충전 수용성은 인가된 전류 중 실제로 유용한 화학 에너지로 저장되는 비율로, 가스 발생과 열로 전환되는 부분이 아닙니다. 쿨롱 효율은 공급된 전하에 대한 방전 시 회수되는 전하의 비율입니다. NiMH 셀에서 두 값 모두 일정하지 않습니다. 둘 다 충전 중반에는 높다가 산소 발생과 재결합이 지배하는 마지막 구간에서 붕괴합니다. 이러한 비선형성과 그것의 온도 및 전류 의존성을 이해하는 것은 2시간 소비자 충전기부터 회생 제동 하이브리드에 이르기까지 모든 효율적인 충전 프로필의 기초입니다. 본 논문은 수용 곡선을 정량화하고 물리적 기원을 설명하며 잘 설계된 다단계 정전류 스케줄이 그것과 싸우기보다 따르는 방법을 보여줍니다.
쿨롱 또는 전하 효율 η_Q는 이전 충전 암페어시로 나눈 전달된 방전 암페어시입니다. 에너지 효율 η_E는 전압으로 추가 가중하며 옴 및 과전위 손실로 인해 항상 더 낮습니다. 주어진 순간의 충전 수용성은 국소 기울기 d(저장 전하)/d(입력 전하)로 가장 잘 이해됩니다. 즉, 산소 발생과 기생 화학 반응이 아니라 Ni(OH)2/NiOOH 및 수소화물 형성 반응으로 여전히 들어가는 유입 전류의 비율입니다.
대략 충전 상태 20~70%의 벌크 구간에서 건강한 NiMH 셀은 유리한 조건에서 95%를 초과할 수 있는 효율로 전류를 받아들입니다. 계측된 견인 작업에서는 내부 압력이 제대로 제어될 때 C/2에서 약 93% 충전 상태까지 효율적인 재충전을 보고합니다. 그 구간 위에서는 한계 수용성이 빠르게 떨어지므로 급속 충전의 마지막 10~20%가 유난히 느리고 뜨거운 이유입니다.
그 감소는 기계론적입니다. 양극이 산화 가능한 Ni(OH)2를 소진함에 따라 증가하는 전류 몫이 산소 발생 반응으로 강제됩니다. 수소화물 음극이 사용 가능한 수소 용량에 접근함에 따라 평형 플래토 압력이 상승하고 흡수 동역학이 느려집니다. 두 효과 모두 논문 1에서 설명한 재결합 고리를 공급하며, 그 부산물은 열이고, 그 열은 양의 열 피드백으로 산소 발생을 더욱 가속합니다. 따라서 이 구간에 일정한 고전류를 밀어넣는 것은 큰 온도 상승을 대가로 저장 전하를 거의 얻지 못합니다.
실질적인 결과는 특징적인 효율-SOC 형태입니다. 충전 중반에 거의 평탄한 플래토, 고SOC 산소 발생 시작점 부근의 무릎, 그리고 셀이 대부분 스스로 가열되는 마지막 구간의 가파른 하락입니다. 무릎을 식별할 수 없는 충전기는 용량을 사용하지 못한 채 일찍 멈추거나 낭비적으로 과충전하여 사이클 수명을 희생해야 합니다.
따뜻함은 초기에 양성자 확산, 기체 수송 및 재결합 동역학을 가속하여 수용성을 개선합니다. 차가운 셀은 고전류를 잘 받아들이지 못하고 더 높은 전압에서 정점을 찍으며 재결합이 느슨해 내부 압력 위험이 있습니다. 하지만 차가운 셀을 돕는 그 따뜻함이 따뜻한 셀에는 해롭습니다. 높은 온도에서는 산소 발생 전위가 떨어지고 재결합 열을 배출하기 어려우며 -ΔV 신호가 줄어듭니다 – Analog Devices는 NiMH의 경우 고온에서 -ΔV가 거의 존재하지 않아 과충전이 가장 해로운 바로 그때 충전기의 주 정지 신호를 제거한다고 지적합니다.
따라서 좋은 프로필은 셀 온도에 따라 전류를 조건화합니다. 차가운 쪽에서는 감률하거나 예열하고 뜨거운 쪽에서는 공격적으로 감률하여 수용성이 높고 종료가 관찰 가능한 창 – 대체로 실온 부근 – 안에 셀을 유지합니다.
충전 수용성은 또한 레이트 의존적입니다. 낮은 전류에서는 셀이 양성자를 분배하고 산소를 원활히 재결합할 시간이 있어 효율은 높지만 충전 시간이 깁니다. 고전류에서는 농도 구배가 가파르게 되고 산소가 충전 상태 기준으로 더 일찍 발생하며 국부 가열이 증가합니다. 1C 급속 충전은 동일 셀의 C/2 충전보다 재결합 영역에 더 일찍 도달하므로 더 이르고 민감한 종료와 더 서늘한 주변 환경이 필요합니다.
이것이 데이터시트가 권장 완속 충전(일반적으로 0.1C~0.2C, 단순 타이머가 비교적 안전함)과 허용 급속 충전(0.5C~1C, -ΔV, dT/dt 및 다중 안전장치 필요)을 구분하는 이유입니다. 셀에는 하나의 효율 곡선이 아니라 전류와 온도로 색인된 곡선군이 있습니다.
다단계 정전류 충전 – 그리고 문헌에 보고된 뉴로-퍼지 ANFIS 제어 설계를 포함한 지능형 MSCCC 변형 – 은 하락하는 수용 곡선을 추종하는 내림차순 전류 단계로 충전을 나눕니다. 수용성이 높은 동안 높은 벌크 전류를, 무릎을 지나면서 점진적으로 더 작은 전류를 사용하고 짧은 마무리 충전으로 끝냅니다. 각 단계는 순간 과충전 비율을 제한적으로 유지하여 온도 궤적을 평탄하게 하고 단일 고전류 대비 전체 에너지 효율을 높입니다.
첫 번째 애니메이션 그림은 거의 평탄한 충전 중반 효율과 충전 말단 하락을 대비시키고, 두 번째는 컨트롤러가 각 단계에서 필요로 하는 정보를 쌓아 보여줍니다. 단계 임계값은 전압, 충전 상태, 온도 상승률 또는 모델로 설정할 수 있으며, 핵심은 일반 곡선이 아닌 특정 셀의 산소 시작 거동에 맞는 전환점을 선택하는 것입니다.
셀 제조업체에게 전달물은 대표 생산 로트에서 측정한 지도화된 수용 표면 – 충전 상태, 전류, 온도의 함수로서 효율과 압력 – 과 상단 구간에서 재결합 제한 레이트 아래에 머무르는 권장 전류 범위입니다. 충전기 제조업체에게는 그 범위를 보수적으로 사용하고 지속적인 고전류 밀어넣기 대신 가파른 마지막 구간을 통제된 마무리 충전에 사용하는 프로필입니다.
검증은 전류와 온도에 걸쳐 계측된 셀을 충전하고 입력 및 출력 전하를 적분하여 η_Q를 직접 계산하며 생산에서 이용 가능한 수용성 지표로 압력이나 온도를 기록해야 합니다. 수용 곡선에 맞춘 설계는 셀을 빠르고 서늘하게 채우는 충전기와 마지막 20%를 «익히는» 방식으로 동일한 명목 시간을 달성하는 충전기를 가르며, 이 차이는 시리즈 후반에 전개되는 사이클 수명 증거에 직접 연결됩니다.
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