Die Auslegung des Energiespeichers für einen schwimmenden Monitor bedeutet, die Architektur aus dem vorherigen Fachartikel in konkrete Zahlen und ein physisches Gehäuse zu übersetzen, das Salzwasser übersteht. Der Entwickler muss wählen, wie viele Zellen und in welcher Anordnung, wie viel gespeicherte Energie die angestrebte Zahl bewölkter Tage erkauft, wie das Pack Motor- und Funkimpulse ohne Spannungseinbruch liefert, wie der Solarladeregler ein NiMH-Pack anders behandelt als ein Lithium-Pack, und wie die gesamte Baugruppe aufgebaut wird, um Feuchte, Kondensation und Korrosion zu widerstehen, die schwächere Packs auf dem Wasser zerstören. Dieser zweite Artikel arbeitet diese Entscheidungen für Nickel-Metallhydrid durch: die Übersetzung eines Sieben-Tage-Autonomieziels und einer 12-V-artigen Schiene in ein seriell-paralleles Pack, die Dimensionierung des lokalen Impulsspeichers, die Festlegung eines maritim geeigneten Laderegimes, die Auswahl von Zellen mit geringer Selbstentladung, den Entwurf korrosionsbeständiger und vibrationsfester Konstruktion sowie das Hinzufügen von Redundanz und Überwachung, damit eine Boje auch dann weiter vertrauenswürdige Hydrologiedaten streamt, wenn ein Strang oder eine Zelle zu altern beginnt.
Die Dimensionierung beginnt eher beim Autonomieerfordernis als bei der Schiene. Man nehme die zyklusgemittelte Last in Watt, multipliziere mit vierundzwanzig Stunden und mit der angestrebten Zahl bewölkter Tage – sieben bei vielen kommerziellen Bojen, mehr in hochbreitengradigen oder Monsun-Einsätzen –, um die Wattstunden zu erhalten, die das Pack bei vernachlässigbarer Nachladung liefern muss, und teile dann durch die nutzbare Entladetiefe, die Wattstunde pro Zelle und einen Abschlag für Temperatur und kalendarische Alterung. Das Ergebnis ist die Mindest-Parallelkapazität; die Serienzahl wird separat durch die Systemschiene festgelegt.
Ein nominaler 12-V-Bus wird natürlicherweise aus zehn NiMH-Zellen in Reihe aufgebaut (10 mal 1,2 V), wobei parallele Stränge für Kapazität hinzugefügt werden; Niederspannungs-Loggerschienen nutzen weniger Zellen mit einem Wandler. Da die NiMH-Endentladespannung pro Zelle nahe einem Volt liegt, prüft der Entwickler, dass der Regler noch am unteren Ende des Packs arbeitet, nicht beim Nennwert. Ein oder zwei zusätzliche parallele Zellen an Energie einzuplanen ist günstiger als eine Bootsfahrt, um eine Boje zu retten, die in ihrer ersten schlechten Woche in die Unterspannung gerät.
Mehrzellige NiMH-Packs müssen aus gematchten Zellen aufgebaut werden, denn Serienstränge sind nur so stark wie ihr schwächstes Mitglied: Kapazitäts- und Impedanzfehlanpassung führt dazu, dass einige Zellen zuerst leer werden und andere während der Solar-Aufladung einen überproportionalen Überladungsanteil aufnehmen. Die Beschaffung gematchter, sortierter Zellen und die Verwendung konsistenter geschweißter Verbindungen hält das Strangverhalten einheitlich. NiMH verzeiht Überladung eher als Lithium-Ionen, was ein echter Vorteil in einem einfachen marinen Ladesystem ist, aber das Matching bestimmt dennoch die erreichbare Zyklenlebensdauer.
Parallele Stränge erhöhen die Kapazität und bieten einen gleitenden Abbau – wenn ein Strang schwächer wird, tragen die anderen die Last –, während die Serienzahl die Spannung definiert. Das Pack-Design dokumentiert Zellausrichtung, Laschenverschweißung, Isolierung zwischen den Strängen und zugängliche Messpunkte, damit alternde Stränge bei Wartungsbesuchen diagnostiziert werden können. Diese modulare, gematchte Konstruktion ist es, die ein Bojen-Pack Jahr für Jahr seine Nennautonomie liefern lässt und nicht nur im Neuzustand.
Die Durchschnittslast dimensioniert den Energiespeicher, aber der Einschaltstromstoß eines Wischermotors oder einer Pumpe und der Sendeimpuls eines zellularen Funks können kurzzeitig ein Mehrfaches dieses Durchschnitts verlangen. Wie beim Sensorknoten-Design liefert ein lokaler Speicher – ein Superkondensator oder eine an der Schiene gehaltene Kondensatorbank mit niedrigem ESR – den augenblicklichen Impuls, während die NiMH-Stränge ihn zwischen den Ereignissen wieder aufladen. Die Dimensionierung nutzt die Impulsenergie und den maximal zulässigen Spannungsabfall, und der Speicher wird körperlich nahe an der Last platziert, um die Schleifenimpedanz zu minimieren.
Auf einer Boje ist dies wichtiger als an Land, weil ein schwaches Zellsignal am Wasser den Funk länger und mit höherer Leistung senden lässt – genau dann, wenn ein kaltes oder teilentladenes NiMH-Pack seine höchste Impedanz hat. Ein korrekt dimensionierter Speicher verhindert Logger-Resets und fehlgeschlagene Uploads, ohne das gesamte Pack für einen Impuls überdimensionieren zu müssen, der nur einen Bruchteil des Zyklus dauert, und spart Gewicht und Volumen auf einer Plattform, auf der beide begrenzt sind.
Ein mariner Laderegler für ein NiMH-Pack unterscheidet sich von einem Lithium-Batteriemanagementsystem: Er braucht nicht die enge einzellige Spannungsbegrenzung, die Lithium-Ionen erfordert, aber der Regler muss dennoch den Ladestrom auf die Zellkapazität begrenzen, die Vollladung mittels -Delta-V, Temperaturanstieg oder einem sicheren Timer beenden oder abflachen, den nächtlichen Rückstrom verhindern und die häufigen flachen Aufladungen verwalten, die auf dem Wasser der Normalfall sind. Ein temperaturkompensiertes, konservatives Profil schützt das Pack durch die Hitze eines schwimmenden Gehäuses.
Da die Plattform wiederholt flach nachgeladen wird, statt hart zyklisiert zu werden, ist der Regler darauf abgestimmt, das Pack in seinem gesunden Mittelband zu halten und Vollladung als gelegentliches Ereignis zu behandeln statt als tägliches Ziel. Die Tieftemperatur-Ladesperre wird auf die Nenngrenze der Zelle gesetzt; bemerkenswerterweise kann NiMH unter dem Gefrierpunkt etwas Ladung aufnehmen, wo Lithium-Ionen es nicht können – ein Vorteil in Kaltwasser-Einsätzen, der im Wetterstationen-Artikel weiter untersucht wird. Der Regler meldet zudem Ladezustand und Gesundheit, damit die Landplattform ein sich verschlechterndes Pack melden kann, bevor es eine Datenlücke verursacht.
Das mechanische Gehäuse ist der Ort, an dem marine Packs überleben oder scheitern. Die Zellen sitzen hinter der IP68-Rumpfbarriere in einem trockenen, entwässerten Fach; Verbindungen sind eher geschweißt als federbelastet, um andauernde Bewegung zu überstehen; Stromschienen und Laschen nutzen korrosionsbeständige Beschichtung; jeder Verbinder ist für die Umgebung ausgelegt und gegen Kondensation geschützt; und die Baugruppe wird, wo angemessen, schutzlackiert oder vergossen, um Salzeinwanderung zu stoppen. Verguss fixiert die Zellen zudem gegen Vibration und leitet Wärme zum Rumpf.
Die thermische Platzierung vermeidet es, das Pack an sonnenaufgeheizten dunklen Oberflächen zu parken, da anhaltende Hitze die kalendarische Alterung von NiMH beschleunigt, während sie dennoch die bescheidene Wärme der Ladung entweichen lässt. Feuchtebarrieren, Trockenmittel im Fach und eine Entlüftung, die Druck ausgleicht, ohne Wasser einzulassen, vervollständigen das Gehäuse. Die Disziplin besteht darin, Korrosion und Kondensation vom ersten Layout an als Konstruktionsvariablen zu behandeln, nicht als Feldprobleme, die nach der Auslegung entdeckt werden.
Weil eine Boje teuer zu besuchen ist, wird Redundanz eingeplant: Parallele Stränge bauen sich gleitend ab, eine separate Reserve kann Logger und letzte bekannte Daten durch einen Fehler tragen, und der Regler protokolliert Spannung und Temperatur pro Strang, sodass eine alternde Zelle vorhergesagt statt erlebt wird. Die Wartungsintervalle werden dann aus echten Zustandsdaten festgelegt, wobei die lange Zyklenlebensdauer des NiMH-Packs diese Intervalle lang hält.
Der Validierungsplan spielt ein Worst-Case-Szenario auf dem Prüfstand nach: Eine programmierbare Quelle ahmt sieben schwache Sonnentage nach, elektronische Lasten spielen Sonden-, Wischer- und Funkimpulse bei kalten und warmen Temperaturen nach, und das Pack muss die Schiene durch jeden Upload halten und sich vollständig erholen, wenn die Sonneneinstrahlung zurückkehrt. Dass dieses Nachspiel bestanden wird – zusammen mit der formalen marinen Qualifizierung im letzten Artikel –, ist es, was eine Ansammlung von Zellen in einen Energiespeicher verwandelt, dem ein Betreiber auf dem Wasser jahrelang vertrauen kann.
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