化学系をまたいで設計する者は、一見した奇妙さに出会います。リチウムイオン・セルは正確な最大電圧を保つ定電流・その後定電圧のテーパーで充電されるのに対し、NiMH充電器は電流を調整し、代わりに電圧のピークと低下を見極めます。この違いは慣習ではなく、各化学系が高い充電状態でどのように破綻するかに由来します。本稿では定電流、定電圧および複合CC-CVの方式を比較し、電圧クランプがリチウム・セルで行うようにNiMHセルを「満たす」ことができない理由を説明し、よく引き合いに出されるセル当たり1,5Vの上限が実際には何を表すかを明らかにし、複数化学系対応充電器と、リチウムの習慣をニッケル系に持ち込む技術者に向けた設計上の含意を導き出します。
定電流（CC）は電圧が自ずと水準を見つける間、一定の電流を保ちます；定電圧（CV）はセルがそれに近づくにつれて電流が減衰する間、一定の電圧を保ちます；CC-CVは電圧しきい値までCCを適用し、その後電流が終了値へテーパーする間CVを適用します。リチウムイオンがCC-CVを使うのは、その拘束的制約が、それを超えるとめっきと正極損傷が生じる挿入電圧の上限だからです。その電圧を保つことで、最後の容量をますます小さくなる安全な電流で加えることができます。
方式の選択は、高い充電状態で充電を制限するものによって決まります――リチウムでは硬い電圧電位、NiMHでは電圧クランプが制御できないガス発生と再結合です。
充電末期のNiMHセルには、クランプすべき安定した「満充電」電圧がありません。電圧は電流、温度、内部抵抗と経年に依存し、ピークに達した後、再結合による発熱が優勢になると低下します（論文5）。一定の電圧を保つと、制御不能で温度に依存する電流が供給されることになります――低温で低抵抗のセルには大きく、温かいセルにはほぼゼロに消え入り――満充電を保証もせず過充電を制限もしません。なぜなら損傷プロセスである酸素再結合は、クランプが許すいかなる電流でも進行するからです。
さらに悪いことに、セルが温まり満充電時の電圧が下がると、CV源は電圧を保つために電流を増やします――より多くの再結合、より多くの熱、そしてさらに低い電圧を引き起こす正のフィードバックで、安全なテーパーの逆です。したがってNiMHは、電流を被制御変数とし、状態から導かれる基準を停止信号とすることを必要とします。
民生充電器の資料では、セル当たり約1,45Vまでのバルク充電と1,5V付近の最大値が説明されることがあります。これらはCVの設定値ではなく、その時々の電流下での保護電圧境界と段階移行の目印です。その数値はレートと温度とともに移動します――1Cの冷えたセルはC/2の温かいセルの電圧を正当に超えます――そのため故障の上限（緩やかな電流でそれを超えるセルは疑わしい）や多段階移行の合図として使われ、電流を完了までテーパーさせる電圧としては決して使われません。
1,5Vをリチウム式のCV目標として扱うのは、温かいセルを不足充電し冷えたセルを過充電する典型的な化学系混用の誤りです。「完了」の正しいNiMHでの対応物は、電圧ではなく終了基準の論理積です。
電流が被制御量であるため、NiMHパワー段は調整された電流源として設計されます――電流モード制御の降圧コンバーター、電流制限リニアレギュレーター、または電流検出付きPWM制御スイッチ――その設定値を状態機械が急速、補充、トリクルの各レベルで指令します。電圧は測定されますが、適格判定、故障検出と終了の推論に使われ、電圧ループを閉じません。
だからこそNiMH充電IC（bq2002ファミリーとその同類）は、精密な電圧レギュレーション・ループではなく電流制御とタイミングのピンを備えています。それらの制御課題は電流のシーケンスと終了の検出であり、リチウム充電ICの精密電圧という課題とは根本的に異なります。
リチウムとNiMHの両方に対応する充電器は、モードによって制御トポロジーを変えなければなりません。リチウムにはセル電圧精度の高い電圧レギュレートCC-CVループ、NiMHには-ΔV/dT/dt/タイマー終了を備える電流レギュレートループを用い、モードはユーザーまたは信頼できる化学系検出によって選ばれます――部分充電されたNiMHストリングがリチウム並みの電圧にありうるため、電圧だけから推測してはなりません。各方式が他方の化学系には安全でないため、化学系の取り違えは本物の安全問題です。
最初の図はリチウムCC-CVとNiMHのCCプラス終了の電流・電圧軌跡を対比し、2番目は各方式でどの変数が制御されどれが完了を知らせるかを対応づけ、その逆転を明示します。
NiMHでは電流制御段を指定し、方式ごとに電流レベルを定め、電圧は適格判定、故障または終了にのみ使い、電圧を保つテーパーを決して実装しないでください。複数化学系製品では二つの制御ループを分離し、化学系選択を曖昧なくフェイルセーフにしてください。完了が電圧ではなく終了基準で達成されることを示すためNiMHプロファイルを温度にわたって検証し、温まりつつある満充電セルに電流を増やせる制御経路がないことを確認してください。
Weijiangは、電流制御プロファイルとその保護電圧境界が測定された挙動を反映するよう、自社セルの電流－電圧－温度の充電面を提供します。急速充電の技法と方式が確立したところで、シリーズは次に充電中にセル内部で何が起きているかを知る問題――充電状態と健康状態の推定――へと向かいます。
Weijiang Powerは、民生、産業、医療およびモビリティのお客様向けにニッケル水素セル、組み合わせ済みパックと充電対応構成を設計・製造し、充電プロトコルのガイダンス、IEC 61951-2の性能ファイル、IEC 62133-1の安全証拠と充電器の共同検証でパートナーを支援します。セル形状、充電レート、温度範囲とサイクル目標をお知らせいただければ、当社のエンジニアが稼働時間と寿命の両方を守るセルと充電の組み合わせをご提案します。製品ページでラインアップをご確認ください。
