環境センサーノードの負荷プロファイルを理解したら、パック設計は、それぞれ異なる方向へ引っ張る3つの量のバランスを取る作業になります。ハーベスティングがない最長の想定期間を生き延びるために蓄えておくべきエネルギー、無線が送信に必要とする瞬時電力、そして小型ハーベスタが現実的に供給できる微弱で断続的な電流です。エネルギーだけに最適化したパックは送信パルス下で落ち込むことがあり、パルスだけに最適化したパックは過大仕様となって微弱な太陽光では十分に充電されず、強力なアダプタを前提とする充電回路は屋内や冬期の太陽光の痕跡からではパックを決して満たせません。この第2回では、ニッケル水素（NiMH）についてそのバランスを掘り下げ、セル形状と直列構成、定義した暗黒期の自律時間目標に対する容量設定、無線バーストを担うコンデンサ蓄積層、微弱で断続的な電源に合わせた充電管理、低自己放電化学の役割、そして堅牢なノードを実験台でしか動かないノードから分ける寒冷とレイアウトの判断を扱います。
容量要件は、ハーベスタが本質的に何も供給しない最長の区間（太陽光ノードであれば連続する曇りの日、その他のハーベスタであれば汚れや埋もれ）に、周期平均負荷と安全マージンを掛けて決まります。公開されているブイや観測ステーションの設計では、再充電なしで7日以上の自律時間を規定するのが一般的ですが、同じ原則がより小さな規模にも当てはまります。自律時間の枠を時間で定義し、平均電流とシステム電圧を掛けてワット時を求め、使用可能な放電深度で割り、低温での容量損失と経年劣化のマージンを加えます。
NiMHは多くの充電式化学より深いサイクルに耐えますが、繰り返し完全に使い切られないときに最も長持ちします。したがって設計は、絶対的な遮断点まで設定するのではなく、自律時間の枠全体で浅い平均放電深度を目指すべきです。セルの公称電圧は1.2ボルトなので、放電終止電圧にわたってレギュレータと無線の最小入力を満たすように直列数を選びます。単一のAAまたはAAAは1.8V未満のシステムに適し、無線が3ボルト以上を必要とする場合は2セルまたは3セルのパックが昇降圧段を介して2.4Vまたは3.6Vのレールに給電します。
低インピーダンスのNiMHセルでさえ、送信パルスが短く鋭いときには局所的な蓄積層の恩恵を受けます。コンデンサ（より大きなバーストにはスーパーキャパシタ、小型ノードには積層セラミックのバンク）は、送信と送信の間にパック電圧に保たれ、50〜150 mAのバースト中に無線へ放電します。設定はQ = C × ΔVに従います。コンデンサは、パルスのエネルギーを供給するために許容可能な電圧低下で十分な電荷を保持する必要があり、その後NiMHセルが長いスリープ区間中にゆっくり再充電します。
この役割分担こそが、小さなNiMH容量を実用可能にするものです。セルは送信電流全体を直接供給する必要がないため、実効放電レートは低い平均値に近く保たれ、効率が向上し、発熱と電圧低下が最小化されます。トレードオフは再充電時間とリークです。蓄積層はバースト間の最短区間内に再び満たされる必要があり、そのリーク電流はスリープ予算の一部となります。セルのみの設計とセル＋蓄積層の設計を動画で比較すると、同じ公称セル容量でも後者がバースト全体ではるかに平坦な電圧を維持することが示されます。
環境ノードの小型ソーラーパネルは、商用アダプタとはまったく異なります。出力は雲の被覆、角度、汚れによって変動し、毎晩ゼロに崩れ落ち、1日の平均では数ミリワットしか供給できないことがあります。したがって充電管理段は、非常に低い消費電力で最大電力点方式のエネルギー抽出を行い、低い入力しきい値で充電を開始し、夜間に逆電流を防ぎ、NiMHセルがそれほど微弱な痕跡からは受け入れられない充電プロファイルを決して課してはなりません。
NiMHはここで有用に寛容です。温度補償された終止を備えた制御された定電流充電や、保守的なトリクル充電の上限が、浅く断続的な補充によく適合し、この化学は単純なハーベスティング・レギュレータが適用しうる穏当な過充電を、リチウムイオンセルが制御されない過充電に耐えるよりもはるかによく耐えます。それでも設計者は、充電温度範囲、セル容量に合わせた電流制限、実質的な急速充電に対する-ΔVまたはdT/dt終止を、タイマーと温度のバックアップとともに規定します。結果として、リチウムイオンが要求する精密な充電の規律なしに、ハーベスタが提供するものを吸収するパックが得られます。
自己放電は、意味のある再充電の間に数日空くことがある装置では一次の損失であり、一般的な高容量NiMHがソーラー待機の役割で歴史的に期待外れだった理由です。低自己放電の配合（データシートが12か月後に約75%の電荷を保持すると評価する同じ技術）は、長い暗い区間にわたって収穫したエネルギーを保持することでその計算を変えます。セルあたりの公称容量がわずかに低いことは、低デューティサイクルのノードでは、はるかに小さいカレンダー損失と引き換えの、通常は価値あるトレードです。
エネルギー収支モデルには、自己放電を脚注ではなく並列負荷として含める必要があります。最悪の冬の1週間にパックは負荷のエネルギーとカレンダー・リーク項の両方を失い、ハーベスタは両方をまかなわなければなりません。LSDグレードを選び、可能ならパックを中庸な充電状態に保ち、持続的な高温を避けることで、この寄生項が減り、自律時間の予測が現場での挙動と一致するようになります。
環境ノードは屋外で稼働し、寒冷下で内部抵抗が上がるにつれてNiMHの容量と電圧は低下します。影響は凍結付近では穏やかですが、約-10〜-20°Cを下回ると顕著になります。設計上の対応には、最も寒い月に備えた追加容量の設定、パックを柱に露出するのではなく熱的に緩衝された筐体に配置すること、セルのインピーダンスが最も高いときの寒冷パルスをまかなうコンデンサ蓄積層の使用、そして現場がNiMHの実用上の限界に近づく場合には、熱質量を追加するか、最も極端な観測ステーション向けにより広い温度範囲の化学を選ぶことが含まれます。
機械的レイアウトは電気設計と同じくらい重要です。セルには振動と熱膨張に対する固定が必要で、高振動現場ではばね接点より溶接タブまたは実証済みのホルダが必要で、充電終止のためにセル近くに温度センサーが必要で、熱を発生する無線回路から分離する必要があります。コンフォーマルコーティングと現場に合わせて定格された密閉筐体が、結露と塩分をパックから遠ざけ、これはパック設計を認証編で扱う侵入保護プログラムに直結させます。
各要素をまとめる作業は、反復可能な手順に従います。自律時間の枠と平均負荷を固定し、レール電圧から直列数を選び、エネルギー、放電深度、寒冷ディレーティングから容量を導き、送信エネルギーと許容低下からパルス蓄積層を追加・設定し、ハーベスティング充電器を最も弱い現実的な電源に合わせ、LSDセルを選び、熱的・機械的堅牢性のためにパックを配置します。各ステップは測定で確認できる数値を生み出し、曖昧な推奨ではありません。
その後、検証では実験台で実際のデューティサイクルに対して設計を再現します。ソースメジャーユニットまたはプログラム可能な負荷がスリープ–サンプル–送信の波形を再現し、ソーラーシミュレーターまたはプログラム可能な電源が良い冬の日と悪い冬の日を再現し、各バースト全体でレールが遮断点を上回ったままか、充電状態が各最悪週の収支を非負で締めるかで設計を判定します。その再現と最終回の正式な認証を通過する設計が、柱、ブイ、遠隔監視ステーションで何年も生き延びる設計です。
Weijiang Powerは、遠隔、オフグリッド、安全関連の機器向けに、密閉型ニッケル水素セルと整合させた産業用パックを設計・製造しており、OEMパートナーをIEC 61951-2の性能ファイル、IEC 62133-2の安全証拠、パルス負荷の特性評価、広温度範囲試験、充電器/パックの共同検証で支援します。デューティサイクル、ピーク電流、温度範囲、自律時間目標、製品が満たすべき規格をお知らせいただければ、当社のエンジニアが稼働時間、信頼性、耐用年数を守るセルとパックの組み合わせをご指定します。製品ページでラインアップをご確認ください。
