Температура — самый информативный сигнал, который способен измерить недорогой зарядный прибор для NiMH, и он обретает смысл только при понимании источников тепла. Тепло заряжаемой ячейки — это сумма трёх физически различных членов: необратимого джоулева и перенапряженческого нагрева, масштабирующегося с током и внутренним сопротивлением; меньшего обратимого энтропийного члена, меняющего знак между зарядом и разрядом; и — что решающе в конце заряда — тепла, выделяющегося при рекомбинации на отрицательном электроде кислорода, образованного на положительном. Данная работа по членам выстраивает тепловой бюджет заряда, показывает, почему скорость роста температуры так резко ускоряется, когда ячейка становится полной, и использует этот учёт для объяснения широко применяемого критерия завершения в один градус Цельсия в минуту.
Всякий раз, когда ток проходит через сопротивление, оно рассеивает тепло I-в-квадрате-R; в ячейке NiMH это сопротивление есть сумма омических вкладов электролита, сепаратора, электродов и токоотводов плюс «сопротивление поляризации», представляющее кинетические и концентрационные перенапряжения. Этот необратимый член присутствует на протяжении всего заряда, грубо масштабируется с квадратом тока и растёт по мере повышения внутреннего сопротивления со старением и при низком уровне заряда.
Поскольку он масштабируется с квадратом тока, необратимый член непропорционально наказывает высокие скорости: удвоение зарядного тока примерно вчетверо увеличивает базовый резистивный нагрев, поэтому быстрый заряд неотделим от теплового менеджмента и поэтому состаренная, более высокоимпедансная ячейка работает горячее даже при идентичном профиле.
Электрохимические реакции также несут энтропийную составляющую тепла, T умножить на dS, связанную с энтропией реакции; она обратима в том смысле, что меняет знак между зарядом и разрядом и изменяется с уровнем заряда по мере изменения фазового состава электродов. В NiMH она обычно меньше необратимого и рекомбинационного членов во время быстрого заряда, но её необходимо включать в точные тепловые модели, и она вносит вклад в тонкую температурную зависимость кривой зарядного напряжения.
Модель энергетического баланса, опускающая энтропию, будет слегка неверно предсказывать температуру в середине заряда, что важно, когда температура используется не просто как отключение, а как количественный оценщик состояния — тема более поздней группы работ.
Решающий тепловой факт о NiMH состоит в том, что перезаряд по существу на 100 процентов неэффективен в энергетическом отношении: ток, рекомбинирующий кислород по внутреннему контуру, не даёт чистого запаса и высвобождает свою энергию в виде тепла. По мере заполнения ячейки и перенаправления в этот контур всё большей доли тока суммарное тепловыделение растёт, хотя ток поддерживается постоянным — признак, который термистор обнаруживает как ускоряющийся рост температуры.
Вот почему температура, в отличие от напряжения, ближе к полному заряду становится информативнее, а не наоборот: пока -ΔV при высокой температуре уменьшается, скорость нагрева растёт. Рекомендации изготовителей, сходящиеся к максимальной скорости роста температуры около 1 градуса C в минуту и абсолютному отключению в районе 50–60 градусов C, представляют собой прямое эмпирическое кодирование этого теплового бюджета.
Сосредоточенная тепловая модель записывает теплоёмкость ячейки, умноженную на dT/dt, как сумму трёх членов генерации минус тепло, отданное окружению; теплоёмкость малой цилиндрической ячейки определяется в основном её массой и стальным корпусом, тогда как тепловое сопротивление окружающей среде задаёт стационарную температуру, которой достигает данное рассеяние. Такая модель предсказывает наблюдаемый профиль заряда: мягкий резистивный разогрев в объёмном заряде, отчётливый перегиб, когда рекомбинация становится доминирующей, и — если заряд продолжается — крутой подъём к абсолютному отключению.
Разработчики используют модель и в обратном направлении: при заданной максимально допустимой температуре ячейки и известном тепловом сопротивлении до корпуса зарядного прибора она даёт максимальный устойчивый зарядный ток, а по измеренному dT/dt оценивает долю тока, уже теряемую на рекомбинацию — неявный сигнал уровня заряда и состояния здоровья.
Скорость роста надёжна, поскольку самонаправлена: она не зависит от абсолютной калибровки температуры или точного знания температуры окружающей среды и реагирует именно на тот механизм – неуправляемую рекомбинацию, – который должен предотвращать безопасный заряд. ИС управления зарядом, такие как семейство TI bq2002, реализуют завершение по скорости роста температуры наряду с -ΔV, максимальным напряжением, максимальной температурой и максимальным временем, именно потому что тепловой и вольтовый сигналы отказывают при противоположных условиях и вместе охватывают весь диапазон.
Всё же она способна ввести в заблуждение. Ячейка, перенесённая из тёплого кармана в зарядное устройство, термистор, закреплённый на PCB, а не на ячейке, или вентилятор охлаждения зарядного устройства, включающийся и выключающийся, — всё это способно создавать переходные процессы dT/dt, не связанные с рекомбинацией; надёжные конструкции устраняют дребезг сигнала по нескольким выборкам и сочетают его с порогами абсолютной температуры и напряжения, как иллюстрирует практика проектных заметок, требующая четырёх согласованных 30-секундных выборок.
Тепловая конструкция связывает ячейку, ток и корпус: выбирайте ток, чья база I-в-квадрате-R оставляет запас на обусловленный рекомбинацией рост в конце заряда; размещайте NTC-датчик в подлинном тепловом контакте с ячейками и усредняйте по многоячеечному пакету; конструируйте корпус и любой воздушный поток так, чтобы сосредоточенное тепловое сопротивление было известно, а абсолютное отключение достигалось лишь как настоящий аварийный предохранитель; и используйте дозаряд при пониженном токе, чтобы последние несколько процентов добавлялись без пребывания в режиме высокой рекомбинации.
Документирование ожидаемой сигнатуры dT/dt серийной ячейки – база в объёмном заряде, перегиб в конце заряда и ток, при котором достигается 1 градус C в минуту, – позволяет партнёрам по зарядным устройствам устанавливать пороги по данным, а не по общим правилам. Когда источники тепла учтены, следующая работа рассматривает создаваемый теплом рекомбинации вольтовый феномен: небольшой, но важный пик напряжения в конце заряда и отрицательное дельта-V.
Weijiang Power проектирует и производит никель-металлгидридные ячейки, согласованные пакеты и готовые к заряду конфигурации для потребительских, промышленных, медицинских заказчиков и заказчиков из сферы мобильности, и поддерживает партнёров рекомендациями по зарядным протоколам, файлами характеристик IEC 61951-2, доказательствами безопасности IEC 62133-1 и совместной валидацией зарядных устройств. Сообщите нам формат ячейки, скорость заряда, тепловой диапазон и целевую наработку в циклах, и наши инженеры зададут комбинацию ячейки и заряда, защищающую и время работы, и срок службы. Ознакомьтесь с ассортиментом на странице продукции.
