Uma célula única carrega em uma bandeja aberta com ar por toda volta; um pack carrega dentro de um volume restrito onde as células internas não conseguem dissipar calor tão facilmente quanto as células de superfície, e onde uma célula quente pode alterar o comportamento de toda a cadeia. O gerenciamento térmico em nível de pack é, portanto, um pré-requisito para o carregamento rápido de NiMH multicélula, não um acréscimo posterior. Este artigo cobre o projeto térmico de um pack NiMH em carga – como o calor é gerado e distribuído, como os caminhos de condução e fluxo de ar devem ser dispostos, onde os sensores de temperatura devem ficar e quantos são necessários, e por que a corrente de carga deve sempre ser governada pela célula mais quente e não pela célula média – para manter cada célula dentro do envelope que os artigos de célula única definem.
Dentro de um pack, as fontes de calor variam: células internas têm maior resistência térmica ao ambiente e funcionam mais quentes que as células de borda; células com resistência interna ligeiramente maior geram mais calor I-elevado-ao-quadrado-R; e as primeiras células a atingirem carga completa entram em recombinação exotérmica enquanto outras ainda aceitam carga, concentrando o calor nas posições já mais avançadas. Surgem assim gradientes térmicos que se acentuam na faixa de fim de carga, mesmo entre células nominalmente pareadas.
Uma «temperatura de pack» agregada mascara esses gradientes; o projeto deve raciocinar sobre o campo espacial de temperatura, que uma rede eletrotérmica multinós (Paper 18) pode predizer a partir da geometria e das perdas antes da prototipagem.
As células devem ser dispostas de modo que cada uma tenha uma rota de escape de calor definida: suportes ou encapsulamentos termicamente condutores ligando as células a um chassi ou parede externa, estruturas portantes metálicas que espalham o calor, evitando-se pilhas internas totalmente isoladas sem saída. Células cilíndricas em contato próximo conduzem calor entre vizinhas – útil para espalhar, mas capaz de propagar um ponto quente – de modo que espaçamento, condutividade dos suportes e pressão de contato são variáveis de projeto com efeito real sobre a temperatura de pico durante a carga.
Em packs de alta taxa, material de interface térmica para uma placa difusora ou parede do invólucro transforma toda a carcaça em radiador; a corrente de carga sustentável é em última instância definida pela resistência térmica desta cadeia ao ambiente.
Onde houver convecção, os canais de ventilação devem se alinhar com a direção natural de flutuação e evitar bolsões mortos; espaçar as células para o ar circular supera um bloco compacto para carga rápida, mesmo com uma modesta penalidade de volume. O fluxo de ar forçado durante a carga achata substancialmente os gradientes e permite corrente maior, mas o controlador deve saber o estado da ventoinha – uma ventoinha bloqueada altera a resistência térmica, e o perfil de carga deve ser reduzido para o caso sem fluxo de ar em vez de assumir um resfriamento que falhou.
O ligar e desligar da ventoinha também cria artefatos dT/dt (Paper 7), de modo que a terminação térmica deve usar medições filtradas e não confundir um degrau de resfriamento induzido pela ventoinha com um estado seguro.
Os NTCs devem medir as células com maior probabilidade de serem as mais quentes – posições geometricamente internas, mais próximas de uma fonte externa de calor e (quando conhecido) as células de maior resistência – em vez das células externas de fácil acesso. Um único sensor só é aceitável para packs pequenos quase isotérmicos; packs maiores precisam de vários, e corrente de carga e terminação são governadas pela leitura máxima: a célula mais quente define o limite de recombinação e envelhecimento para toda a cadeia, já que a corrente é comum a todas as células em série.
Um bom acoplamento mecânico (Paper 7) – sensor preso ou colado ao corpo de uma célula, não à placa PCB – e uma verificação de falha do sensor completam o projeto de detecção; uma célula quente não medida é a causa clássica de incidentes de sobrecarga em nível de pack.
O controlador do pack combina o quadro térmico espacial com o quadro elétrico por célula: reduzir a corrente a partir da célula mais quente, terminar a cadeia quando as primeiras células atingirem os critérios válidos de parada, e usar balanceamento (os próximos artigos) para reduzir a dispersão que cria células quentes. A primeira figura compara as distribuições de temperatura de um pack não gerenciado e um termicamente gerenciado; a segunda sequencia o ciclo de governança da célula mais quente.
Predizer o campo com um modelo térmico, confirmar com cargas de protótipo instrumentadas com termopares em ambiente de pior caso e fluxo de ar bloqueado, e validar que nenhuma célula excede seu envelope de célula única é o equivalente em pack da qualificação de célula única.
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