Każdy, kto projektuje urządzenia dla różnych systemów chemicznych, spotyka pozorną dziwaczność: ogniwa litowo-jonowe ładuje się metodą stałoprądową, a następnie stałonapięciową ze spadkiem prądu, która utrzymuje precyzyjne napięcie maksymalne, podczas gdy ładowarki NiMH regulują prąd i zamiast tego wypatrują piku i spadku napięcia. Różnica nie jest konwencją – wynika z tego, jak każda chemia zawodzi przy wysokim stanie naładowania. W niniejszej pracy porównano tryby stałego prądu, stałego napięcia i łączony CC-CV, wyjaśniono, dlaczego zacisk napięciowy nie może „dopełnić“ ogniwa NiMH tak, jak ogniwa litowego, wyjaśniono, co naprawdę oznacza często cytowany pułap 1,5 V na ogniwo, i wyciągnięto wnioski projektowe dla ładowarek wielochemicznych oraz dla inżynierów przenoszących nawyki litowe do systemów niklowych.
Stały prąd (CC) utrzymuje stały prąd, podczas gdy napięcie znajduje swój poziom; stałe napięcie (CV) utrzymuje stałe napięcie, podczas gdy prąd maleje w miarę zbliżania się ogniwa do niego; CC-CV stosuje CC aż do progu napięciowego, następnie CV, podczas gdy prąd spada do wartości końcowej. Litowo-jonowe wykorzystują CC-CV, ponieważ ich wiążącym ograniczeniem jest górne napięcie interkalacji, poza którym występują metalizacja i uszkodzenie katody: utrzymywanie tego napięcia pozwala dodać ostatnią pojemność przy coraz mniejszym, bezpiecznym prądzie.
Wybór trybu jest podyktowany tym, co ogranicza ładowanie przy wysokim stanie naładowania – twardy potencjał napięciowy w litu kontra ewolucja gazu i rekombinacja w NiMH, których zacisk napięciowy nie kontroluje.
Ogniwo NiMH pod koniec ładowania nie ma stabilnego „pełnego“ napięcia do zablokowania: napięcie zależy od prądu, temperatury, oporu wewnętrznego i wieku, osiąga pik, a następnie maleje, gdy dominuje ogrzewanie rekombinacyjne (Praca 5). Utrzymywanie stałego napięcia dostarczałoby zatem niekontrolowanego i zależnego od temperatury prądu – dużego do zimnego, niskorezystancyjnego ogniwa i znikającego do ciepłego – i nie gwarantowałoby pełnego naładowania ani nie ograniczało przeładowania, ponieważ szkodliwy proces, rekombinacja tlenu, przebiega przy dowolnym prądzie, na jaki pozwala zacisk.
Co gorsza, w miarę jak ogniwo się nagrzewa i jego napięcie przy pełnym naładowaniu spada, źródło CV zwiększałoby prąd, aby utrzymać napięcie – dodatnie sprzężenie zwrotne, które napędza większą rekombinację, więcej ciepła i jeszcze niższe napięcie, przeciwieństwo bezpiecznego spadku. NiMH wymaga zatem prądu jako sterowanej zmiennej i kryteriów wyprowadzonych ze stanu jako sygnału zatrzymania.
Literatura dotycząca ładowarek konsumenckich czasem opisuje ładowanie główne do około 1,45 V na ogniwo i maksimum blisko 1,5 V; nie są to wartości zadane CV, lecz ochronne granice napięciowe i znaczniki przejścia etapów przy przeważającym prądzie. Wartość przesuwa się wraz z szybkością i temperaturą – zimne ogniwo przy 1C słusznie przekracza napięcie ciepłego ogniwa przy C/2 – dlatego używa się jej jako pułapu usterki (ogniwo powyżej przy umiarkowanym prądzie jest podejrzane) i jako sygnału przejścia wieloetapowego, nigdy jako napięcia, przy którym prąd spada do zakończenia.
Traktowanie 1,5 V jako celu CV w stylu litowym to klasyczny błąd wielochemiczny, który niedoładowuje ciepłe ogniwa i przeładowuje zimne; właściwym odpowiednikiem „zakończenia“ dla NiMH jest koniunkcja kryteriów końcowych, nie napięcie.
Ponieważ prąd jest sterowaną wielkością, stopień mocy NiMH projektuje się jako regulowane źródło prądu – przetwornicę obniżającą ze sterowaniem trybem prądowym, regulator liniowy z ograniczeniem prądu lub sterowany PWM przełącznik z czujnikiem prądu –, którego wartość zadana automatyka stanowa narzuca przez poziomy szybkiego ładowania, dopełnienia i ładowania podtrzymującego. Napięcie jest mierzone, ale używane do kwalifikacji, detekcji usterek i wnioskowania o zakończeniu, bez zamykania pętli napięciowej.
Dlatego układy scalone ładowania NiMH (rodzina bq2002 i jej odpowiedniki) udostępniają wyprowadzenia sterowania prądem i taktowania, a nie precyzyjne pętle regulacji napięcia: ich zadaniem sterowania jest sekwencjonowanie prądu i detekcja zakończenia, co zasadniczo różni się od precyzyjnego zadania napięciowego układu ładowania litowego.
Ładowarka obsługująca zarówno lit, jak i NiMH, musi zmieniać topologię sterowania w zależności od trybu: pętla CC-CV regulowana napięciowo z dużą dokładnością napięcia ogniwa dla litu oraz pętla regulowana prądowo z zakończeniem -ΔV/dT/dt/timer dla NiMH, przy czym tryb wybiera użytkownik lub wiarygodna detekcja chemii – nigdy nie wyprowadza się go wyłącznie z napięcia, ponieważ częściowo naładowany ciąg NiMH może znajdować się blisko napięć litopodobnych. Pomylenie systemów chemicznych to realny problem bezpieczeństwa, ponieważ każdy tryb jest niebezpieczny dla innej chemii.
Pierwszy rysunek przeciwstawia trajektorie prądu i napięcia litowego CC-CV oraz NiMH CC-z-zakończeniem; drugi mapuje, która zmienna jest sterowana i która sygnalizuje zakończenie w każdym trybie, uwidaczniając odwrócenie.
Dla NiMH określ stopień sterowany prądowo, zdefiniuj poziomy prądu według trybu, używaj napięcia wyłącznie do kwalifikacji, usterki lub zakończenia i nigdy nie implementuj spadku z utrzymywaniem napięcia; w produktach wielochemicznych odizoluj dwie pętle sterowania i spraw, by wybór chemii był jednoznaczny i bezpieczny przy awarii. Waliduj profile NiMH w zakresie temperatur, aby wykazać, że zakończenie osiąga się kryteriami końcowymi, a nie napięciem, i potwierdź, że żadna ścieżka sterowania nie może zwiększyć prądu w nagrzewające się pełne ogniwo.
Weijiang dostarcza powierzchnie ładowania prąd–napięcie–temperatura dla swoich ogniw, tak aby profil sterowany prądowo i jego ochronne granice napięciowe odzwierciedlały zmierzone zachowanie. Po ustaleniu technik i trybów szybkiego ładowania seria zwraca się następnie do problemu poznania tego, co dzieje się wewnątrz ogniwa podczas ładowania – do szacowania stanu naładowania i stanu zdrowia.
Weijiang Power projektuje i wytwarza ogniwa niklowo-wodorkowe, dopasowane pakiety i gotowe do ładowania konfiguracje dla klientów konsumenckich, przemysłowych, medycznych i z branży mobilności, a także wspiera partnerów wskazówkami dotyczącymi protokołów ładowania, plikami parametrów IEC 61951-2, dowodami bezpieczeństwa IEC 62133-1 oraz wspólną walidacją ładowarek. Podaj nam format ogniwa, szybkość ładowania, zakres termiczny i docelową liczbę cykli, a nasi inżynierowie dobiorą kombinację ogniwa i ładowania chroniącą zarówno czas pracy, jak i żywotność. Przejrzyj asortyment na stronie produktów.
