L'accettazione di carica è la frazione della corrente applicata che viene effettivamente immagazzinata come energia chimica utile invece di essere dirottata verso produzione di gas e calore; l'efficienza coulombiana è il rapporto tra la carica recuperata alla scarica e la carica fornita. In una cella NiMH nessuna delle due grandezze è costante: entrambe sono elevate a metà carica e crollano nella fascia finale dove dominano evoluzione di ossigeno e ricombinazione. Comprendere questa non linearità – e la sua dipendenza da temperatura e corrente – è la base di ogni profilo di carica efficiente, da un caricatore di consumo da due ore a un ibrido con frenata rigenerativa. Questo articolo quantifica la curva di accettazione, ne spiega le origini fisiche e mostra come un programma a corrente costante multistadio ben progettato la segua invece di combatterla.
L'efficienza coulombiana, o di carica, η_Q sono gli amperora di scarica consegnati divisi per gli amperora di carica che li hanno preceduti; l'efficienza energetica η_E pondera inoltre per la tensione ed è sempre più bassa per perdite ohmiche e di sovratensione. L'accettazione di carica in un dato istante si comprende al meglio come la pendenza locale d(carica immagazzinata)/d(carica in ingresso): la proporzione della corrente in ingresso che va ancora alle reazioni formatrici di Ni(OH)2/NiOOH e idruro invece che alla produzione di ossigeno e alla chimica parassita.
Nella regione di massa, forse dal 20 al 70 per cento di stato di carica, una cella NiMH sana accetta corrente con efficienze che in condizioni favorevoli possono superare il 95 per cento; lavori di trazione strumentati riportano ricarica efficiente fino a circa il 93 per cento di stato di carica a C/2 quando la pressione interna è correttamente controllata. Al di sopra di quella fascia l'accettazione marginale scende in fretta, ed è per questo che gli ultimi 10-20 per cento di una carica rapida sono sproporzionatamente lenti e caldi.
Il declino è meccanicistico. Quando l'elettrodo positivo esaurisce il Ni(OH)2 ossidabile, una quota crescente di corrente è forzata nella reazione di evoluzione dell'ossigeno; quando il negativo a idruro si avvicina alla sua capacità utilizzabile di idrogeno, la sua pressione di plateau di equilibrio sale e la cinetica di assorbimento rallenta. Entrambi gli effetti alimentano il ciclo di ricombinazione descritto nell'articolo 1, il cui sottoprodotto è calore, e quel calore accelera ulteriormente la produzione di ossigeno in una retroazione termica positiva. Spingere una corrente elevata costante attraverso questa regione compra dunque poca carica immagazzinata al prezzo di un grande aumento di temperatura.
La conseguenza pratica è una forma caratteristica di efficienza rispetto al SOC: un quasi-plateau a metà carica, un ginocchio intorno all'inizio dell'evoluzione di ossigeno ad alto SOC, e un calo ripido nella fascia finale dove la cella perlopiù riscalda sé stessa. Un caricatore incapace di identificare il ginocchio è costretto o a fermarsi presto lasciando capacità inutilizzata, o a sovraccaricare inutilmente, sacrificando la vita utile.
Il calore inizialmente migliora l'accettazione accelerando la diffusione dei protoni, il trasporto gassoso e la cinetica di ricombinazione; una cella fredda accetta male la corrente elevata, culmina a tensione più alta e rischia pressione interna perché la sua ricombinazione è lenta. Ma lo stesso calore che aiuta una cella fredda danneggia una calda: a temperatura elevata scende il potenziale di evoluzione dell'ossigeno, il calore di ricombinazione è più difficile da smaltire, e il segnale -ΔV si riduce – Analog Devices osserva che per il NiMH il -ΔV è quasi inesistente ad alta temperatura, sottraendo al caricatore il principale segnale di arresto proprio quando il sovraccarico è più dannoso.
I buoni profili condizionano quindi la corrente alla temperatura della cella: riduzione o preriscaldamento sul lato freddo, e riduzione aggressiva sul lato caldo, tenendo la cella dentro una finestra – in linea di massima vicino alla temperatura ambiente – dove l'accettazione è alta e la terminazione resta osservabile.
L'accettazione di carica dipende anche dal regime. A bassa corrente la cella ha tempo di distribuire i protoni e ricombinare l'ossigeno dolcemente, dando alta efficienza ma tempo di carica lungo; ad alta corrente i gradienti di concentrazione si irripidiscono, l'ossigeno è prodotto prima in termini di stato di carica e il riscaldamento locale aumenta. Una carica rapida a 1C raggiunge il regime di ricombinazione prima di una carica C/2 della stessa cella, e richiede quindi una terminazione più precoce e sensibile e un ambiente più fresco.
Per questo le schede dati separano la carica lenta raccomandata (comunemente 0,1C-0,2C, dove un semplice timer è relativamente sicuro) dalla carica rapida ammessa (0,5C-1C, che esige -ΔV, dT/dt e molteplici reti di sicurezza). La cella non ha una sola curva di efficienza; ha una famiglia indicizzata per corrente e temperatura.
La carica a corrente costante multistadio – e le sue varianti MSCCC intelligenti, compresi i progetti neuro-fuzzy controllati da ANFIS riportati in letteratura – divide la carica in gradini di corrente discendenti che seguono la curva di accettazione calante: una corrente di massa elevata finché l'accettazione è alta, poi correnti progressivamente più piccole superato il ginocchio, finendo con un breve completamento. Ciascun gradino tiene delimitata la frazione istantanea di sovraccarico, appiattisce la traiettoria della temperatura e alza l'efficienza energetica complessiva rispetto a un'unica corrente elevata.
La prima figura animata contrappone l'efficienza quasi piatta di metà carica al calo di fine carica; la seconda impila l'informazione che un controllore necessita a ogni stadio. Le soglie dei gradini si possono impostare su tensione, stato di carica, tasso di salita della temperatura o un modello, e l'arte sta nello scegliere punti di transizione adatti al comportamento di inizio ossigeno della cella specifica invece che a una curva generica.
Per un produttore di celle, il risultato consegnabile è una superficie di accettazione mappata – efficienza e pressione in funzione di stato di carica, corrente e temperatura – misurata su lotti di produzione rappresentativi, più un quadro di corrente raccomandato che resti sotto il regime limitato dalla ricombinazione nella fascia alta. Per un produttore di caricatori, è un profilo che consuma quel quadro con cautela, usando la ripida fascia finale per un completamento controllato invece di una spinta prolungata ad alta corrente.
La validazione deve caricare celle strumentate attraverso corrente e temperatura, integrando carica in ingresso e in uscita per calcolare η_Q direttamente e registrando pressione o temperatura come proxy di accettazione disponibile in produzione. Progettare secondo la curva di accettazione separa un caricatore che riempie le celle in fretta e al fresco da uno che ottiene lo stesso tempo nominale «cuocendo» l'ultimo 20 per cento – una distinzione che si riporta direttamente alle evidenze di vita in cicli sviluppate più avanti nella serie.
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