Bất kỳ ai thiết kế xuyên suốt các hệ hóa học đều gặp một điều có vẻ kỳ lạ: các cell lithium-ion được sạc bằng dòng không đổi rồi đến điện áp không đổi với dòng giảm dần, giữ một điện áp tối đa chính xác, trong khi bộ sạc NiMH điều chỉnh dòng điện và thay vào đó theo dõi đỉnh điện áp và sự sụt giảm. Sự khác biệt không phải là quy ước – nó xuất phát từ cách mỗi hệ hóa học hỏng hóc ở trạng thái sạc cao. Bài viết này so sánh các chế độ dòng không đổi, điện áp không đổi và CC-CV kết hợp, giải thích vì sao một kẹp điện áp không thể «bù đầy» cell NiMH như cách nó làm với cell lithium, làm rõ mức trần 1,5 V mỗi cell thường được nhắc đến thực sự đại diện cho điều gì, và rút ra các hàm ý thiết kế cho bộ sạc đa hệ hóa học cũng như cho các kỹ sư chuyển thói quen lithium sang hệ nickel.
Dòng không đổi (CC) giữ một dòng điện cố định trong khi điện áp tự tìm mức của nó; điện áp không đổi (CV) giữ một điện áp cố định trong khi dòng điện giảm dần khi cell tiến gần đến nó; CC-CV áp dụng CC cho đến một ngưỡng điện áp, sau đó CV trong khi dòng giảm dần về giá trị kết thúc. Lithium-ion dùng CC-CV vì ràng buộc mang tính quyết định của nó là điện áp xen cài trên, vượt quá mức đó sẽ xảy ra mạ kim loại và hỏng cathode: việc giữ điện áp đó cho phép bổ sung phần dung lượng cuối cùng ở dòng điện an toàn, ngày càng giảm.
Việc chọn chế độ được quyết định bởi điều gì giới hạn việc sạc ở trạng thái sạc cao – một điện thế cứng ở lithium, so với sự thoát khí và tái hợp ở NiMH, mà kẹp điện áp không kiểm soát được.
Một cell NiMH ở cuối giai đoạn sạc không có điện áp «đầy» ổn định để kẹp: điện áp phụ thuộc vào dòng điện, nhiệt độ, điện trở trong và tuổi thọ, đạt đỉnh rồi giảm dần khi sự nóng lên do tái hợp chiếm ưu thế (Bài 5). Giữ một điện áp cố định do đó sẽ cung cấp một dòng điện không kiểm soát được và phụ thuộc nhiệt độ – lớn vào cell lạnh có điện trở thấp và tiệm cận bằng không vào cell ấm – và sẽ không đảm bảo sạc đầy cũng như không hạn chế sạc quá mức, bởi vì quá trình gây hại, tái hợp oxy, diễn ra ở bất kỳ dòng điện nào mà kẹp cho phép.
Tệ hơn, khi cell ấm lên và điện áp của nó giảm khi sạc đầy, một nguồn CV sẽ tăng dòng để giữ điện áp – một phản hồi dương thúc đẩy thêm tái hợp, thêm nhiệt và điện áp thậm chí còn thấp hơn, ngược lại với một quá trình giảm dần an toàn. Do đó, NiMH đòi hỏi dòng điện là biến được kiểm soát và các tiêu chí suy ra từ trạng thái là tín hiệu dừng.
Tài liệu về bộ sạc tiêu dùng đôi khi mô tả việc sạc khối đến khoảng 1,45 V mỗi cell và mức tối đa gần 1,5 V; đây không phải là điểm đặt CV mà là các biên điện áp bảo vệ và dấu hiệu chuyển giai đoạn dưới dòng điện hiện hành. Con số này thay đổi theo tốc độ và nhiệt độ – một cell lạnh ở 1C hợp lệ vượt quá điện áp của một cell ấm ở C/2 – vì vậy nó được dùng làm trần lỗi (một cell vượt quá mức này ở dòng điện vừa phải là đáng ngờ) và làm tín hiệu chuyển đa giai đoạn, không bao giờ là điện áp mà tại đó dòng được giảm dần cho đến khi hoàn tất.
Coi 1,5 V là mục tiêu CV kiểu lithium là một lỗi xuyên hệ hóa học kinh điển, làm sạc thiếu các cell ấm và sạc quá mức các cell lạnh; sự tương ứng đúng đắn của NiMH với «hoàn tất» là sự kết hợp của các tiêu chí kết thúc, chứ không phải một điện áp.
Bởi vì dòng điện là đại lượng được kiểm soát, tầng công suất NiMH được thiết kế như một nguồn dòng được điều chỉnh – một bộ hạ áp với điều khiển chế độ dòng, một bộ ổn áp tuyến tính giới hạn dòng hoặc một công tắc điều khiển PWM có cảm biến dòng – mà máy trạng thái ra lệnh cho điểm đặt qua các mức sạc nhanh, sạc bù và sạc nhỏ giọt. Điện áp được đo nhưng dùng để xác nhận đủ điều kiện, phát hiện lỗi và suy luận kết thúc, không khép vòng điện áp.
Đây là lý do các IC sạc NiMH (họ bq2002 và các sản phẩm tương tự) để lộ các chân kiểm soát dòng và định thời thay vì các vòng ổn áp chính xác: bài toán kiểm soát của chúng là sắp xếp trình tự dòng và phát hiện kết thúc, về cơ bản khác với nhiệm vụ điện áp chính xác của một IC sạc lithium.
Một bộ sạc hỗ trợ cả lithium và NiMH phải thay đổi cấu trúc liên kết điều khiển theo chế độ: một vòng CC-CV ổn áp với độ chính xác điện áp cell chặt chẽ cho lithium, và một vòng ổn dòng với kết thúc -ΔV/dT/dt/bộ hẹn giờ cho NiMH, với chế độ được chọn bởi người dùng hoặc phát hiện hệ hóa học đáng tin cậy – không bao giờ suy luận chỉ từ điện áp, vì một chuỗi NiMH sạc một phần có thể nằm ở gần các điện áp kiểu lithium. Nhầm lẫn xuyên hệ hóa học là một vấn đề an toàn thực sự bởi mỗi chế độ đều không an toàn cho hệ hóa học kia.
Hình đầu tiên đối chiếu quỹ đạo dòng và điện áp của CC-CV lithium với CC-cộng-kết thúc của NiMH; hình thứ hai ánh xạ biến nào được kiểm soát và biến nào báo hiệu hoàn tất trong mỗi chế độ, làm rõ sự đảo ngược.
Đối với NiMH, hãy chỉ định một tầng kiểm soát dòng, xác định các mức dòng theo chế độ, chỉ dùng điện áp cho việc xác nhận đủ điều kiện, lỗi hoặc kết thúc, và không bao giờ triển khai quá trình giảm dần giữ điện áp; đối với các sản phẩm đa hệ hóa học, hãy cô lập hai vòng điều khiển và làm cho việc chọn hệ hóa học rõ ràng, an toàn khi hỏng. Hãy xác nhận các cấu hình sạc NiMH trên dải nhiệt độ để cho thấy hoàn tất đạt được nhờ các tiêu chí kết thúc chứ không phải điện áp, và xác nhận không có đường dẫn điều khiển nào có thể tăng dòng vào một cell đầy đang ấm lên.
Weijiang cung cấp các bề mặt sạc dòng–điện áp–nhiệt độ cho các cell của mình để cấu hình kiểm soát dòng và các biên điện áp bảo vệ của nó phản ánh hành vi được đo. Khi các kỹ thuật và chế độ sạc nhanh đã được thiết lập, loạt bài tiếp theo chuyển sang vấn đề nhận biết điều gì đang diễn ra bên trong cell trong khi sạc – ước lượng trạng thái sạc và trạng thái sức khỏe.
Weijiang Power thiết kế và sản xuất các cell nickel-kim loại hydride, các bộ pack tương thích và các cấu hình sẵn sàng sạc cho khách hàng tiêu dùng, công nghiệp, y tế và di động, đồng thời hỗ trợ đối tác bằng hướng dẫn giao thức sạc, hồ sơ hiệu năng IEC 61951-2, bằng chứng an toàn IEC 62133-1 và đồng xác nhận bộ sạc. Hãy cho chúng tôi biết định dạng cell, tốc độ sạc, giới hạn nhiệt và mục tiêu số chu kỳ, và các kỹ sư của chúng tôi sẽ chỉ định tổ hợp cell và sạc bảo vệ cả thời gian chạy lẫn tuổi thọ. Xem qua dải sản phẩm trên trang sản phẩm.
