Uma vez compreendido o perfil de carga de um nó sensor ambiental, o projeto da bateria se torna um ato de equilíbrio entre três grandezas que puxam em direções diferentes: a energia que deve ser armazenada para sobreviver ao mais longo período sem coleta esperado, a potência instantânea de que o rádio precisa para transmitir, e a corrente fraca e intermitente que um pequeno coletor pode realisticamente fornecer. Uma bateria otimizada apenas para energia pode ceder sob o pulso de transmissão; uma bateria otimizada apenas para o pulso pode estar superdimensionada e subcarregada por uma fonte solar fraca; um circuito de carga que pressupõe um adaptador forte nunca reabastecerá uma bateria a partir de um traço fotovoltaico interno ou de inverno. Este segundo artigo trabalha esse equilíbrio para o níquel-hidreto metálico, cobrindo formato da célula e configuração em série, dimensionamento da capacidade diante de uma meta de autonomia de escuridão definida, o reservatório de capacitor que carrega a rajada de rádio, a gestão de carga ajustada a fontes fracas e intermitentes, o papel das químicas de baixa autodescarga, e as decisões de frio e layout que separam um nó robusto daquele que só funciona na bancada.
A exigência de capacidade é definida pelo mais longo intervalo em que o coletor não entrega essencialmente nada – dias nublados consecutivos para um nó fotovoltaico, incrustação ou soterramento para outros coletores – multiplicado pela carga média por ciclo e uma margem de segurança. Onde projetos publicados de boias e estações comumente especificam sete ou mais dias de autonomia sem recarga, a mesma disciplina se aplica em escala menor: defina a janela de autonomia em horas, multiplique pela corrente média e tensão do sistema para obter watts-hora, divida pela profundidade de descarga utilizável e adicione uma margem para perda de capacidade por baixa temperatura e envelhecimento.
O NiMH tolera ciclagem profunda melhor que muitas químicas recarregáveis, mas vive mais quando não é repetidamente achatado; por isso o projeto deve mirar uma profundidade de descarga média rasa ao longo da janela de autonomia, em vez de dimensionar até o corte absoluto. Como a célula tem 1,2 volt nominal, o número em série é escolhido para garantir a entrada mínima do regulador e do rádio ao longo da tensão de fim de descarga; uma única AA ou AAA serve sistemas abaixo de 1,8 V e baterias de duas ou três células alimentam trilhos de 2,4 V ou 3,6 V por um estágio buck-boost quando o rádio exige 3 volts ou mais.
Mesmo uma célula NiMH de baixa impedância se beneficia de um reservatório local quando o pulso de transmissão é curto e intenso. Um capacitor – um supercapacitor para rajadas maiores ou um banco de cerâmicas multicamadas para nós compactos – é mantido à tensão da bateria entre transmissões e descarrega no rádio durante a rajada de 50 a 150 mA. O dimensionamento segue Q igual a C vezes delta-V: o capacitor deve reter carga suficiente com uma queda de tensão aceitável para fornecer a energia do pulso, após o que a célula NiMH o recarrega lentamente durante o longo intervalo de sono.
Essa divisão de trabalho é o que torna viável uma pequena capacidade NiMH. A célula nunca precisa fornecer diretamente toda a corrente de transmissão, de modo que sua taxa efetiva de descarga fica perto da baixa média, a eficiência melhora e calor e queda de tensão são minimizados. A contrapartida é tempo de recarga e fuga: o reservatório deve ser reabastecido dentro do menor intervalo entre rajadas, e sua corrente de fuga passa a fazer parte do orçamento de sono. Uma comparação animada de um projeto só célula e célula mais reservatório mostra este último mantendo uma tensão marcadamente mais plana ao longo da rajada para a mesma capacidade nominal de célula.
Um pequeno painel fotovoltaico em um nó ambiental não é em nada como um adaptador de rede: sua saída se move com cobertura de nuvens, ângulo e incrustação, colapsa a zero toda noite e pode entregar apenas miliwatts em média ao longo de um dia. O estágio de gestão de carga deve, portanto, operar extração de energia tipo ponto de máxima potência com consumo muito baixo, começar a carregar em um limiar de entrada baixo, impedir corrente reversa à noite e nunca impor um perfil de carga que a célula NiMH não possa aceitar a partir de um traço tão fraco.
O NiMH é aqui tolerante de um modo útil: uma carga de corrente constante controlada com terminação compensada por temperatura ou um teto de gotejamento conservador combina bem com recargas rasas e intermitentes, e a química tolera a sobrecarga modesta que um regulador de coleta simples pode aplicar muito melhor do que uma célula de íon de lítio tolera uma não controlada. Os projetistas ainda especificam uma janela de temperatura de carga, um limite de corrente compatível com a capacidade da célula e uma terminação -delta-V ou dT/dt para qualquer carga rápida substancial, com proteções de temporizador e temperatura. O resultado é uma bateria que absorve o que o coletor oferecer sem exigir a disciplina precisa de carga que o íon de lítio demanda.
A autodescarga é uma perda de primeira ordem em um dispositivo que pode ficar dias entre recargas significativas, e é a razão pela qual o NiMH comum de alta capacidade historicamente decepcionou em funções de espera solar. As formulações de baixa autodescarga – a mesma tecnologia que as fichas técnicas classificam como capaz de reter cerca de 75 por cento da carga após doze meses – mudam esse cálculo ao conservar a energia coletada ao longo de longos intervalos de penumbra. Sua capacidade nominal por célula ligeiramente menor costuma ser uma troca válida pela perda de calendário muito menor em um nó de baixo ciclo de trabalho.
O modelo de balanço energético deve incluir a autodescarga como uma carga paralela, não uma nota de rodapé: na pior semana de inverno a bateria perde tanto a energia da carga quanto um termo de fuga de calendário, e o coletor deve cobrir ambos. Escolher uma classe LSD, manter a bateria em estado de carga moderado quando possível e evitar alta temperatura sustentada reduzem esse termo parasita e fazem a previsão de autonomia corresponder ao comportamento em campo.
Os nós ambientais vivem ao ar livre, e a capacidade e tensão do NiMH caem conforme a resistência interna sobe no frio; o efeito é modesto perto do congelamento, mas se torna significativo abaixo de cerca de menos dez a menos vinte graus Celsius. As respostas de projeto incluem dimensionar capacidade extra para o mês mais frio, colocar a bateria no invólucro com amortecimento térmico em vez de expô-la em um mastro, usar o reservatório de capacitor para cobrir pulsos frios quando a impedância da célula é maior, e – onde um local se aproxima do limite prático do NiMH – adicionar massa térmica ou selecionar uma química de faixa mais ampla de temperatura para as estações mais extremas.
O layout mecânico importa tanto quanto o projeto elétrico: as células precisam de fixação contra vibração e expansão térmica, abas soldadas ou um suporte comprovado em vez de contatos de mola em locais de alta vibração, um sensor de temperatura perto das células para terminação de carga, e separação dos circuitos de rádio geradores de calor. A proteção conformada e um invólucro vedado adequado ao local mantêm condensação e sal longe da bateria, o que liga diretamente o projeto da bateria ao programa de proteção contra ingresso coberto no artigo de qualificação.
Reunir os elementos segue uma sequência repetível: fixar a janela de autonomia e a carga média; escolher o número em série a partir da tensão do trilho; escolher a capacidade a partir de energia, profundidade de descarga e redução por frio; adicionar e dimensionar o reservatório de pulsos a partir da energia de transmissão e da queda permitida; adequar o carregador de coleta à fonte realista mais fraca; selecionar uma célula LSD; e dispor a bateria para robustez térmica e mecânica. Cada passo produz um número conferível por medição, em vez de uma recomendação genérica.
A validação então reproduz o projeto diante do ciclo de trabalho real na bancada: uma unidade fonte-medida ou carga programável reproduz a forma de onda sono-amostra-transmissão, um simulador solar ou fonte programável reproduz bons e maus dias de inverno, e o projeto é avaliado por o trilho permanecer acima do corte ao longo de cada rajada e o estado de carga fechar cada balanço de pior semana não negativo. Os projetos que passam essa reprodução – e a qualificação formal no artigo final – são os que sobrevivem anos em um mastro, uma boia ou uma estação de monitoramento remota.
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