O documento A desta série estabeleceu o perfil de carga da bateria dentro dos terminais portáteis marítimos AIS e GMDSS: longas janelas de espera, pulsos curtos de transmissão de alta corrente e uma bateria primária regulamentar que deve estar pronta após anos em um armário. Este documento B passa dos princípios para a seleção e o projeto do pack. Destina-se ao engenheiro OEM e ao comprador de equipamentos marítimos que precisam especificar um pack de baterias recarregáveis e uma interface de carga para um rádio VHF portátil diário, de bordo ou de treinamento, ou para um dispositivo AIS portátil, sem confundir esse produto com a bateria de socorro selada e datada que o Sistema Mundial de Socorro e Segurança Marítima (GMDSS) efetivamente exige. A aritmética do ciclo de trabalho, os números de capacidade e as curvas de tensão deste documento são exemplos de engenharia resolvidos, claramente marcados como ilustrativos; as normas e as referências de autonomia são citadas a partir dos documentos de origem, e o valor certificado em qualquer aparelho real está sempre em seu certificado de homologação de tipo.

Fatos principais em um relance

Fato principal 1. A Resolução IMO MSC.149(77) e a norma IEC 61097-12 dimensionam a bateria primária do VHF bidirecional de embarcação de sobrevivência para oito horas com um ciclo de trabalho de 1:9 — seis segundos de transmissão, seis segundos de recepção acima do limiar de abertura do silenciador e 48 segundos de recepção abaixo — na máxima potência nominal. A orientação britânica MSIS recomenda pelo menos oito horas, de preferência 24 horas.

Fato principal 2. O AIS-SART é regido pela norma IEC 61097-14, alinhada à IMO MSC.246(83), usando a recomendação ITU-R M.1371 nos canais AIS 161.975 MHz e 162.025 MHz; amostras comerciais representativas de AIS-SART transmitem por cerca de 96 horas com lítio primário selado, e as amostras pessoais AIS-MOB operam por cerca de 48 horas a 1 W.

Fato principal 3. Uma célula NiMH selada tem tensão nominal de 1,2 V, portanto seis células em série dão 7,2 V e oito células dão 9,6 V; a capacidade do pack é dimensionada a partir da corrente média do ciclo de trabalho e da tensão a frio no fim de vida, e não apenas a partir da corrente de pico de transmissão.

Fato principal 4. As células NiMH portáteis seladas são especificadas pela norma IEC 61951-2 para desempenho, pela norma IEC 62133-1 para segurança de sistemas de níquel e pela norma UN 3496 para transporte, e a disposição especial IATA A199 confirma que o NiMH não está sujeito às restrições de mercadorias perigosas do lítio; os rádios portáteis marítimos são comumente vedados em IPX7 conforme a norma IEC 60529 (imersão a 1 m).

Fato principal 5. A bateria de socorro regulamentar, datada e de lítio primário, não pode ser substituída por um pack NiMH recarregável. Por exemplo, o Icom BP-234 é um pack de lítio primário de 9,0 V e 3300 mAh, classificado IPX7 quando instalado, e deve ser usado com o IC-GM1600E para atender ao GMDSS. O NiMH selado atende aos rádios diários, de bordo e de treinamento que vivem em bases de carga.

Traçar a fronteira antes de dimensionar qualquer coisa

A decisão de seleção mais importante ocorre antes de qualquer cálculo de capacidade: decidir qual bateria o pack realmente é. O aparelho de socorro selado — o VHF bidirecional de embarcação de sobrevivência levado para a balsa, o AIS-SART montado em seu suporte e o sinalizador AIS-MOB no colete salva-vidas — é regido por uma norma regulamentar de desempenho e é fornecido com uma bateria de lítio primário selada e datada, com um selo de testemunha ou não substituível. Essa bateria deve estar pronta após dois ou mais anos de armazenamento para o VHF, e tipicamente seis a oito anos nos sinalizadores AIS representativos, e é substituída em sua data de validade. Não é recarregável, e um pack NiMH recarregável não deve ser comercializado como seu substituto.

A aplicação recarregável legítima é tudo o que envolve esse aparelho selado: o VHF portátil diário usado na ponte, no convés e na embarcação de trabalho, o AIS portátil levado para a transferência de prático e a atracação, a frota de treinamento e os portáteis GMDSS de «conjunto completo» que os fabricantes entregam com um pack recarregável e uma base, ao lado do primário selado. Esses rádios são carregados, exercitados, trocados e reutilizados todos os dias, e a orientação de harmonização do GMDSS incentiva ativamente o uso prático frequente. O NiMH selado é adequado a esse papel porque tolera o uso abusivo e a descarga superficial, oferece uma resposta de pulso plana e previsível, não contém lítio para fins de transporte e se recupera após a exposição ao frio que perturbaria profundamente uma química de maior impedância. A tabela abaixo fixa a fronteira antes do início do trabalho de projeto.

Etapa 1: converter a carga do rádio em uma corrente média

Um VHF portátil consome três correntes muito diferentes. Ao transmitir, deve fornecer a corrente por trás da saída de RF — cerca de 1 A em um portátil 2 W representativo — mais as cargas de lógica e áudio. Em recepção acima do limiar de abertura do silenciador, pode consumir cerca de 120 a 200 mA, e em estado silencioso, abaixo do silenciador ou em espera, pode consumir apenas 20 a 50 mA. O quadro de carga de embarcação de sobrevivência da norma IEC 61097-12 é um modelo conveniente e conservador também para o rádio diário: seis segundos de transmissão, seis segundos de recepção acima do silenciador e 48 segundos abaixo, repetindo-se a cada 60 segundos. A corrente média do ciclo de trabalho é a soma ponderada desses estados ao longo de um quadro:

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

Com valores ilustrativos de 1,0 A em transmissão, 0,15 A em recepção ativa e 0,03 A em espera, a média é (6 × 1,0 + 6 × 0,15 + 48 × 0,03) / 60 = 8,34 / 60 = 0,139 A, ou seja, cerca de 139 mA. A carga bruta que o pack deve fornecer é então a corrente média multiplicada pelo objetivo de autonomia. O objetivo regulamentar do VHF é de oito horas, enquanto a orientação britânica MSIS para rádios de sobrevivência operacionais é de pelo menos oito horas e preferencialmente 24; um projetista sensato de packs diários usa o número de 24 horas como objetivo preferido, pois um rádio diário que nem sempre é devolvido à base ainda deve sobreviver a um quarto longo. A 139 mA, oito horas exigem cerca de 1,11 Ah de carga bruta e 24 horas cerca de 3,34 Ah. Estes são valores antes da derrapagem; a capacidade de célula escolhida na etapa 3 será maior.

Figura 1. O fluxo de seleção e dimensionamento em seis etapas para um pack recarregável de portátil marítimo (sequência de projeto ilustrativa, não um procedimento de fabricante).

Etapa 2: ajustar o número de células em série à janela de tensão do rádio

Antes de escolher a capacidade, o comprimento da série deve corresponder à janela de tensão do rádio e ao seu corte de baixa tensão. Uma célula NiMH selada tem nominalmente 1,2 V, atinge cerca de 1,42 V ao final de uma carga nova e é considerada descarregada perto de 1,0 V. A maioria dos portáteis marítimos comerciais é construída em torno de uma de duas classes de tensão. Um rádio de classe 7,2 V, que tem a mesma tensão nominal de um pack Li-ion de duas células (o Icom BP-265 é um exemplo Li-ion de 7,2 V), corresponde a seis células NiMH em série; o pack de seis células vai de cerca de 8,5 V novo a cerca de 6,0 V vazio. Um rádio de classe 9 V, incluindo os projetos cujo primário regulamentar é o Icom BP-234 de 9,0 V, corresponde a oito células NiMH em série, indo de cerca de 11,4 V novo a cerca de 8,0 V vazio. Os ramos paralelos são então adicionados apenas para capacidade e divisão de corrente, não para tensão.

O projetista do pack deve verificar o corte real do rádio em vez de presumir. Um corte alto demais declarará a bateria morta enquanto ainda houver capacidade utilizável; um corte baixo demais arrisca a descarga profunda das células durante uma longa transmissão a frio. As células da série devem ser combinadas a partir do mesmo lote de produção, e o pack deve ser construído de forma que uma célula fraca ou invertida não possa ser levada à inversão profunda durante um quarto longo.

Etapa 3: dimensionar a capacidade, escolher células de alta corrente e manter a tensão a frio

A carga bruta da etapa 1 não é a capacidade nominal da célula, porque o pack deve entregar essa carga no fim de vida, em um convés frio, com um pulso de transmissão que afunda a tensão e uma margem de projeto retida. Aplicar fatores ilustrativos — cerca de 0,85 de capacidade utilizável a -20 °C, cerca de 0,85 no ponto de fim de vida nominal e uma margem de projeto de 1,15 — produz uma fração utilizável combinada de cerca de 0,63. O objetivo de oito horas de 1,11 Ah precisa, portanto, de um pack nominal de cerca de 1,8 Ah, e o objetivo preferido de 24 horas de 3,34 Ah precisa de cerca de 5,3 Ah. Na prática, um projetista os alcança com células AA padrão de alta corrente ou células sub-C e SC maiores: uma única série de seis AA de alta corrente (cerca de 2,0 Ah) atende apenas marginalmente o valor de oito horas após derrapagem a frio e por vida, portanto um pack 6S2P AA (cerca de 4,0 Ah) é o projeto confortável de oito horas, e um pack 6S3P AA (cerca de 6,0 Ah) ou um pack 6S2P sub-C/SC de alta capacidade atende ao valor preferido de 24 horas.

Os pulsos de transmissão são a segunda razão para superdimensionar. Em uma série de 1 A e 7,2 V, uma única célula AA de 2,0 Ah é solicitada a cerca de 0,5 C em uma rajada de transmissão; isso está dentro da capacidade de uma célula de alta corrente, mas produz uma queda de tensão visível em baixa temperatura, e a queda é mais profunda no fim do quarto, quando o estado de carga já está baixo. O projetista especifica, portanto, células de alta corrente e baixa resistência interna, adiciona um ramo paralelo para dividir pela metade a corrente de pulso por célula, e verifica se a tensão do pack ao final do pulso mais frio e no fim de vida permanece acima do corte do rádio. A curva de tensão ilustrativa abaixo mostra o pack declinando lentamente ao longo de um quarto de 24 horas com mergulhos periódicos de transmissão, permanecendo acima do corte; a curva real é específica do rádio e da célula e deve ser medida, não presumida.

Figura 2. Tensão do pack ao longo de um quarto de 24 horas com pulsos de transmissão periódicos; o pack é dimensionado para permanecer acima do corte no pulso mais frio no fim de vida (ilustrativo, não medido).

Etapa 4: carga, proteção, base e projeto mecânico

A estratégia de carga faz parte do produto bateria, não uma ideia tardia. A detecção de carga completa NiMH baseia-se na característica queda de tensão -delta V e na elevação de temperatura dT/dt, amparadas por um temporizador de segurança; para uma base marítima, onde a confiabilidade pesa mais que a velocidade, o método conservador é uma carga controlada a 0,1 C durante a noite (cerca de 14 a 16 horas) com uma carga de manutenção de C/20 a C/40 em seguida, suave o suficiente para deixar o rádio na base sem superaquecer as células. A carga deve ser inibida fora de cerca de 0 a 45 °C, de modo que um pack que entre de um convés congelado ou de um contêiner de balsa quente possa retornar à temperatura ambiente antes de carregar; o pack normalmente traz um termistor para que a base possa impô-lo. A base aceita os 12 V ou 24 V CC do navio por meio de um módulo de carga, usa contatos resistentes à corrosão ou banhados a ouro que não travarão no ar salino, e mantém a vedação IPX7 quando o rádio está encaixado.

Dentro do pack, as células usam abas soldadas em vez de clipes de mola, células combinadas, capas termoencolhíveis e amortecimento de impacto para que os testes de queda e vibração das normas IEC 60945 e IEC 61097-12 não abram uma conexão; um fusível térmico ou dispositivo de proteção rearmável protege contra curto-circuito externo e sobrecorrente, e a carcaça usa uma junta, uma via de ventilação e uma retenção robusta das células. O invólucro externo é o mesmo do rádio de sobrevivência: faixa de operação de -20 a +55 °C, imersão até o requisito IPX7 da norma IEC 60529 (1 m por 30 minutos; o aparelho de sobrevivência em si atende a 1 m por pelo menos 5 minutos conforme a norma IEC 61097-12), resistência à névoa salina e operação por pessoal com luvas de traje de imersão. Cada uma dessas características é especificada para que o rádio diário se comporte como o aparelho de segurança que apoia.

Conformidade, transporte e a fronteira MED

Um pack NiMH recarregável para rádios marítimos diários segue um caminho de conformidade claro, mas deliberadamente limitado. As próprias células são especificadas pela norma IEC 61951-2 para desempenho e dimensões de células NiMH portáteis seladas e pela norma IEC 62133-1 para segurança de células e baterias seladas que contêm níquel; o invólucro do equipamento é IEC 60945 para ambiente e EMC e IEC 60529 para o código IP. O transporte é simples: as baterias NiMH são expedidas sob a referência UN 3496, e a disposição especial IATA A199 as trata como não sujeitas às regras de mercadorias perigosas do lítio, desde que os terminais estejam protegidos contra curto-circuito — uma vantagem prática significativa sobre o lítio para um OEM que envia por via aérea rádios e peças de reposição. O próprio aparelho de socorro regulamentar, porém, traz a marca de roda MED sob a Diretiva europeia de equipamentos marítimos 2014/90/EU, e essa aprovação está vinculada ao aparelho selado completo com sua bateria primária datada. Um pack NiMH recarregável não amplia nem substitui essa fonte de socorro com marca de roda, e as duas não devem ser misturadas em um desenho, folha de dados ou afirmação de marketing.

Perguntas frequentes

Um pack NiMH selado recarregável pode substituir a bateria primária do VHF de embarcação de sobrevivência GMDSS?

Não. O VHF bidirecional selado de embarcação de sobrevivência é obrigado pela IMO MSC.149(77) e pela norma IEC 61097-12 a portar uma bateria primária datada que forneça oito horas a 1:9 após anos de armazenamento, tipicamente um pack de lítio primário selado como o Icom BP-234 (9,0 V / 3300 mAh, IPX7 quando instalado). O NiMH selado destina-se aos rádios diários, de bordo, de treinamento e de conjunto completo, carregados em bases e exercitados regularmente, e não à fonte de socorro selada regulamentar.

Como a capacidade de um pack NiMH de portátil marítimo é calculada?

A partir da corrente média do ciclo de trabalho em um quadro de 60 segundos: I_avg = (6 × I_tx + 6 × I_rx + 48 × I_standby) / 60. Com correntes ilustrativas de 1,0 A, 0,15 A e 0,03 A, isso dá cerca de 139 mA. Multiplique pelo objetivo de autonomia (8 h, ou preferencialmente 24 h conforme a orientação britânica MSIS) e depois divida pelo fator combinado de temperatura fria, fim de vida e margem de projeto, que é cerca de 0,63 no exemplo resolvido. Isso produz um pack nominal de cerca de 1,8 Ah para 8 h ou 5,3 Ah para 24 h, antes de escolher uma configuração de células padrão.

De quantas células NiMH em série eu preciso?

Cada célula NiMH selada tem nominalmente 1,2 V. Seis células em série dão 7,2 V (cerca de 8,5 V nova, 6,0 V vazia) e se adequam a um portátil de classe 7,2 V, a mesma classe nominal de um pack Li-ion 2S. Oito células dão 9,6 V (cerca de 11,4 V nova, 8,0 V vazia) e se adequam a um rádio de classe 9 V como a classe de primário BP-234 de 9,0 V. Os ramos paralelos são adicionados apenas para capacidade e divisão da corrente de pulso, e o corte de baixa tensão do rádio deve ser verificado contra a tensão do pack a frio no fim de vida.

O NiMH selado funciona a -20 °C em um convés frio?

Sim, com uma derrapagem consciente. A baixa temperatura aumenta a resistência interna e reduz a capacidade disponível e a tensão ao final do pulso, então os projetistas usam células de alta corrente e baixa resistência, superdimensionam o pack, adicionam ramos paralelos para reduzir a corrente de pulso por célula e confirmam que o rádio nunca atinge seu corte durante a transmissão mais fria no fim de vida. Os packs só devem ser carregados após retornarem a cerca de 0 a 45 °C, não quando congelados.

Um sinalizador AIS-SART ou AIS-MOB pode usar células recarregáveis?

Não para a função regulamentar. Os AIS-SART conforme as normas IEC 61097-14 e MSC.246(83) são projetados para cerca de 96 horas de transmissão e os AIS-MOB pessoais para cerca de 48 horas, após anos de armazenamento sem exercício, razão pela qual as amostras comerciais usam lítio primário selado (por exemplo McMurdo SmartFind S5A, AMEC PLOMO-500 e SAILOR 5052). Uma química recarregável não pode garantir essa disponibilidade; o AIS recarregável se limita a transponders portáteis alimentados e carregados pelo navio ou pela base.

Que normas e regras de transporte se aplicam a um pack NiMH recarregável de portátil marítimo?

Use a IEC 61951-2 para desempenho de células NiMH portáteis seladas, a IEC 62133-1 para segurança de sistemas de níquel, a IEC 60945 para ambiente marítimo e EMC, a IEC 60529 para penetração IPX7, e a UN 3496 com a disposição especial IATA A199 para transporte aéreo, que não impõe as restrições de mercadorias perigosas do lítio. O aparelho de socorro completo em si traz a marca de roda MED sob a Diretiva 2014/90/EU; essa aprovação não é transferida para o pack recarregável.

Fontes e normas

Normas e referências de desempenho: Resolução IMO MSC.149(77) e IEC 61097-12 (VHF bidirecional de embarcação de sobrevivência; 8 h a 1:9; vida de prateleira do primário); Resolução IMO MSC.246(83) e IEC 61097-14 (AIS-SART); recomendação ITU-R M.1371 (características técnicas AIS, 161.975 / 162.025 MHz); IEC 61108 (GNSS); IEC 62287 (AIS de bordo classe A/B); IEC 60945 (ambiente e EMC de equipamentos de navegação e rádio marítimos); IEC 60529 (código IP, IPX7); IEC 61951-2 (células NiMH portáteis seladas); IEC 62133-1 (segurança de células de níquel); UN 3496 e disposição especial IATA A199 (transporte NiMH); Diretiva europeia 2014/90/EU (equipamentos marítimos, marca de roda MED); UK MSIS capítulo 12 (orientação 8 h mínimo, 24 h preferidas).

Dados de produtos representativos usados para ancorar a fronteira de química: Icom BP-234 (9,0 V, 3300 mAh, lítio primário, IPX7, para uso com IC-GM1600E), Icom BP-265 (Li-ion 7,2 V), Icom BP-291 (compartimento LR6 AA × 5), McMurdo SmartFind S5A AIS-SART (cerca de 96 h, armazenamento plurianual), AMEC PLOMO-500 AIS-SART e SAILOR 5052 AIS-SART. Todos os cálculos de capacidade, corrente e tensão deste documento são exemplos de engenharia resolvidos marcados como ilustrativos; os valores certificados reais de qualquer aparelho são os de seu certificado de homologação de tipo e folha de dados.

Weijiang Power

Weijiang Power fabrica packs de baterias NiMH selados e Li-ion e bases de carga para portáteis OEM marítimos e industriais, incluindo packs recarregáveis para rádios VHF diários e de treinamento e rádios AIS portáteis. Dimensionamos cada pack a partir da corrente média do ciclo de trabalho, ajustamos a série 6S ou 8S à janela de tensão do rádio, especificamos células de alta corrente para os pulsos de transmissão a frio e projetamos a base em torno de uma carga terminada por -delta V/dT ou a 0,1 C, vedação IPX7 e resistência ao ar salino, seguindo o caminho IEC 61951-2, IEC 62133-1 e UN 3496 (IATA A199). Não substituímos a bateria de socorro de lítio primário selada e datada que o GMDSS exige; construímos o hardware recarregável que mantém as tripulações treinadas e a frota de rádios diária operacional. Envie-nos banda de rádio, potência de transmissão, ciclo de trabalho, janela de tensão, faixa de temperatura e objetivo de autonomia, e dimensionaremos o pack e a interface de carga em conjunto. No documento C passamos ao regime de ensaios de tipo, certificação e transporte que o pack final e seu aparelho devem atender.