Quem projeta atravessando químicas depara com uma aparente estranheza: as células de íons de lítio são carregadas com um taper de corrente constante e depois tensão constante que mantém uma tensão máxima precisa, enquanto os carregadores NiMH regulam a corrente e, em vez disso, observam um pico e uma queda de tensão. A diferença não é convenção – decorre de como cada química falha em alto estado de carga. Este artigo compara os regimes de corrente constante, tensão constante e CC-CV combinado, explica por que um grampo de tensão não pode «completar» uma célula NiMH como faz com uma célula de lítio, esclarece o que o tão citado teto de 1,5 V por célula realmente representa, e extrai as implicações de projeto para carregadores multiquímica e para engenheiros que transferem hábitos de lítio para sistemas de níquel.
A corrente constante (CC) mantém uma corrente fixa enquanto a tensão encontra seu próprio nível; a tensão constante (CV) mantém uma tensão fixa enquanto a corrente decai à medida que a célula se aproxima dela; CC-CV aplica CC até um limiar de tensão, depois CV enquanto a corrente diminui até um valor de encerramento. Os íons de lítio usam CC-CV porque sua restrição vinculante é uma tensão de intercalação superior além da qual ocorrem deposição metálica e dano ao cátodo: manter essa tensão permite que a última capacidade seja adicionada a uma corrente segura, sempre decrescente.
A escolha do regime é ditada pelo que limita a carga em alto estado de carga – um potencial de tensão rígido no lítio, versus liberação de gás e recombinação no NiMH, que um grampo de tensão não controla.
Uma célula NiMH no fim da carga não tem uma tensão «cheia» estável para fixar: a tensão depende de corrente, temperatura, resistência interna e idade, atinge um pico e depois declina quando o aquecimento por recombinação assume (Artigo 5). Manter uma tensão fixa forneceria, portanto, uma corrente não controlada e dependente da temperatura – alta numa célula fria de baixa resistência e se esvaindo numa célula morna – e não garantiria carga completa nem limitaria a sobrecarga, porque o processo danoso, a recombinação do oxigênio, prossegue em qualquer corrente que o grampo permita.
Pior, à medida que a célula esquenta e sua tensão cai em carga cheia, uma fonte CV aumentaria a corrente para manter a tensão – uma retroalimentação positiva que impulsiona mais recombinação, mais calor e tensão ainda mais baixa, o oposto de um taper seguro. O NiMH exige, consequentemente, a corrente como variável controlada e critérios derivados do estado como sinal de parada.
A literatura de carregadores de consumo por vezes descreve a carga em massa até cerca de 1,45 V por célula e um máximo perto de 1,5 V; não são pontos de ajuste CV, mas limites de tensão protetores e marcadores de transição de estágio sob a corrente predominante. O número se move com taxa e temperatura – uma célula fria a 1C legitimamente excede a tensão de uma célula morna a C/2 – então é usado como teto de falha (uma célula acima dele a corrente modesta é suspeita) e como sinal de transição multiestágio, nunca como tensão na qual a corrente é reduzida até a conclusão.
Tratar 1,5 V como alvo CV ao estilo lítio é um clássico erro multiquímica que subcarrega células mornas e sobrecarrega frias; o análogo NiMH correto da «conclusão» é a conjunção de critérios de encerramento, não uma tensão.
Como a corrente é a grandeza controlada, o estágio de potência NiMH é projetado como uma fonte de corrente regulada – um abaixador com controle em modo corrente, um regulador linear com limitação de corrente ou uma chave controlada por PWM com sensor de corrente –, cujo ponto de ajuste a máquina de estados comanda através dos níveis rápido, complemento e flutuação. A tensão é medida, mas usada para qualificação, detecção de falhas e inferência de encerramento, sem fechar nenhuma malha de tensão.
É por isso que os CI de carga NiMH (a família bq2002 e seus pares) expõem pinos de controle de corrente e temporização em vez de malhas precisas de regulação de tensão: seu problema de controle é sequenciar a corrente e detectar o encerramento, o que é fundamentalmente diferente da tarefa de tensão precisa de um CI de carga de lítio.
Um carregador que suporta tanto lítio quanto NiMH deve mudar a topologia de controle por modo: uma malha CC-CV regulada em tensão com precisão firme da tensão da célula para o lítio, e uma malha regulada em corrente com encerramento -ΔV/dT/dt/temporizador para o NiMH, com o modo selecionado pelo usuário ou detecção confiável de química – nunca inferido apenas pela tensão, já que uma série NiMH parcialmente carregada pode ficar perto de tensões semelhantes às do lítio. A confusão multiquímica é um genuíno problema de segurança, porque cada regime é inseguro para a outra química.
A primeira figura contrasta as trajetórias de corrente e tensão do CC-CV de lítio com o CC-mais-encerramento do NiMH; a segunda mapeia qual variável é controlada e qual sinaliza a conclusão em cada regime, tornando a inversão explícita.
Para o NiMH, especifique um estágio controlado por corrente, defina os níveis de corrente por regime, use a tensão apenas para qualificação, falha ou encerramento, e nunca implemente um taper de manutenção de tensão; para produtos multiquímica, isole as duas malhas de controle e torne a seleção de química inequívoca e à prova de falhas. Valide os perfis NiMH através da temperatura para mostrar que a conclusão é alcançada por critérios de encerramento e não por tensão, e confirme que nenhum caminho de controle pode aumentar a corrente numa célula cheia que esquenta.
A Weijiang fornece superfícies de carga corrente-tensão-temperatura para suas células, de modo que o perfil controlado por corrente e seus limites protetores de tensão reflitam o comportamento medido. Estabelecidas as técnicas e regimes de carga rápida, a série se volta a seguir para o problema de saber o que está acontecendo dentro da célula durante a carga – a estimativa do estado de carga e do estado de saúde.
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