Una corrente elevata costante non lascia a una cella NiMH tempo di riprendere fiato: i gradienti di concentrazione si irrigidiscono, l'ossigeno si accumula e la temperatura sale senza tregua. La carica a impulsi e intermittente interrompe deliberatamente la corrente con intervalli di riposo o a corrente ridotta, durante i quali i protoni si ridistribuiscono, l'ossigeno si ricombina e pressione e temperatura si rilassano – riacquistando di fatto margine di carica rapida. Questo articolo analizza i meccanismi fisici con cui la pulsazione aiuta, passa in rassegna le scelte di duty cycle e frequenza riportate nella pratica dei caricatori e della ricerca, distingue i benefici autentici dal folklore, ed espone come progettare un profilo intermittente la cui corrente media, corrente di picco e rapporto di riposo siano adattati alle costanti di tempo di rilassamento di una cella specifica.
Quando la corrente di carica viene rimossa, iniziano tre processi di rilassamento. I gradienti di concentrazione dentro l'elettrodo positivo spesso si appiattiscono per diffusione allo stato solido, riducendo la polarizzazione che aveva anticipato l'inizio dell'ossigeno; l'ossigeno generato durante l'impulso continua a diffondere al negativo e a ricombinarsi senza che venga prodotto nuovo ossigeno, cosicché la pressione interna cade; e il calore si dissipa senza nuovo apporto di Joule, abbassando la temperatura di picco. Ogni processo ha la sua costante di tempo, da secondi per il rilassamento termico ed elettrico a più lungo per la diffusione gassosa e solida.
L'impulso successivo parte quindi da uno stato a pressione più bassa e polarizzazione minore di quanto manterrebbe una corrente continua di uguale media, base meccanicistica della capacità della carica a impulsi di sostenere una corrente di picco più alta senza oltrepassare il tetto di pressione o termico.
Un profilo a impulsi è definito da corrente di picco Ipk, corrente di riposo (zero o un piccolo valore), periodo e duty cycle; corrente media Iavg = duty cycle per Ipk. Un caricatore può fornire una data media – e quindi un dato tempo di carica – con un Ipk più alto e un duty cycle più basso, guadagnando finestre di rilassamento, ma spingere Ipk troppo alto reintroduce gradienti ripidi e una grande tensione istantanea dentro ogni impulso. L'ottimo di progetto bilancia l'ampiezza di picco contro la lunghezza del riposo così che la cella si rilassi in modo significativo senza che l'impulso diventi abusivo.
La ricerca sui profili multistadio e pulsati (inclusi caricatori NiMH solari PWM e schemi controllati MSCCC/ANFIS) tratta coerentemente corrente media e forma d'impulso come variabili di progettazione separate, un grado di libertà aggiuntivo che la carica a corrente costante non ha.
La frequenza degli impulsi deve essere adattata al rilassamento che intende sfruttare. Commutare molto più velocemente delle costanti di tempo di diffusione e gas (intervallo kilohertz) non lascia tempo per il rilassamento fisico e si comporta elettricamente come corrente continua con ripple extra; commutare molto più lentamente del necessario allunga semplicemente il tempo di carica. I profili intermittenti benefici operano su scale da secondi a decine di secondi, dove la ricombinazione dei gas e il rilassamento termico progrediscono realmente tra gli impulsi.
Le affermazioni che la pulsazione ad altissima frequenza ottenga una desolfatazione spettacolare o ripristino di capacità nei sistemi acquosi al nichel vanno trattate con cautela; i benefici difendibili e supportati da evidenze sono il rilassamento dei gradienti, la gestione della pressione e la media termica sulla scala dei secondi, non «frequenze magiche» risonanti.
L'intermittenza è più preziosa dove la carica continua è più sollecitata – la banda terminale ad alto SOC. Sostituire una spinta costante a 1C sopra il 70 per cento con impulsi permette all'ossigeno accumulato di ricombinarsi durante i riposi, appiattendo la salita di pressione e temperatura e spingendo più alto lo stato di carica raggiungibile prima della terminazione. Il lavoro di trazione che mostra una carica efficiente al 93 per cento sotto controllo di pressione è naturalmente implementato come una corrente che arretra ogni volta che la pressione o il suo surrogato termico sale – un profilo intermittente, guidato da retroazione.
Il mantenimento a impulsi dopo la carica (Articolo 9) è il limite a basso duty cycle dello stesso principio: brevi impulsi separati da lunghi riposi corrispondono all'autoscarica senza ricombinazione sostenuta, illustrando un meccanismo che copre carica rapida e mantenimento.
Gran parte della letteratura quantitativa sulla carica a impulsi origina da lavori sugli ioni di litio sulla soppressione della placcatura di litio; quei benefici numerici non si trasferiscono direttamente al NiMH acquoso, il cui processo limitante è lo sviluppo e la ricombinazione dell'ossigeno anziché la placcatura. Le affermazioni credibili NiMH poggiano su confronti misurati di pressione, temperatura e vita in cicli contro un controllo a corrente costante a uguale corrente media e uguale capacità erogata – l'unico test equo, poiché un profilo pulsato che fornisce semplicemente meno carica apparirà «più delicato» per ragioni banali.
La prima figura contrappone la pressione sotto corrente continua e pulsata a uguale carica media; la seconda scompone i processi di rilassamento durante un singolo riposo, dando una base visiva per scegliere la durata del riposo dalle costanti di tempo misurate anziché a indovinare.
Si parta dalla corrente media richiesta e dal tetto misurato della cella limitato dalla ricombinazione; si scelga Ipk modestamente sopra il limite continuo, si fissi la lunghezza del riposo dalle curve strumentate di rilassamento di pressione e termico, e si regoli il duty cycle per raggiungere Iavg; poi si validi ciclando contro un controllo a corrente costante a uguale flusso di carica, confrontando picchi di pressione, temperatura, SOC di terminazione e ritenzione di capacità. I criteri di terminazione del gruppo precedente valgono invariati, valutati durante gli impulsi su base stabile di corrente.
Weijiang può fornire le costanti di tempo di rilassamento di pressione e termiche per le celle candidate, permettendo ai partner di dimensionare i riposi degli impulsi sulla cinetica reale. Un profilo strettamente correlato con un elemento di corrente negativa aggiunto – la carica Reflex – merita un esame separato ed è oggetto del prossimo articolo.
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