido, fraca no frio e de vida relativamente curta, o que entra em conflito com os objetivos ergonómicos e de design selado. As células de iões de lítio e de lítio primárias oferecem a maior densidade energética e a mais longa autonomia por grama, mas o seu caso de segurança intrínseca é substancialmente mais difícil: a alta tensão por célula move o projeto para cima nas curvas de ignição, e o avaliador deve também tratar falhas internas das células e a propagação térmica com proteção adicional, redundância e, por vezes, uma menor confiança de proteção do equipamento — um encargo sério para um dispositivo de segurança de vida Ex ia Ma.
O NiMH selado situa-se num ponto intermédio pragmático: os seus 1,2 V por célula e a limitada corrente de falha prospettica facilitam o projeto de limitação de energia, não contém ácido livre, tolera o ciclo de temperatura da mina e a utilização diária superficial, é mecanicamente robusto, e é enviado ao abrigo das regras de transporte de produtos não lítio. A segunda figura animada pontua as químicas nos eixos relevantes para os portáteis do Grupo I; o lítio continua justificado onde o peso mínimo é fundamental e a engenharia de segurança extra é aceite, enquanto o NiMH é frequentemente a escolha mais rápida de certificar, mais tolerante a abusos e de menor risco de ciclo de vida para uma frota de lanternas de capacete e detetores.
Antes da certificação, o pack é validado em bancada face à carga real lâmpada-sensores, à temperatura e em fim de vida; o fusível e os elementos limitadores são testados por aplicação deliberada de falha para confirmar que a corrente de curto-circuito e a energia da faísca permanecem abaixo dos limiares do Grupo I; os testes de inversão de células e descarga profunda confirmam a proteção; e a queda, a vibração e o ciclo térmico verificam o encapsulamento e as ligações. A autonomia é medida face aos requisitos de iluminação de onze horas e reserva de alarme, e não à capacidade da folha de dados das células.
O resultado é um pack caracterizado e de construção controlada, com um orçamento de energia de falha documentado, uma curva de autonomia versus temperatura e uma lista de materiais (BOM) certificada — o artefacto exato exigido pela campanha de ensaios de tipo IECEx/ATEX no artigo final, e a base sobre a qual um OEM pode especificar NiMH com confiança dentro de um instrumento Ex ia I Ma.
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