Le celle NiMH sono lodate per funzionare nel freddo – molte conservano utili prestazioni di scarica ben sotto lo zero – ma caricare nel freddo è una questione diversa e più pericolosa. La bassa temperatura rallenta ogni processo da cui dipende una carica: diffusione dei protoni, cinetica degli elettrodi e soprattutto la ricombinazione dell'ossigeno che tiene sotto controllo la pressione della cella sigillata. Inserite una normale carica rapida in una cella che gela e il gas si accumula più velocemente di quanto possa essere consumato, spingendo la pressione verso la valvola anche se la tensione sembra normale. Questo articolo spiega perché il freddo limita la corrente di carica, quantifica i meccanismi e dettaglia le strategie sicure – qualificazione, riscaldamento di condizionamento, carica multistadio declassata – che permettono alle apparecchiature esterne, conservate d'inverno e della catena del freddo di caricare il NiMH in modo affidabile attraverso il freddo.
Una temperatura più bassa riduce la conducibilità ionica dell'elettrolita KOH concentrato (che presenta persino un comportamento non monotono conducibilità-concentrazione sensibile al gelo), rallenta la diffusione dei protoni nella massa attiva di nichel e alza la resistenza di trasferimento di carica – tutto visibile come l'allargato semicerchio EIS a bassa temperatura e la resistenza DC del Paper 17. La tensione di morsetto sotto corrente è di conseguenza più alta, il che può indurre un caricatore a credere che la cella sia quasi piena quando è semplicemente fredda e resistiva.
Anche il negativo a idruro assorbe idrogeno più lentamente a freddo, così la sua effettiva accettazione di carica e la sua riserva di capacità si riducono nel preciso momento in cui il positivo inizia a sviluppare ossigeno; il margine che rende tollerabile il sovraccarico sigillato si restringe proprio nel freddo.
La limitazione decisiva nel freddo è la ricombinazione dell'ossigeno: si basa sulla diffusione del gas attraverso il separatore e sulla catalisi superficiale al negativo, entrambe fortemente dipendenti dalla temperatura. Una corrente che si ricombina senza problemi a 20 C accumula ossigeno a 0 C e sotto, quindi la pressione interna sale prima e più velocemente – lo stesso meccanismo di una corrente eccessiva a temperatura ambiente (Paper 3), ma raggiunto nel freddo a una soglia di corrente molto più bassa.
Il rischio di apertura della valvola è quindi la ragione per cui la carica rapida è bloccata da un taglio di freddo vicino a 0 C nei IC di carica: il divieto è una protezione conservativa del sistema sigillato, non una preferenza per il funzionamento a caldo, e sotto la soglia la corrente deve essere ridotta a ciò che la ricombinazione a freddo può consumare.
Poiché il freddo alza la resistenza e la tensione di morsetto, una transizione di stadio basata sulla tensione o un limite di tensione massima scatta presto e sottocarica la cella; al contrario un caricatore che ignora la tensione elevata e spinge fino a una tensione fissa sovraccarica una volta che la cella si scalda. La carica robusta a freddo fonda le sue decisioni sulla corrente, compensa le soglie di tensione per temperatura e resistenza interna, e si appoggia sulla carica erogata e dT/dt anziché sulla tensione assoluta.
Anche il picco di -delta-V è distorto nel freddo – più grande e ritardato – quindi le soglie di terminazione convalidate a temperatura ambiente devono essere estese, oppure il controller dovrebbe usare una decisione multicriterio compensata in temperatura piuttosto che un calo fisso in millivolt.
Laddove il sistema può influire sulla temperatura, la soluzione preferita è portare la cella nella sua finestra di carica rapida prima di applicare una corrente elevata. Può essere ambientale (caricare l'apparecchiatura dopo che si è equilibrata al chiuso), tramite riscaldatori negli armadi esterni, o elettrica: una piccola corrente di condizionamento il cui calore I-quadrato-R e di ricombinazione alza dolcemente la temperatura della cella aggiungendo nel contempo un po' di carica, con il controller che monitora dT/dt e sale alla corrente rapida solo quando l'NTC oltrepassa la soglia di freddo – il cancello di qualificazione del Paper 12 applicato al caso del freddo.
L'auto-riscaldamento deve essere in anello chiuso: la corrente di condizionamento è dimensionata per riscaldare senza accumulare pressione, e il controller vigila che la temperatura salga realmente e gli indicatori di pressione restino benigni, segnalando un guasto se il riscaldamento si blocca.
Quando riscaldare è impossibile, caricare a una corrente declassata – in linea generale verso i livelli di carica lenta man mano che la temperatura si avvicina e scende sotto 0 C – con stadi conservativi, pause più lunghe (i profili a impulsi aiutano la lenta ricombinazione a mettersi in pari, Paper 13) e una terminazione orientata a timer e temperatura piuttosto che al distorto picco di tensione. La prima figura contrappone le finestre di corrente ammissibili a freddo e a caldo; la seconda sequenzia una carica sicura a freddo, dalla qualificazione attraverso il condizionamento fino alla salita alla carica rapida.
Catena del freddo, backup telecom invernale, sensori esterni e apparecchiature polari/militari usano tutte varianti di questa logica: accettare un tempo di carica più lungo in cambio di tenere la produzione di gas entro il tasso di ricombinazione a freddo, senza mai aprire la valvola di una cella solo perché era fredda.
Definire il taglio a bassa temperatura della carica rapida, la regola di auto-riscaldamento tramite corrente di condizionamento con la sua supervisione dT/dt, la curva di corrente in funzione della temperatura declassata sotto il taglio, le soglie di tensione e terminazione compensate in temperatura, e il comportamento di guasto assoluto. Validare in una camera termica sull'intero intervallo di freddo con pressione strumentata ove possibile. Weijiang fornisce inviluppi di carica a bassa temperatura e dati di corrente limitati da resistenza e ricombinazione per grado, affinché i prodotti classificati per l'inverno si carichino a piena capacità senza aprire la valvola. Segue il problema complementare – caricare quando la cella è troppo calda.
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