تصميم بطارية جهاز تعدين محمول ذاتي الأمان هو تمرين في تحديد الطاقة لا في تعظيمها، وقواعد IEC 60079-11 للخلايا والبطاريات من أكثر القواعد إلزامية في المعيار كله. وتطوّر هذه الورقة الثانية حزمة نيكل-هيدريد الفلز مختومة لمصباح خوذة وكاشف ميثان شخصي يجب اعتمادهما Ex ia I Ma. وتستعرض متطلبات المعيار الخاصة بالبطاريات — استخدام أنواع خلايا معترف بها، والتحكم في الجهد الأقصى وتيار القصر المحتمل، والحماية على التوالي ضد أعطال الخلايا، ومنع الشرر أثناء التوصيل أو الاستبدال في المنطقة الخطرة — وتترجمها إلى حزمة ملموسة: خلايا متطابقة، ومنصهر تسلسلي معصوم، وأجهزة تحديد تيار أو حجب مُحجَّمة وفق منحنيات اشتعال الميثان، وتغليف أو حامل مُغلق يمنع القصر العرضي وتسرّب الإلكتروليت، وحماية من الشحن العكسي لخلايا مفردة، وتصميم ميكانيكي يصمد في المنجم. ثم تحدد السعة لوردية إحدى عشرة ساعة مع احتياطي إنذار مضمون، وتصف الشاحن — الذي يتم، مثل معظم الشحن، خارج المنطقة الخطرة فقط — وتضع NiMH بصراحة إلى جانب منافسيها: كتل الرصاص-الحمض في مصابيح الخوذة القديمة، الثقيلة الحاوية للحمض، وكيمياء الليثيوم العالية كثافة الطاقة لكنها تخضع لتقييم سلامة ذاتية وهروب حراري أكثر صرامة بكثير. وتتعمد الورقة الصدق بشأن المواضع التي يتفوق فيها الليثيوم ولماذا تجعل، لكثير من أجهزة المجموعة الأولى المحمولة على الجسم، الميزاتُ المتمثلة في الجهد الأقل لكل خلية والسلوك القوي في مواجهة إساءة الاستخدام وحالة السلامة الأبسط لـ NiMH المختومة، خيارًا يمكن الدفاع عنه وملائمًا للاعتماد.
تُقيّد IEC 60079-11 البطاريات بشدة: لا يجوز استخدام إلا خلايا وبطاريات من نوع مشمول بمواصفات معترف بها؛ ويحدّد أقصى جهد للدائرة المفتوحة منحنيات السلامة الذاتية التي يُقيَّم باقي الدارة مقابلها؛ ويجب تحديد تيار القصر المحتمل بحيث لا يُنتج القصر التام عبر أطراف الحزمة شرارة مُشعِلة. وتتطلب الحزم القابلة لإعادة الشحن تدابير إضافية ضد الشحن العكسي لأي خلية أثناء التفريغ وضد توازي الخلايا بطرق تتيح تبادل تيار غير منضبط.
تحكم المعيار أيضًا في كيفية توصيل البطارية واستبدالها: فأي موصل قد يُفصل في المنطقة الخطرة يجب أن يكون بحد ذاته غير مُشعِل، وفي تصاميم الحماية القصوى تكون الحزمة ثابتة ومغلّفة ولا تُفتح إلا في منطقة آمنة. وتحدد هذه البنود بنية الحزمة قبل بدء أي حساب للسعة.
يبدأ تصميم السلامة الذاتية من خرج البطارية في أسوأ حالة ويمضي نحو الخارج. وتحدد الخلايا على التوالي الجهد الأقصى؛ وبالنسبة لـ NiMH، فإن 1.2 فولط اسمي لكل خلية تعني جهد حزمة متواضعًا لمصباح خوذة أو كاشف، مما يُبقي التصميم في الجزء المواتي من منحنيات اشتعال المجموعة الأولى. ويحدّ منصهر تسلسلي معصوم، غالبًا ما يُكرَّر أو يُجمع مع مقاوم محدد للتيار أو جهاز حجب، من تيار القصر المحتمل تحت عتبة الإشعال حتى مع عطل واحد، وتُبقى أي سعة أو محاثة في الحزمة والأسلاك تحت حدود الطاقة المخزّنة المسموح بها.
يجب أن تستوفي مكوّنات الحماية نفسها متطلبات العصمة في المعيار — مُقيّمة لتيار العطل، ومتباعدة، ومغلّفة عند الحاجة بحيث لا يُبطلها عطل واحد. وتنتقل الصورة المتحركة الأولى عبر تدفق التصميم هذا من اختيار الخلايا إلى ميزانية طاقة العطل المُتحقَّق منها؛ ويُجرى التحليل دائمًا في حالة الشحن الطازج بأقصى جهد، وهي أسوأ حالة لاشتعال الشرر.
تُغلَّف الأجهزة المحمولة للتعدين بالبوتقة أو تُحكَم بحيث لا يمكن لمس الوصلات الداخلية أو تقصيرها بالحطام أو اهتزازها لتنفك، وبحيث لا يصل إلكتروليت إلى المستخدم أو مسار موصل في الحالة النادرة لتنفيس الخلية. ويُثبّت التغليف وفق متطلبات البناء ذات الصلة الخلايا والمنصهر ومكوّنات التحديد في مجموعة واحدة مُقيَّمة؛ وأي تغيير في مورّد الخلايا أو التخطيط يتطلب تقييمًا موثقًا مقابل الشهادة.
الحماية من انعكاس الخلية ضرورية لسلاسل NiMH على التوالي: إذا استُنفدت خلية قبل الأخريات، يمكن للسلسلة المتبقية دفعها إلى الانعكاس، ولذلك تمنعها خلايا متطابقة ومتسقة حسب الدفعة، وقطع متحفظ لنهاية التفريغ، وحيثما يتطلب المعيار عناصر تجاوز أو حجب. ميكانيكيًا، تصمد الحزمة أمام السحق والسقوط والدورات الحرارية لجهاز محمول على الجسم، بواجهة مُفاتَحة ومُزلِجة لا يمكن تجميعها خطأً في ظلام غرفة المصابيح.
تُحجَّم السعة من ملف حمل LED والمستشعرات المقاس ليتجاوز زمن التشغيل المعتمد — إحدى عشرة ساعة مع الحزمة الرئيسية فوق حد الإضاءة المطلوب في مصباح خوذة، واستشعار مستمر مع إنذارات موثوقة في كاشف — مع تخفيضات لحرارة المنجم المنخفضة والتفريغ الذاتي بين الشحنات وسعة نهاية العمر بعد عدد الدورات المُقيَّم (تستهدف المصابيح المعتمدة أكثر من 500 دورة وإعادة شحن دون عشر ساعات). ويضمن احتياطي إنذار منفصل بقاء إنذار الميثان وتحذير انخفاض البطارية متاحين بعد توجيه المشغّل لإعادة الشحن.
ولأن الشاحن يعمل في غرفة المصابيح خارج المنطقة الخطرة، يمكن لـ NiMH استخدام ملف شحن مباشر خاضع للإشراف — تيار متحكم مع إنهاء -دلتا V أو الذروة، ودعائم حرارة ومؤقت — دون قيد الشحن في منطقة فيردامب، ويمكن لشاحن الأسطول تسجيل اتجاهات السعة والمقاومة الداخلية لإحالة الحزم للتقاعد قبل أن يهبط زمن تشغيلها تحت الحد المعتمد.
الرصاص-الحمض هي الكيمياء التاريخية لمصابيح الخوذة: رخيصة ومتسامحة، لكنها ثقيلة لجهاز يُحمل على الرأس، حاوية للحمض، ضعيفة في البرد وقصيرة العمر نسبيًا، وهو ما يتعارض مع أهداف بيئة العمل والتصميم المُحكم. وتوفر خلايا أيون الليثيوم والليثيوم الأولية أعلى كثافة طاقة وأطول زمن تشغيل لكل جرام، لكن حالة السلامة الذاتية لديها أصعب بكثير: فالجهد العالي لكل خلية يحرك التصميم إلى أعلى على منحنيات الاشتعال، ويجب على المُقيّم أيضًا معالجة أعطال الخلايا الداخلية والانتشار الحراري بحماية إضافية وتكرار وأحيانًا ثقة أقل في حماية المعدات — عبء جسيم لجهاز سلامة الأرواح Ex ia Ma.
يقع NiMH المختوم عند نقطة وسطى براغماتية: فجهد 1.2 فولط لكل خلية وتيار العطل المحتمل المحدود يُسهّلان تصميم تحديد الطاقة، وهو لا يحتوي على حمض حر، ويتحمل دورات حرارة المنجم والاستخدام اليومي الضحل، وهو قوي ميكانيكيًا، ويُشحن بموجب قواعد النقل لغير الليثيوم. وتُسجّل الصورة المتحركة الثانية درجات الكيميائيات على المحاور المهمة لأجهزة المجموعة الأولى المحمولة؛ ويظل الليثيوم مبررًا حيثما كان الوزن الأدنى أمرًا بالغًا وقُبلت الهندسة الأمنية الإضافية، بينما كثيرًا ما يكون NiMH الخيار الأسرع اعتمادًا والأكثر تحملًا لإساءة الاستخدام والأقل مخاطر على مدى دورة الحياة لأسطول من مصابيح الخوذة والكواشف.
قبل الاعتماد، تُتحقق من الحزمة على المنضدة مقابل حمل المصباح والمستشعر الحقيقي عند درجة الحرارة وفي نهاية العمر؛ ويُختبر المنصهر ومكوّنات التحديد بتطبيق عمدي للعطل للتأكد من أن تيار القصر وطاقة الشرر يبقيان تحت عتبات المجموعة الأولى؛ وتؤكد اختبارات انعكاس الخلية والتفريغ العميق الحماية؛ ويتحقق السقوط والاهتزاز والدورات الحرارية من التغليف والوصلات. ويُقاس زمن التشغيل مقابل متطلبات الإضاءة لإحدى عشرة ساعة واحتياطي الإنذار، وليس سعة ورقة بيانات الخلية.
المُخرَج هو حزمة موصوفة ومضبوطة البناء، مع ميزانية طاقة عطل موثقة ومنحنى زمن التشغيل مقابل درجة الحرارة وقائمة مواد (BOM) معتمدة — المنتج الدقيق الذي تتطلبه حملة اختبارات النوع IECEx/ATEX في الورقة الأخيرة، والأساس الذي يمكن أن يحدّد عليه المصنّع الأصلي NiMH بثقة داخل جهاز Ex ia I Ma.
Weijiang Power تصمّم وتصنّع خلايا هيدريد معدن النيكل المُحكمة الإغلاق وحزمًا صناعية مطابقة للمعدات النائية والخارجة عن الشبكة والمتصلة بالسلامة، وتدعم شركاءها من مصنّعي المعدات الأصلية (OEM) بملفات أداء IEC 61951-2، وأدلة سلامة IEC 62133-2، وتوصيف الحمل النبضي، واختبارات المدى الحراري الواسع، والتحقق المشترك للشاحن/الحزمة. أخبرنا بدورة عملك، وتيار الذروة، ونطاق درجة الحرارة، وهدف الاستقلالية، والمعايير التي يجب أن يفي بها منتجك، وسيحدّد مهندسونا تركيبة خلية-وحزمة تحافظ على زمن التشغيل والموثوقية والعمر الافتراضي. استعرض المجموعة على صفحة المنتجات.
