La temperatura es la señal más informativa que puede medir un cargador NiMH de bajo coste, y solo cobra sentido cuando se comprenden las fuentes de calor. El calor de una celda en carga es la suma de tres términos físicamente distintos: el calentamiento irreversible Joule y de sobrepotencial que escala con la corriente y la resistencia interna; un término entrópico reversible más pequeño que cambia de signo entre carga y descarga; y, de manera decisiva al final de la carga, el calor liberado cuando el oxígeno generado en el positivo se recombina en el negativo. Este artículo construye el presupuesto térmico de la carga término a término, muestra por qué la tasa de subida de temperatura se acelera tan marcadamente cuando una celda se llena, y usa esa contabilidad para explicar el muy utilizado criterio de un grado Celsius por minuto.
Siempre que una corriente atraviesa una resistencia disipa calor I-cuadrado-R; en una celda NiMH esa resistencia es la suma de las contribuciones óhmicas del electrolito, el separador, los electrodos y las pestañas más la «resistencia de polarización» que representa los sobrepotenciales cinéticos y de concentración. Este término irreversible está presente a lo largo de toda la carga, escala aproximadamente con el cuadrado de la corriente y crece al aumentar la resistencia interna con la edad y a bajo estado de carga.
Como escala con la corriente al cuadrado, el término irreversible castiga las tasas altas de forma desproporcionada: doblar la corriente de carga cuadruplica aproximadamente el calentamiento resistivo de base, por lo que la carga rápida es inseparable de la gestión térmica y por qué una celda envejecida y de mayor impedancia funciona más caliente incluso con un perfil idéntico.
Las reacciones electroquímicas también portan un componente de calor entrópico, T por dS, ligado a la entropía de reacción; es reversible en el sentido de que cambia de signo entre carga y descarga y varía con el estado de carga al cambiar la composición de fase de los electrodos. En el NiMH suele ser más pequeño que los términos irreversible y de recombinación durante una carga rápida, pero debe incluirse en los modelos térmicos precisos y contribuye a la sutil dependencia térmica de la curva de tensión de carga.
Un modelo de balance energético que omite la entropía predecirá ligeramente mal la temperatura a mitad de carga, lo que importa cuando la temperatura se usa no solo como corte sino como estimador cuantitativo de estado – tema de un grupo posterior de artículos.
El hecho térmico decisivo sobre el NiMH es que la sobrecarga es esencialmente un 100 por ciento ineficiente en términos energéticos: la corriente que recombina oxígeno por el bucle interno no realiza almacenamiento neto y libera su energía en forma de calor. A medida que la celda se llena y una fracción creciente de la corriente se desvía a este bucle, la generación total de calor aumenta aunque la corriente se mantenga constante – la firma que un termistor detecta como una subida acelerada de temperatura.
Por eso la temperatura, a diferencia de la tensión, se vuelve más informativa cerca de la carga completa en vez de menos: mientras el -ΔV se encoge a alta temperatura, la tasa de calentamiento crece. Las recomendaciones de los fabricantes, que convergen en una tasa máxima de subida de temperatura cercana a 1 grado C por minuto y un corte absoluto en torno a 50 a 60 grados C, son una codificación empírica directa de este presupuesto térmico.
Un modelo térmico concentrado escribe la capacidad calorífica de la celda por dT/dt como la suma de los tres términos de generación menos el calor perdido al entorno; la capacidad calorífica de una pequeña celda cilíndrica está dominada por su masa y su lata de acero, mientras que la resistencia térmica al ambiente fija la temperatura estacionaria que alcanza una disipación dada. Tal modelo predice el perfil de carga observado: un suave calentamiento resistivo en la carga de masa, una inflexión marcada cuando la recombinación se vuelve dominante, y – si la carga continúa – una subida pronunciada hacia el corte absoluto.
Los diseñadores también usan el modelo a la inversa: dada una temperatura máxima permitida de la celda y una resistencia térmica conocida a la carcasa del cargador, arroja la corriente de carga máxima sostenible, y dado un dT/dt medido estima la fracción de corriente que ya se pierde en recombinación – una señal implícita de estado de carga y de salud.
La tasa de subida es robusta porque se autorreferencia: no depende de una calibración absoluta de temperatura ni de conocer con precisión la temperatura ambiente, y responde al mecanismo mismo – la recombinación desbocada – que la carga segura debe impedir. Los IC de gestión de carga, como la familia TI bq2002, implementan la terminación por tasa de subida de temperatura junto con el -ΔV, la tensión máxima, la temperatura máxima y el tiempo máximo, precisamente porque las señales térmicas y de tensión fallan en condiciones opuestas y juntas cubren toda la envolvente.
Aun así puede inducir a error. Una celda trasladada de un bolsillo cálido al cargador, un termistor montado en la PCB en vez de en la celda, o un ventilador de refrigeración del cargador que se enciende y apaga pueden crear transitorios de dT/dt ajenos a la recombinación; los diseños robustos anti-rebote filtran la señal a lo largo de varias muestras y la combinan con compuertas de temperatura absoluta y tensión, como ilustra la práctica de las notas de diseño que exige cuatro muestras consistentes de 30 segundos.
El diseño térmico acopla celda, corriente y carcasa: elija una corriente cuya base I-cuadrado-R deje margen para la subida impulsada por la recombinación al final de la carga; coloque el sensor NTC en contacto térmico real con las celdas y promedie en un pack multicelda; diseñe la carcasa y cualquier flujo de aire de modo que la resistencia térmica concentrada sea conocida y el corte absoluto se alcance solo como un verdadero tope ante fallos; y use el completado a corriente reducida para que los últimos porcentajes se añadan sin permanecer en el régimen de alta recombinación.
Documentar la firma de dT/dt esperada de una celda de producción – la base en carga de masa, la inflexión de final de carga y la corriente a la que se alcanza 1 grado C por minuto – permite a los socios cargadores fijar umbrales a partir de datos en vez de reglas genéricas. Con las fuentes de calor contabilizadas, el siguiente artículo examina el fenómeno de tensión que crea el calor de recombinación: el pequeño pero crucial pico de tensión de final de carga y el delta-V negativo.
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