Chi progetta a cavallo tra più chimiche incontra un'apparente stranezza: le celle agli ioni di litio si caricano con un taper a corrente costante e poi tensione costante che mantiene una tensione massima precisa, mentre i caricatori NiMH regolano la corrente e sorvegliano invece un picco e una caduta di tensione. La differenza non è una convenzione: discende da come ciascuna chimica fallisce ad alto stato di carica. Questo articolo confronta i regimi a corrente costante, tensione costante e CC-CV combinato, spiega perché un morsetto di tensione non può «completare» una cella NiMH come fa con una cella litio, chiarisce cosa rappresenta realmente il tetto spesso citato di 1,5 V per cella, e trae le conseguenze progettuali per i caricatori multi-chimica e per gli ingegneri che trasferiscono abitudini litio nei sistemi al nichel.
La corrente costante (CC) mantiene una corrente fissa mentre la tensione trova il proprio livello; la tensione constante (CV) mantiene una tensione fissa mentre la corrente decade man mano che la cella le si avvicina; CC-CV applica CC fino a una soglia di tensione, poi CV mentre la corrente si riduce fino a un valore di terminazione. Gli ioni di litio usano CC-CV perché il loro vincolo stringente è una tensione di intercalazione superiore oltre la quale si verificano deposizione metallica e danno del catodo: mantenere quella tensione permette di aggiungere l'ultima capacità a una corrente sicura, sempre più bassa.
La scelta del regime è dettata da ciò che limita la carica ad alto stato di carica: un potenziale di tensione rigido nel litio, contro sviluppo di gas e ricombinazione nel NiMH, che un morsetto di tensione non controlla.
Una cella NiMH a fine carica non ha una tensione «piena» stabile da bloccare: la tensione dipende da corrente, temperatura, resistenza interna ed età, raggiunge un picco e poi decade quando subentra il riscaldamento da ricombinazione (Articolo 5). Mantenere una tensione fissa fornirebbe quindi una corrente non controllata e dipendente dalla temperatura – alta in una cella fredda a bassa resistenza e evanescente in una calda – e non garantirebbe né la carica completa né limiterebbe la sovraccarica, perché il processo dannoso, la ricombinazione dell'ossigeno, procede a qualsiasi corrente il morsetto consenta.
Peggio ancora: man mano che la cella si scalda e la sua tensione scende a carica completa, una sorgente CV aumenterebbe la corrente per mantenere la tensione – una retroazione positiva che guida più ricombinazione, più calore e una tensione ancora più bassa, l'opposto di un taper sicuro. Il NiMH richiede quindi la corrente come grandezza controllata e criteri derivati dallo stato come segnale di arresto.
La letteratura sui caricatori di consumo descrive talvolta la carica di massa fino a circa 1,45 V per cella e un massimo vicino a 1,5 V; non sono valori di impostazione CV ma limiti di tensione protettivi e marcatori di transizione di stadio alla corrente prevalente. Il numero si sposta con velocità e temperatura – una cella fredda a 1C supera legittimamente la tensione di una cella calda a C/2 – perciò è usato come tetto di guasto (una cella al di sopra a corrente modesta è sospetta) e come segnale di transizione multistadio, mai come tensione alla quale la corrente è ridotta fino a completamento.
Trattare 1,5 V come un bersaglio CV in stile litio è un classico errore multi-chimica che sottocarica le celle calde e sovraccarica quelle fredde; il corretto analogo NiMH di «completamento» è la congiunzione dei criteri di terminazione, non una tensione.
Poiché la corrente è la grandezza controllata, lo stadio di potenza NiMH è progettato come sorgente di corrente regolata – un riduttore con controllo in modalità corrente, un regolatore lineare con limitazione di corrente o un interruttore comandato da PWM con sensore di corrente –, il cui setpoint la macchina a stati comanda attraverso i livelli rapido, completamento e mantenimento. La tensione è misurata ma usata per qualificazione, rilevamento guasti e inferenza di terminazione, senza chiudere alcun anello di tensione.
Per questo i CI di carica NiMH (la famiglia bq2002 e i suoi simili) espongono pin di controllo della corrente e di temporizzazione invece di anelli precisi di regolazione della tensione: il loro problema di controllo è sequenziare la corrente e rilevare la terminazione, cosa fondamentalmente diversa dal compito di tensione precisa di un CI di carica litio.
Un caricatore che supporti sia litio sia NiMH deve cambiare topologia di controllo a seconda del modo: un anello CC-CV regolato in tensione con accurata tensione di cella per il litio, e un anello regolato in corrente con terminazione -ΔV/dT/dt/timer per il NiMH, con il modo scelto dall'utente o da un rilevamento affidabile della chimica – mai desunto dalla sola tensione, poiché una stringa NiMH parzialmente caricata può trovarsi vicino a tensioni simili a quelle litio. La confusione tra chimiche è un vero problema di sicurezza, perché ciascun regime è insicuro per l'altra chimica.
La prima figura contrappone le traiettorie di corrente e tensione del CC-CV litio al CC-più-terminazione NiMH; la seconda mappa quale variabile è controllata e quale segnala il completamento in ciascun regime, rendendo esplicita l'inversione.
Per il NiMH, specificate uno stadio a controllo di corrente, definite i livelli di corrente per regime, usate la tensione solo per qualificazione, guasto o terminazione, e non implementate mai un taper a tensione mantenuta; per i prodotti multi-chimica, isolate i due anelli di controllo e rendete la selezione della chimica non ambigua e a prova di guasto. Convalidate i profili NiMH al variare della temperatura per mostrare che il completamento è raggiunto dai criteri di terminazione anziché dalla tensione, e confermate che nessun percorso di controllo può aumentare la corrente in una cella piena che si scalda.
Weijiang fornisce superfici di carica corrente-tensione-temperatura per le sue celle, così che il profilo a controllo di corrente e i suoi limiti di tensione protettivi riflettano il comportamento misurato. Stabilite tecniche e regimi di carica rapida, la serie passa poi al problema di capire cosa accade dentro la cella durante la carica – la stima dello stato di carica e dello stato di salute.
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