A temperatura é o sinal mais informativo que um carregador NiMH de baixo custo pode medir, e só se torna significativa quando as fontes de calor são compreendidas. O calor de uma célula em carga é a soma de três termos fisicamente distintos: o aquecimento irreversível Joule e de sobrepotencial que escala com a corrente e a resistência interna; um termo entrópico reversível mais pequeno que muda de sinal entre carga e descarga; e, de forma decisiva no fim da carga, o calor libertado quando o oxigénio gerado no positivo é recombinado no negativo. Este artigo constrói termo a termo o orçamento térmico da carga, mostra por que a taxa de subida da temperatura acelera tão acentuadamente quando uma célula fica cheia, e usa essa contabilidade para explicar o amplamente usado critério de um grau Celsius por minuto.
Sempre que uma corrente atravessa uma resistência dissipa calor I-quadrado-R; numa célula NiMH essa resistência é a soma dos contributos óhmicos do eletrólito, separador, elétrodos e linguetas mais a «resistência de polarização» que representa os sobrepotenciais cinéticos e de concentração. Este termo irreversível está presente ao longo de toda a carga, escala aproximadamente com o quadrado da corrente e cresce quando a resistência interna aumenta com a idade e a baixo estado de carga.
Como escala com a corrente ao quadrado, o termo irreversível pune os regimes elevados de forma desproporcionada: duplicar a corrente de carga quadruplica aproximadamente o aquecimento resistivo de base, razão pela qual a carga rápida é inseparável da gestão térmica e por que uma célula envelhecida, de maior impedância, funciona mais quente mesmo com um perfil idêntico.
As reações eletroquímicas também transportam uma componente de calor entrópico, T vezes dS, ligada à entropia da reação; é reversível no sentido em que muda de sinal entre carga e descarga e varia com o estado de carga ao mudar a composição de fase dos elétrodos. No NiMH é normalmente mais pequena que os termos irreversível e de recombinação durante uma carga rápida, mas deve ser incluída em modelos térmicos precisos e contribui para a subtil dependência térmica da curva de tensão de carga.
Um modelo de balanço energético que omita a entropia preverá ligeiramente mal a temperatura a meio da carga, o que importa quando a temperatura é usada não apenas como corte mas como estimador quantitativo de estado – tema de um grupo posterior de artigos.
O facto térmico decisivo sobre o NiMH é que a sobrecarga é essencialmente 100 por cento ineficiente em termos energéticos: a corrente que recombina oxigénio pelo circuito interno não realiza armazenamento líquido e liberta a sua energia como calor. À medida que a célula enche e uma fração crescente da corrente é desviada para este circuito, a geração total de calor aumenta ainda que a corrente se mantenha constante – a assinatura que um termístor deteta como uma subida acelerada da temperatura.
É por isso que a temperatura, ao contrário da tensão, se torna mais informativa perto da carga cheia em vez de menos: enquanto o -ΔV encolhe a alta temperatura, a taxa de aquecimento cresce. As orientações dos fabricantes, convergindo para uma taxa máxima de subida térmica perto de 1 grau C por minuto e um corte absoluto em torno de 50 a 60 graus C, são uma codificação empírica direta deste orçamento térmico.
Um modelo térmico concentrado escreve a capacidade calorífica da célula vezes dT/dt como a soma dos três termos de geração menos o calor perdido para a vizinhança; a capacidade calorífica de uma pequena célula cilíndrica é dominada pela sua massa e lata de aço, enquanto a resistência térmica ao ambiente fixa a temperatura estacionária que uma dada dissipação atinge. Tal modelo prevê o perfil de carga observado: um suave aquecimento resistivo na carga de massa, uma inflexão distinta quando a recombinação se torna dominante, e – se a carga continuar – uma subida íngreme rumo ao corte absoluto.
Os projetistas usam o modelo também em sentido inverso: dada uma temperatura máxima permitida da célula e uma resistência térmica conhecida até à caixa do carregador, ele devolve a corrente de carga máxima sustentável, e dado um dT/dt medido estima a fração da corrente já perdida na recombinação – um sinal implícito de estado de carga e de saúde.
A taxa de subida é robusta porque se autorreferencia: não depende de uma calibração absoluta da temperatura nem de conhecer com precisão a temperatura ambiente, e responde ao próprio mecanismo – a recombinação descontrolada – que o carregamento seguro deve impedir. Os IC de gestão de carga, como a família TI bq2002, implementam a terminação por taxa de subida da temperatura a par do -ΔV, tensão máxima, temperatura máxima e tempo máximo, precisamente porque os sinais térmicos e de tensão falham em condições opostas e juntos cobrem toda a envolvente.
Ainda assim pode enganar. Uma célula levada de um bolso quente para o carregador, um termístor montado na PCB em vez de na célula, ou uma ventoinha de arrefecimento do carregador que liga e desliga podem criar transientes de dT/dt alheios à recombinação; os projetos robustos anti-ressalto filtram o sinal ao longo de várias amostras e combinam-no com barreiras de temperatura absoluta e tensão, como ilustra a prática das notas de projeto que exige quatro amostras consistentes de 30 segundos.
O projeto térmico acopla célula, corrente e caixa: escolha uma corrente cuja base I-quadrado-R deixe margem para a subida impulsionada pela recombinação no fim da carga; coloque o sensor NTC em genuíno contacto térmico com as células e faça a média num pack multicélula; projete a caixa e qualquer fluxo de ar de modo que a resistência térmica concentrada seja conhecida e o corte absoluto seja atingido apenas como uma verdadeira rede de segurança em caso de falha; e use o completamento com corrente reduzida para que os últimos pontos percentuais sejam adicionados sem permanecer no regime de alta recombinação.
Documentar a assinatura de dT/dt esperada de uma célula de produção – a base na carga de massa, a inflexão de fim de carga e a corrente à qual se atinge 1 grau C por minuto – permite aos parceiros carregadores definir limiares a partir de dados em vez de regras genéricas. Com as fontes de calor contabilizadas, o próximo artigo examina o fenómeno de tensão que o calor de recombinação cria: o pequeno mas crucial pico de tensão de fim de carga e o delta-V negativo.
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