Una celda única se carga en una bandeja abierta con aire por todos lados; un pack se carga dentro de un volumen restringido donde las celdas interiores no pueden disipar el calor tan fácilmente como las celdas de superficie, y donde una celda caliente puede cambiar el comportamiento de toda la cadena. La gestión térmica a nivel de pack es, por tanto, un requisito previo para la carga rápida de NiMH multicelda, no un añadido posterior. Este artículo cubre el diseño térmico de un pack NiMH en carga – cómo se genera y distribuye el calor, cómo deben disponerse los caminos de conducción y flujo de aire, dónde deben situarse los sensores de temperatura y cuántos se necesitan, y por qué la corriente de carga debe regirse siempre por la celda más caliente y no por la celda media – para mantener cada celda dentro del rango que definen los artículos de celda única.
Dentro de un pack, las fuentes de calor varían: las celdas interiores tienen mayor resistencia térmica al ambiente y funcionan más calientes que las celdas de borde; las celdas con resistencia interna ligeramente mayor generan más calor I-cuadrado-R; y las primeras celdas en alcanzar la carga completa entran en recombinación exotérmica mientras otras aún aceptan carga, concentrando el calor en las posiciones ya más avanzadas. Así surgen gradientes térmicos que se agudizan en la banda de fin de carga, incluso entre celdas nominalmente emparejadas.
Una «temperatura de pack» agrupada enmascara estos gradientes; el diseño debe razonar sobre el campo espacial de temperatura, que una red electro-térmica multinodo (Paper 18) puede predecir a partir de la geometría y las pérdidas antes de crear prototipos.
Las celdas deben disponerse de modo que cada una tenga una ruta de escape de calor definida: soportes o encapsulados térmicamente conductores que vinculen las celdas a un chasis o pared exterior, marcos portadores metálicos que repartan el calor, y evitar pilas interiores totalmente aisladas sin salida. Las celdas cilíndricas en contacto estrecho conducen calor entre vecinas – útil para repartir, pero capaz de propagar un punto caliente – por lo que el espaciado, la conductividad de los soportes y la presión de contacto son variables de diseño con efecto real sobre la temperatura pico durante la carga.
En packs de alta tasa, material de interfaz térmica hacia una placa difusora o la pared del alojamiento convierte toda la carcasa en radiador; la corriente de carga sostenible la fija en última instancia la resistencia térmica de esta cadena al ambiente.
Donde haya convección, los canales de ventilación deben alinearse con la dirección natural de flotabilidad y evitar bolsas muertas; espaciar las celdas para que circule el aire supera a un bloque apretado para la carga rápida, incluso con una modesta penalización de volumen. El flujo de aire forzado durante la carga aplana sustancialmente los gradientes y permite mayor corriente, pero el controlador debe conocer el estado del ventilador – un ventilador bloqueado cambia la resistencia térmica, y el perfil de carga debe reducirse al caso sin flujo de aire en lugar de asumir una refrigeración que ha fallado.
El arranque y parada del ventilador también crea artefactos dT/dt (Paper 7), por lo que la terminación térmica debe usar mediciones filtradas y no confundir un escalón de enfriamiento inducido por el ventilador con un estado seguro.
Los NTC deben medir las celdas con mayor probabilidad de ser las más calientes – posiciones geométricamente interiores, las más cercanas a una fuente de calor externa y (cuando se conozca) las celdas de mayor resistencia – en lugar de las celdas exteriores de fácil acceso. Un único sensor solo es aceptable para packs pequeños casi isotermos; los packs mayores necesitan varios, y la corriente de carga y la terminación se rigen por la lectura máxima: la celda más caliente fija el límite de recombinación y envejecimiento para toda la cadena, ya que la corriente es común a todas las celdas en serie.
Un buen acoplamiento mecánico (Paper 7) – sensor fijado o pegado al cuerpo de una celda, no a la PCB – y una comprobación de fallo del sensor completan el diseño de detección; una celda caliente no medida es la causa clásica de incidentes de sobrecarga a nivel de pack.
El controlador del pack combina la imagen térmica espacial con la imagen eléctrica por celda: reducir la corriente a partir de la celda más caliente, terminar la cadena cuando las primeras celdas alcanzan los criterios de parada válidos, y usar balanceo (los próximos artículos) para reducir la dispersión que crea celdas calientes. La primera figura contrasta las distribuciones de temperatura de un pack no gestionado y uno térmicamente gestionado; la segunda secuencia el lazo de gobierno de la celda más caliente.
Predecir el campo con un modelo térmico, confirmar con cargas de prototipo instrumentadas con termopares en ambiente peor caso y flujo de aire bloqueado, y validar que ninguna celda supera su rango de celda única es el equivalente en pack de la cualificación de celda única.
Weijiang apoya a los integradores de packs con orientación sobre espaciado de celdas y térmica, datos de generación de calor de celda única para alimentar los modelos térmicos del pack, y selección de celdas emparejadas que reduce la dispersión inherente que impulsa los gradientes. Un pack térmicamente sólido es lo que permite que funcionen las técnicas multicelda en serie y de balanceo de los dos próximos artículos, porque el balanceo no puede rescatar una celda a la que el calor ha sacado de su rango seguro de carga.
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