Khi bắt đầu quá trình sạc ắc quy, các tế bào NiMH ở nhiệt độ phòng, nhưng nếu tiếp tục sạc ắc quy, nhiệt độ bên trong tăng lên rất nhanh do phản ứng tỏa nhiệt. Trong phản ứng, nước trong chất điện phân được phân hủy thành các nguyên tử hydro, được hấp thụ vào các hợp kim cực âm.
Hợp kim + Hợp kim [H] +
Tại cực dương, phản ứng nạp được dựa trên quá trình oxy hóa của hydroxide niken.
Ni[OH]2 +OH-1 NiOOH + H2O + e-1
Các phản ứng tỏa nhiệt làm tăng nhiệt trong suốt quá trình sạc, nhiệt độ tế
bào tăng lên rất nhanh. Trong quá trình này việc phân hủy chất điện phân dễ dàng hơn việc nạp ắc quy.
Phương pháp sạc cho ắc quy NIMH
Nguyên tắc bịt kín của ắc quy NiMH cho thấy dung lượng của điện cực hydro cực âm lưu trữ lớn hơn so với điện cực dương. Do đó, điện cực âm chưa được sạc đầy khi điện cực dương đã được sạc đầy. Vì vậy, bất kỳ oxy nào tạo ra ở điện cực dương trong thời gian nạp và nạp quá đều do sự phản ứng về mặt hóa học diễn ra tại điện cực âm. Hiện tượng này sẽ tạo ra áp suất trong ắc quy. Khi sạc nhanh, áp lực nội bộ tăng lên nhanh chóng. Áp suất hơi tăng lên sẽ thoát ra ngoài qua lỗ thông hơi và kéo theo chất điện phân làm giảm điện áp và tuổi thọ ắc quy.
Sự tăng áp có xu hướng nhiều hơn khi dòng nạp cao hơn. Tại dòng nạp thấp hơn 300 mA, khả năng điện cực âm tạo ra hydro là ở SOC=100%. Ngược lại, như
thể hiện trong hình 2.7, với dòng nạp cao hơn 1.000 mA, khả năng điện cực âm tạo ra hydro ngay ở SOC=50%.
Phương pháp đầu tiên sử dụng một khoản nạp qua đêm (thường là nạp chậm) sử dụng dòng điện không đổi tối đa ở mức C/3 (A). Phương pháp sạc này gồm có 2 bước:
Hình 2.7. Biến đổi của áp suất ắc quy trong quá trình nạp.
1. Bước đầu tiên tại một dòng điện cao hơn, I1 (kết thúc bước đầu tiên làxác định tiêu chí, C1).
2. Bước thứ hai tại dòng điện thấp hơn, I2(kết thúc bước thứ hai nàyđược xác định bởi tiêu chí, C2).
Giới hạn C1 (T) là một hàm của nhiệt độ ắc quy thực tế và được thể hiện trong hình 2.8.
Khi đạt được tiêu chí C1, bước đầu tiên là dừng nạp lại và công suất bước
đầu tiên tính là Ah1. Không cần thời gian nghỉ ngơi giữa các bước, dòng điện I2 thứ
hai được bắt đầu. Kết thúc nạp giới hạn C2 đạt được khi khả năng tích điện Ah2
trong bước thứ hai có thểđược biểu diễn như sau:
Hình 2.8. Cấu hình nhiệt độ nạp thấp cho các ắc quy NiMH.
Hình 2.9. Giới hạn gia tăng nhiệt độ cho ắc quy NiMH.
Phương pháp nạp thứ hai sử dụng một bước nạp nhanh với dòng nạp không
đổi cho phép các tế bào nạp đến 40% dung lượng của nó từtrạng thái ban đầu của ắc quy có SOC=20-40%. Các gói ắc quy thường được nạptừ 10 đến 20 giờ với dòng
điện nạp trong khoảng (0.5C - 1C) [A] và nhiệt độphòng từ (22- 55)°C. Khi sạc ắc quy tại dòng điện quá 1C sẽ gây ra tăng áp suất bên trong tế bào làm lỗ thông hơi mở. Điều này dẫn đến chất điện phân bịrò rỉ.Khi nhiệt độ của ắc quy nằm ngoài dải
nhiệt độ việc nạp nhanh chóng chấm dứt, và nạp nhỏ giọtđược bắt đầu. Việc dùng dòng nạp lớn trong cuối quá trình nạp và dòng phóng lớn trong cuối quá trình phóng khiển cho ắc quy bị trai hóa bề mặt bản cực gây khó khăn cho việc khôi phục lại dung lượng của ắc quy. Do vậy bằng cách thức nạp nhỏ giọt sẽ
cho phép ắc quy phục hồi được điện áp giới hạn trên (xấp xỉ 1,8V/tế bào). Và dòng
điện lúc này thông thường từ [0,2C – 0,3C] A.
Hình 2.10. Cấu hình nạp để tăng nhiệt độ 2°C/phút.
Một cách chính xác hơn, khi điện áp ắc quy giảm từđỉnh của nó 5-10 mV/tế
bào trong quá trình nạp nhanh, việc nạp bị chấm dứt và chuyển sang nạp nhỏ giọt. Ngoài ra, nhiệt độ của ắc quy tăng lên nhanh chóng trong thời gian nạp nhanh. Khi sự gia tăng nhiệt độ 2°C/phút được phát hiện, việc nạp nhanh chấm dứt và chuyển sang nạp nhỏ giọt.
Việc sạc quá mức của ắc quy NiMH, ngay cả với nạp nhỏ giọt, gây ra sự suy giảm hiệu quả và tuổi thọ. Để ngăn chặn việc sạc quá mức bằng cách nạp nhỏ giọt hoặc bất kỳ phương pháp nạp khác, người ta sử dụng một bộ đếm thời gian đểđiều chỉnh tổng thời gian sạc.[8]
Những tiến bộ trong sạc NiMH
Nếu ắc quy NiMH được nạp quá nhanh, có thể dẫn đến hỏng hoàn toàn ắc quy, một số trường hợp cũng có thể gây cháy nổắc quy.
Kết hợp các mạch sạc ắc quy hiệu quả và thuật toán thông minh có thể cải thiện tuổi thọ ắc quy và giảm việc phải sạc ắc quy nhiều lần. Thiết kế ắc quy phải phù hợp với thiết kế xe để sử dụng hiệu quả của các thuật toán sạc ắc quy.
Sự chênh lệnh điện áp của ắc quy NiMH khi nạp đầy và khi phóng hết điện là không nhiều (0,15V) dễ gây ra hiện tượng quá nạp và không sạc đầy. Hiện nay phương pháp nạp với dòng không đổi được sử dụng phổ biến cho ắc quy NiMH. Việc chấm dứt nạp ắc quy cũng không kém phần quan trọng như sạcắc quy. Một vấn đề lớn với việc sớm dừng nạp.Nếu hệ thống sạc chỉ có độ chính xác 95%, sau đó ắc quy không đượcsạc đầy. Sạc ắc quy cần được chấm dứt sau khi phát hiện -ΔV hoặc điện áp đỉnh,tiếp theo là điểm thôi sạc.
Tại thời điểm này, ắc quy không còn có thể duy trì sự gia tăng điện áp, bởi vì mức nạp chấp nhận của nó là thấp. Bơm thêm năng lượng để sạc sẽ tạo nhiệt. Vì lý do này, việc chấm dứt nạp được dựa trên sự gia tăng nhiệt độ, dT/dt, hoặc một kỹ
thuật dự đoán thời gian nạp. Các bộ sạc điện tử phát hiện dT/dt kể từ khi ắc quy NiMH không thể hiện giảm rõ rệt vềđiện áp sau khi đạt gần hết dung lượng. Nạp ắc quy NiMH không đúng cách có thểđược dừng nếu thiết bị màn hình chỉ -ΔV.