La température est le signal le plus instructif qu'un chargeur NiMH bon marché puisse mesurer, et elle ne prend de sens que lorsque les sources de chaleur sont comprises. La chaleur d'une cellule en charge est la somme de trois termes physiquement distincts : un échauffement irréversible Joule et de surtension qui croît avec le courant et la résistance interne ; un terme entropique réversible plus petit qui change de signe entre charge et décharge ; et, de façon décisive en fin de charge, la chaleur libérée quand l'oxygène produit au positif est recombiné au négatif. Cet article construit terme par terme le bilan thermique de la charge, montre pourquoi le taux de montée en température s'accélère si nettement quand une cellule devient pleine, et utilise cette comptabilité pour expliquer le très répandu critère d'un degré Celsius par minute.
Chaque fois qu'un courant traverse une résistance, il dissipe une chaleur I-carré-R ; dans une cellule NiMH cette résistance est la somme des contributions ohmiques de l'électrolyte, du séparateur, des électrodes et des languettes plus la « résistance de polarisation » représentant les surtensions cinétiques et de concentration. Ce terme irréversible est présent tout au long de la charge, croît grossièrement avec le carré du courant et augmente quand la résistance interne s'élève avec l'âge et à faible état de charge.
Comme il croît avec le courant au carré, le terme irréversible pénalise les régimes élevés de façon disproportionnée : doubler le courant de charge quadruple grossièrement l'échauffement résistif de base, raison pour laquelle la charge rapide est inséparable de la gestion thermique et pourquoi une cellule âgée, de plus haute impédance, tourne plus chaude sous un profil identique.
Les réactions électrochimiques portent aussi une composante de chaleur entropique, T fois dS, liée à l'entropie de réaction ; elle est réversible en ce qu'elle change de signe entre charge et décharge et varie avec l'état de charge quand change la composition de phase des électrodes. Dans le NiMH elle est d'ordinaire plus petite que les termes irréversible et de recombinaison pendant une charge rapide, mais elle doit figurer dans les modèles thermiques précis et contribue à la subtile dépendance thermique de la courbe de tension de charge.
Un modèle de bilan énergétique qui omet l'entropie prédit légèrement mal la température en milieu de charge, ce qui importe quand la température sert non seulement de coupure mais d'estimateur quantitatif d'état – sujet d'un groupe d'articles ultérieur.
Le fait thermique décisif sur le NiMH est que la surcharge est pour l'essentiel inefficace à 100 pour cent en termes d'énergie : le courant qui recombine l'oxygène autour de la boucle interne n'accomplit aucun stockage net et libère son énergie sous forme de chaleur. À mesure que la cellule se remplit et qu'une fraction croissante du courant est détournée dans cette boucle, la production totale de chaleur augmente bien que le courant soit maintenu constant – la signature qu'une thermistance détecte sous forme d'une montée en température accélérée.
Voilà pourquoi la température, contrairement à la tension, devient plus instructive près de la charge pleine plutôt que moins : tandis que le -ΔV rétrécit à haute température, le taux d'échauffement croît. Les recommandations des fabricants convergeant vers un taux maximal de montée en température proche de 1 degré C par minute et une coupure absolue autour de 50 à 60 degrés C sont un codage empirique direct de ce bilan thermique.
Un modèle thermique global écrit la capacité calorifique de la cellule fois dT/dt comme la somme des trois termes de production moins la chaleur perdue vers l'extérieur ; la capacité calorifique d'une petite cellule cylindrique est dominée par sa masse et son boîtier d'acier, tandis que la résistance thermique vers l'ambiante fixe la température stationnaire qu'atteint une dissipation donnée. Un tel modèle prédit le profil de charge observé : un échauffement résistif doux en charge de masse, une inflexion nette quand la recombinaison devient dominante, et – si la charge continue – une montée raide vers la coupure absolue.
Les concepteurs utilisent aussi le modèle à l'envers : avec une température maximale permise de la cellule et une résistance thermique connue vers le boîtier du chargeur, il donne le courant de charge maximal soutenable, et avec un dT/dt mesuré il estime la fraction du courant déjà perdue en recombinaison – un signal implicite d'état de charge et de santé.
Le taux de montée est robuste parce qu'il s'auto-référence : il ne dépend ni d'un étalonnage absolu de température ni d'une connaissance précise de l'ambiante, et il répond au mécanisme même – la recombinaison emballée – que la charge sûre doit empêcher. Les IC de gestion de charge tels que la famille TI bq2002 mettent en œuvre la terminaison par taux de montée en température aux côtés du -ΔV, de la tension maximale, de la température maximale et du temps maximal, précisément parce que les signaux thermiques et de tension échouent dans des conditions opposées et couvrent ensemble toute l'enveloppe.
Il peut tout de même tromper. Une cellule passée d'une poche chaude au chargeur, une thermistance montée sur le PCB plutôt que sur la cellule, ou un ventilateur du chargeur qui s'allume et s'éteint peuvent créer des transitoires de dT/dt sans rapport avec la recombinaison ; les conceptions robustes anti-rebond filtrent le signal sur plusieurs échantillons et le combinent avec des portes de température absolue et de tension, comme l'illustre la pratique des notes de conception exigeant quatre échantillons concordants de 30 secondes.
La conception thermique couple cellule, courant et boîtier : choisissez un courant dont la base I-carré-R laisse de la marge pour la montée poussée par la recombinaison en fin de charge ; placez le capteur NTC en véritable contact thermique avec les cellules et faites la moyenne sur un pack multi-cellules ; concevez le boîtier et toute circulation d'air afin que la résistance thermique globale soit connue et que la coupure absolue ne soit atteinte qu'en véritable filet de sécurité en cas de panne ; et utilisez le complément à courant réduit afin que les derniers pour cent soient ajoutés sans séjourner dans le régime à forte recombinaison.
Documenter la signature de dT/dt attendue d'une cellule de production – la base en charge de masse, l'inflexion de fin de charge et le courant auquel 1 degré C par minute est atteint – permet aux partenaires chargeurs de fixer les seuils d'après des données plutôt que des règles génériques. Les sources de chaleur une fois comptabilisées, l'article suivant examine le phénomène de tension que crée la chaleur de recombinaison : le petit mais crucial pic de tension de fin de charge et le delta-V négatif.
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