Una singola cella si carica in un vassoio aperto con aria tutt'intorno; un pacco si carica dentro un volume vincolato dove le celle interne non possono dissipare il calore con la stessa facilità delle celle di superficie, e dove una cella calda può modificare il comportamento dell'intera catena. La gestione termica a livello di pacco è quindi un prerequisito per la carica rapida di NiMH multicella, non un'aggiunta a posteriori. Questo articolo tratta la progettazione termica di un pacco NiMH in carica – come il calore viene generato e distribuito, come disporre i percorsi di conduzione e flusso d'aria, dove devono trovarsi i sensori di temperatura e quanti ne servono, e perché la corrente di carica debba essere sempre governata dalla cella più calda anziché da quella media – per mantenere ogni cella entro l'inviluppo definito dagli articoli sulla cella singola.
Dentro un pacco, le fonti di calore variano: le celle interne hanno maggiore resistenza termica verso l'ambiente e lavorano più calde delle celle di bordo; le celle con resistenza interna leggermente più alta generano più calore I-quadrato-R; e le prime celle a raggiungere la carica completa entrano in ricombinazione esotermica mentre altre accettano ancora carica, concentrando il calore nelle posizioni già più avanzate. Compaiono così gradienti termici che si accentuano nella fascia di fine carica, anche fra celle nominalmente abbinate.
Una «temperatura di pacco» aggregata maschera questi gradienti; la progettazione deve ragionare sul campo termico spaziale, che una rete elettro-termica multinodo (Paper 18) può predire da geometria e perdite prima della prototipazione.
Le celle vanno disposte in modo che ciascuna abbia una via di fuga del calore definita: supporti o inglobaggi termoconduttivi che colleghino le celle a un telaio o a una parete esterna, telai portanti metallici che diffondono il calore, evitando cataste interne completamente isolate senza via d'uscita. Le celle cilindriche a stretto contatto conducono calore fra vicine – utile per diffondere, ma capace di propagare un punto caldo – perciò spaziatura, conducibilità dei supporti e pressione di contatto sono variabili di progetto con un effetto reale sulla temperatura di picco durante la carica.
Per i pacchi ad alta tassa, materiale di interfaccia termica verso una piastra diffusrice o la parete del contenitore trasforma l'intero alloggiamento in radiatore; la corrente di carica sostenibile è in ultima analisi fissata dalla resistenza termica di questa catena verso l'ambiente.
Dove è disponibile convezione, i canali di ventilazione devono allinearsi alla direzione naturale di galleggiamento ed evitare sacche morte; spaziare le celle per far circolare l'aria batte un blocco serrato per la carica rapida, anche a un modesto costo in volume. Il flusso d'aria forzato durante la carica appiattisce sostanzialmente i gradienti e consente corrente più alta, ma il controller deve conoscere lo stato della ventola – una ventola bloccata cambia la resistenza termica, e il profilo di carica deve declassare al caso senza flusso d'aria invece di presumere un raffreddamento venuto meno.
L'accensione e spegnimento della ventola crea anche artefatti dT/dt (Paper 7), perciò la terminazione termica deve usare misure filtrate ed evitare di scambiare un gradino di raffreddamento indotto dalla ventola per uno stato sicuro.
Gli NTC devono misurare le celle con più probabilità di essere le più calde – posizioni geometricamente interne, più vicine a una fonte di calore esterna e (dove noto) le celle a più alta resistenza – anziché le celle esterne di facile accesso. Un singolo sensore è accettabile solo per pacchi piccoli quasi isotermi; i pacchi più grandi ne richiedono diversi, e corrente di carica e terminazione sono governate dalla lettura massima: la cella più calda fissa il limite di ricombinazione e invecchiamento per l'intera catena, poiché la corrente è comune a tutte le celle in serie.
Un buon accoppiamento meccanico (Paper 7) – sensore agganciato o incollato al corpo di una cella, non alla scheda PCB – e un controllo di guasto del sensore completano la progettazione di rilevamento; una cella calda non misurata è la causa classica di incidenti di sovraccarico a livello di pacco.
Il controller del pacco combina il quadro termico spaziale con il quadro elettrico per cella: declassare la corrente a partire dalla cella più calda, terminare la catena quando le prime celle raggiungono i criteri di arresto validi, e usare il bilanciamento (i prossimi articoli) per ridurre la dispersione che crea celle calde. La prima figura contrappone le distribuzioni di temperatura di un pacco non gestito e uno thermicamente gestito; la seconda mette in sequenza il ciclo di governo della cella più calda.
Predire il campo con un modello termico, confermare con cariche di prototipo strumentate con termocoppie ad ambiente peggiore e flusso d'aria bloccato, e validare che nessuna cella superi il proprio inviluppo di cella singola è l'equivalente a livello pacco della qualificazione di cella singola.
Weijiang supporta gli integratori di pacchi con indicazioni su spaziatura delle celle e termica, dati di generazione di calore della cella singola per alimentare i modelli termici del pacco, e selezione di celle abbinate che riduce la dispersione intrinseca che genera i gradienti. Un pacco termicamente solido è ciò che permette alle tecniche multicella in serie e di bilanciamento dei due prossimi articoli di funzionare affatto, perché il bilanciamento non può salvare una cella che il calore ha spinto fuori dal proprio inviluppo di carica sicuro.
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