Chương 2: Ắc quy khởi động

CHƯƠNG 2:
ẮC QUY KHỞI ĐỘNG
Ô tô hiện nay được trang bị nhiều chủng loại thiết bị điện và điện tử khác nhau.
Từng nhóm các thiết bị điện có cấu tạo và tính năng riêng, phục vụ một số mục đích nhất
định, tạo thành những hệ thống điện riêng biệt trong mạch điện của ôtô.
2.1. Công dụng, yêu cầu và phân loại
2.1.1. Công dụng:
Ắc quy trên ô tô thường được gọi là ắc quy khởi động, có các công dụng như sau:
Là thiết bị lưu trữ, chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại.
Cung cấp năng lượng điện để khởi động động cơ.
Cung cấp điện cho các thiết bị điện trên ô tô khi động cơ chưa làm việc, hoặc
khi điện áp máy phát chưa đạt điện áp định mức.
Đóng vai trò bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ô tô khi điện áp máy phát dao động. 2.1.2. Yêu cầu:
Có khả năng cung cấp dòng điện lớn trong thời gian ngắn mà độ sụt áp nhỏ.
Có thể tạo ra dòng điện có cường độ lớn, trong khoảng thời gian ngắn (5 10s),
Có khả năng cung cấp dòng điện lớn (200 800A) mà độ sụt thế bên trong
nhỏ, thích hợp để cung cấp điện cho máy khởi động để khởi động động cơ.
Có kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ.
Có điện dung cao, giá thành rẽ.
Có độ bền cao, chịu đựng rung xóc tốt, tuổi thọ dài. Ít chăm sóc và bảo dưỡng kỹ thuật. 2.1.3. Phân loại:
Trên ôtô có thể sử dụng hai loại ắc quy để khởi động: Ắc quy axit – chì. Ắc quy kiềm.
Nhưng thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là ắc quy axit, vì so với ắc quy kiềm
nó có sức điện động của mỗi cặp bản cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ và đảm bảo chế
độ khởi động tốt, mặc dù ắc quy kiềm cũng có khá nhiều ưu điểm. Để đảm bảo các yêu cầu
kể trên, đa số ắc quy khởi động là ắc quy axit chì.
Phân loại ắc quy axit – chì:
Ắc quy không cần bảo trì (MF – Maintenance Free battery): Bằng cách giảm
lượng antimon hoặc thay thế antimon bằng kim loại khác như calcium ở lưới bản cực
dương để làm giảm sự phân giải nước trong trong quá trình sử dụng. Loại ắc quy này
được làm kín, khi sử dụng không cần kiểm tra và châm thêm dung dịch điện phân.
Ắc quy có chu kỳ nạp lại dài (Cycle – Proof battery): Loại ắc quy này tại bản
cực dương được bao bọc bởi tấm cách điện bằng sợi thủy tinh nên giảm được hiện
tượng bong tróc của chất tác dụng. Loại ắc quy này thích hợp cho khởi động vì cường
độ dòng điện khởi động cao. Loại ắc quy này có tuổi thọ cao gấp hai lần ắc quy thông thường.
Ắc quy chống rung động (Vibration – Proof battery): Loại ắc quy này cố định
các bộ phận bên trong bằng nhựa casting hay plastic. Theo tiêu chuẩn công nghệ Đức
(DIN) thì ắc quy này phải chịu kiểm tra chấn động trong 20 giờ với tần số 22Hz, yêu
cầu này cao gấp 10 lần ắc quy thông thường. Loại ắc quy này được dùng nhiều trên
các xe thương mại, xe kéo và được định danh “Rf”.
Ắc quy làm việc nặng (HD – Heavy Duty batter): Loại ắc quy này kết hợp
giữa loại ắc quy có chu kỳ nạp dài và ắc quy chống rung động, được định danh “HD”.
Ắc quy loại “S”: Kết cấu ắc quy “S” tương tự ắc quy có chu kỳ nạp lại dài,
nhưng tấm bản cực chế tạo dày hơn và ít hơn. Công suất khởi động của loại ắc quy
này thấp hơn 30 40% ắc quy có cùng kích cỡ. Ắc quy này được dùng trong mục đích giảm số lần nạp.
2.2. Cấu tạo và quá trình điện hóa của ắc quy chì-axit
2.2.1. Cấu tạo ắc quy
Ắc quy axit bao gồm vỏ bình, có các ngăn riêng, thường là ba ngăn hoặc 6 ngăn tùy
theo loại ắc quy 6V hay 12V. Trong mỗi ngăn đặt 02 khối bản cực gồm khối bản cực dương
và khối bản cực âm. Các tấm bản cực được ghép song song và xen kẽ nhau, ngăn cách với
nhau bằng các tấm ngăn. Mỗi ngăn như vậy được coi là một ắc quy đơn. Các ắc quy đơn
được nối với nhau bằng các cầu nối và tạo thành bình ắc quy. Ngăn đầu và ngăn cuối có
hai đầu tự do gọi là các đầu cực của ắc quy. Dung dịch điện phân trong ắc quy là axit
sunfuric được chứa trong từng ngăn theo mức qui định thường không ngập các bản cực quá 10 15 mm. Vỏ ắc quy
Vỏ ắc quy giữ các điện cực và các ngăn riêng rẽ của bình ắc quy. Nó được chia thành
6 phần hay 6 ngăn. Các bản cực được đặt trên các gờ đỡ, giúp cho các bản cực không bị
ngắn mạch khi có vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy ắc quy. Vỏ được làm từ polypropylen,
cao su cứng, và plastic. Một vài nhà sản xuất làm vỏ ắc quy có thể nhìn xuyên qua để có
thể nhìn thấy được mực dung dịch điện phân mà không cần mở nắp ắc quy. Đối với loại
này thường có hai đường để chỉ mực thấp (lower) và cao (upper) của dung dịch điện phân
bên ngoài vỏ. Vỏ ắc quy phải có độ bền và khả năng chịu được axit cao.
Hình 2.1: Cấu tạo ắc quy axit – chì
1. Nắp; 2. Tấm che điện cực; 3. Cầu nối; 4. Điện cực; 5. Lưới bảo vệ;6. Thanh nối;
7. Vỏ ắc quy; 8. Thanh giữ; 9. Bản cực dương và tấm ngăn; 10. Bản cực âm.
Tấm bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực
Khung của các tấm bản cực được chế tạo bằng hợp kim chì – antimony (PbSb) với
thành phần 87 95% Pb và 5 13% Sb. Các lưới của bản cực dương được chế tạo từ hợp
kim PbSb có pha thêm 1,3%Sb và 0,2% Kali, lưới bản cực được phủ đầy chất tác dụng là
lớp bột dioxit chì (PbO2) ở dạng xốp tạo thành bản cực dương. Các lưới của bản cực âm có
pha 0,2% Ca và 0,1% Cu và được được phủ đầy chất tác dụng là bột chì (Pb).
Khung và lưới bản cực để giữ chất tác dụng và phân bố dòng điện đều khắp bề mặt.
Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với bản cực dương vì điện trở của chất tác dụng (PbO2)
lớn gấp 10.000 lần điện trở của chì nguyên chất (Pb).
Trên khung bản cực có vấu để hàn nối các bản cực cùng loại thành phân khối bản
cực. Các phân khối bản cực và các tấm ngăn được lắp lại thành khối bản cực sao cho các
bản cực âm và dương xen kẽ nhau và cách điện với nhau bằng các tấm ngăn có độ xốp cao.
Trong mỗi khối bản cực, số bản cực âm bao giờ cũng nhiều hơn số bản cực dương một bản
với mục đích là sử dụng bản cực dương triệt để hơn và giảm bớt cong vênh cho các bản
cực dương ở hai bên khi dòng điện phóng hoặc nạp lớn.
Hình 2.2: Khung và lưới của bản cực
Hiện nay trên các ắc quy mới loại không cần bảo dưỡng (MF) các lưới bản cực
thường sử dụng hợp kim chì – calcium (PbCa). Vật liệu mới này làm ít thoát hơi của dung
dịch điện phân khi ắc quy được nạp đầy, lượng mất nước giảm đáng kể. Tuy nhiên, các ắc
quy này vẫn còn có một lỗ thông hơi nhỏ để ngăn chặn áp suất bên trong do lượng thoát
khí rất nhỏ. Một yêu cầu nữa của ắc quy này là kiểm soát chính xác điện áp nạp. Tấm ngăn
Tấm ngăn đặt giữa hai bản cực, có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực
dương và âm, đồng thời đỡ chất tác dụng ở các bản cực bớt bị bong rơi trong khi sử dụng ắc quy.
Các tấm ngăn phải là chất cách điện, có độ xốp thích hợp để không ngăn cản dung
dịch điện phân thấm đến các tấm bản cực. Chúng phải có độ bền, dẻo, chịu axit và không
chứa tạp chất có hại, nhất là sắt.
Các tấm được chế tạo bằng vật liệu xốp mịn như mipo (êbônit xốp mịn), miplat
(policlovinhin xốp mịn), platxchipo (peclovinhin xốp mịn) hoặc bông thủy tinh ghép với miplat hoặc gỗ v.v…
Về mặt cấu tạo, tấm ngăn có dạng hình chữ nhật, thường có chiều dày từ 1,5 2,4mm
và có một mặt phẳng hướng về bản cực âm, còn một mặt có hình sóng hoặc có gờ hướng
về phía bản cực dương, tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các
bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn. Để đảm bảo cách điện tốt, tấm ngăn được
làm rộng hơn so với các bản cực, đặc biệt là chiều cao.
Hình 2.3: Cấu tạo ắc quy AGM (Absorbent Glass Mat) của hãng Bosch
1. Nắp với van an toàn; 2. Phân khối bản cực dương; 3. Khối bản cực; 4. Phân khối bản
cực âm; 5. Bản cực âm; 6. Tấm ngăn âm; 7. Tấm ngăn bằng thảm sợi thủy tinh rất mỏng
để hấp thụ axit (AGM); 8. Bản cực dương; 9. Tấm ngăn dương.
Dung dịch điện phân:
Là hỗn hợp gồm 36% axit sunfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O). Dung dịch điện
phân trên ắc quy thường có nồng độ 1,22 1,27g/cm3, hoặc 1,29 1,31g/cm3 nếu ở vùng khí
hậu lạnh. Nồng độ dung dịch quá cao sẽ làm hỏng nhanh các tấm ngăn, rụng bản cực, các
bản cực dễ bị sunfat hóa, khiến tuổi thọ của ắc quy giảm. Nồng độ quá thấp làm điện thế ắc quy giảm.
Những lưu ý khi pha chế dung dịch điện phân:
Sử dụng axit không có tạp chất.
Phải sử dụng nước cất để pha chế.
Chỉ sử dụng các dụng cụ pha chế bằng thủy tinh, sứ hoặc chất dẽo chịu axit.
Khi pha chế phải đổ từ từ axit vào nước, không được làm ngược lại để bảo đảm an toàn.
Nắp thông hơi
Nắp thông hơi che các lỗ phía trên các ngăn của ắc quy. Các lỗ này được sử dụng
để châm thêm dung dịch điện phân hoặc nước cất, kiểm tra nồng độ dung dịch điện phân
bằng tỷ trọng kế. Nắp được thiết kế để hơi axit ngưng tụ và rơi trở lại ắc quy và cho phép
khí hydrô thoát ra trong lúc nạp ắc quy.
Hầu hết các ắc quy hiện nay được thiết kế một dãy nắp thông hơi để có thể chụp cho
nhiều ngăn. Dãy nắp thông hơi được thiết kế để hơi axit ngưng tụ và rơi trở lại ắc quy và cho phép hydrô thoát ra.
Hình 2.4: Nắp thông hơi cho một ngăn ắc quy
1. Khí; 2. Lỗ thoát khí; 3. Khí và hơi axit; 4. Các giọt axit; 5. Đệm kín bằng cao su Kính kiểm tra
Một số ắc quy có kính quan sát phía trên nắp dùng để quan sát nhận biết nồng độ
dung dịch điện phân, trạng thái nạp điện của ắc quy.
Hình 25: Kính quan sát kiểm tra nhanh tình trạng ắc quy
1. Kính quan sát; 2. Ống nhựa; 3. Viên bi màu xanh;
4. Chấm màu xanh – nồng độ dung dịch và trạng thái nạp ắc quy tốt;
5. Chấm một ít màu xanh – nồng độ dung dịch tốt, trạng thái nạp ắc quy thấp;
6. Chấm màu đỏ – nồng độ dung dịch điện phân thấp, thay ắc quy.
Cực ắc quy (Đầu nối)
Có 3 loại cọc bình ắc quy được sử dụng, loại đỉnh, loại cạnh và loại L.
Ký hiệu trên cực ắc quy để nhận biết cực dương hay âm. Thông thường, ký hiệu (+)
để chỉ cực dương, ( ) để chỉ cực âm. Đôi khi, các ký hiệ “POS” và “NEG” cũng được sử
dụng để ký hiệu cực dương và cực âm. Trên loại ắc quy có cực là loai đỉnh, đầu của cực
dương thường lớn hơn cực âm, mục đích để dễ phân biệt.
Hình 2.6: Cực ắc quy
1. Cực bên cạnh; 2. Cực trên đỉnh; 3. Cực chữ L
2.2.2. Quá trình điện hóa
Hình 2.7: Quá trình điện hóa của ắc quy axít – chì
Trong ắc quy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch, đặc trưng là quá
trình nạp và quá trình phóng điện. Hai quá trình này được thể hiện dưới dạng phương trình tổng quát sau:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
Khi nạp điện, nhờ nguồn điện nạp mà ở mạch ngoài các điện tử “e” chuyển động từ
các bản cực âm đến các bản cực dương, đó là dòng điện nạp In.
Khi phóng điện, dưới tác dụng của sức điện động riêng của ắc quy các điện tử “e”
sẽ chuyển động theo hướng ngược lại và tạo thành dòng điện phóng Ip.
Khi ắc quy được nạp no, chất tác dụng ở các bản cực dương là PbO2, còn các bản
cực dương là Pb. Khi phóng điện, chất tác dụng ở cả hai bản cực đều trở thành sunfat chì
PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ. Quá trình phóng
2.3. Thông số và các đặc tính của ắc quy chì-axit
2.3.1. Thông số
a. Sức điện động của ắc quy
Sức điện động của ắc quy phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch điện thế giữa hai
tấm bản cực khi không có dòng điện ngoài.
Sức điện động trong một ngăn ea (V)
Nếu ắc quy có n ngăn: Ea n ea (V)
Sức điện động còn phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, trong thực tế có thể xác định
theo công thức thực nghiệm: E0 0 85, 250C (2.1) E0
Sức điện động tĩnh của ắc quy đơn (V)
Nồng độ của dung dịch điện phân được tính bằng (g/cm3) quy về +250C.
250C đo 0,0007 25 t t
Nhiệt độ dung dịch lúc đo
đo Nồng độ dung dịch lúc đo
b. Hiệu điện thế của ắc quy U Khi phóng điện: p a a p (2.2) E R Khi nạp điện: Un Ea Ra In (2.3) I Trong đó: Ip
Cường độ dòng điện phóng. In
Cường độ dòng điện nạp.
Ra Điện trở trong của ắc quy.
c. Điện trở trong ắc quy
Raq = Rđiện cực + Rbản cực + Rtấm ngăn + Rdung dịch
Điện trở trong ắc quy phụ thuộc chủ yếu vào điện trở của điện cực và dung dịch điện
phân. Pb và PbO2 đều có độ dẫn điện tốt hơn PbSO4. Khi nồng độ dung dịch điện phân
tăng, sự có mặt của các ion H+ và SO 2-
4 cũng làm giảm điện trở dung dịch. Vì vậy điện trở
trong của ắc quy tăng khi bị phóng điện và giảm khi nạp điện. Điện trở trong của ắc quy
cũng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ thấp, các ion sẽ dịch chuyển chậm
trong dung dịch nên điện trở tăng và ngược lại.
d. Độ phóng điện của ắc quy
Để đánh giá tình trạng của ắc quy, ta sử dụng thông số độ phóng điện. Độ phóng
điện của ắc quy tính bằng % dung lượng và được xác định bởi công thức sau:
% Q n đ (25oC) n p (2.4) n p = 0,16 g/cm3 n
Nồng độ dung dịch lúc nạp đầy (g/cm3). đ
Nồng độ dung dịch lúc đo đã qui về 250C. p
Nồng độ dung dịch lúc ắc quy đã phóng hết.
e. Năng lượng ắc quy
Năng lượng của ắc quy lúc phóng điện: Wp 3600 Qp Up (J) (2.5) I p tp n Wp 3600 n U p i U pi
Năng lượng của ắc quy lúc nạp điện: Wn n i (2.6) 3600 In tn U p Trong đó: n Uni
Qp Năng lượng phóng của ắc quy (A.h).
Up Điện thế phóng của ắc quy (V). tp
Thời gian phóng điện của ắc quy (giây). tn
Thời gian nạp điện của ắc quy (giây) n Số lần đo.
f. Công suất của ắc quy P (2.7) a I E I I R I Ra Pa I2 R I2 Ra
Công suất đưa ra mạch ngoài (đưa vào tải điện): Pa I E I2 Ra Đạt cực đại khi: dP a E 2 I Ra 0 dI Hay E I 2 Ra (2.8)
Như vậy khi điện trở phụ tải điện bên ngoài R bằng với điện trở trong ắc quy (R=Ra),
ắc quy cho công suất lớn nhất. Trong đó: Pa Công suất ắc quy. E
Sức điện động ắc quy. R
Điện trở phụ tải điện bên ngoài.
Ra Điện trở trong ắc quy. I
Cường độ dòng điện trong mạch.
2.3.2. Đặc tính
a. Đặc tính phóng và nạp của ắc quy:
Đặc tính phóng của ắc quy đơn:
Khi phóng điện bằng dòng điện không đổi Ip thì nồng độ dung dịch giảm theo đường
thẳng vì số lượng chất tác dụng tham gia phản ứng và axit sunfuric được thay thế bằng
nước trong mỗi giây đều bằng nhau. Nồng độ ban đầu giả sử bằng =1,27g/cm3, cò nồng
độ phóng cuối cùng phụ thuộc vào lượng axit tiêu tốn trong thời gian phóng và trữ lượng
dung dịch trong bình, tức là phụ thuộc vào kết cấu của ắc quy. Ở những ắc quy hiện nay,
giá trị cuối cùng của nồng độ dung dịc điện phân =1,11g/cm3.
Đường đặc tính của sức điện động tĩnh E0 tính theo công thức (2.1) cũng có dạng
giống như đường . Nhưng nếu tính giá trị thực tế của sức điện động: E U R aq p Ip
aq , thì Eaq sẽ nhỏ hơn E0 một lượng là E. Trong đó:
Raq Điện trở trong của ắc quy. Ip
Cường độ dòng điện phóng.
Up Hiệu điện thế của ắc quy trong quá trình phóng.
E Mức chênh lệch sức điện động trong quá trình phóng hoặc nạp.
Trên đồ thị có sự chênh lệch giữa sức điện động ắc quy (Ea) và sức điện động tĩnh
(E0) trong quá trình phóng điện là vì nồng độ dung dịch chứa trong chất tác dụng của bản
cực bị giảm do tốc độ khuếch tán dung dịch đến các bản cực chậm, khiến nồng độ dung
dịch thực tế ở trong lòng bản cực luôn luôn thấp hơn nồng độ dung dịch trong từng ngăn.
Hiệu điện thế khi phóng (Up) cũng thay đổi trong quá trình phóng. Ở thời điểm bắt
đầu phóng điện, Up giảm nhanh và sau đó giảm tỷ lệ với sự giảm nồng độ dung dịch điện
phân. Khi ở trạng thái cân bằng (đoạn tương đối thẳng của đường Up) thì Up gần như ổn
định và chỉ hơi giảm tỉ lệ với mức giảm nồng độ chung của dung dịch.
Ở cuối quá trình phóng (vùng gần điểm A) sunfat chì (PbSO4) được tạo thành trong
các bản cực sẽ làm giảm tiết diện của các lỗ thấm dung dịch và làm cản trở quá trình khuếch
tán, khiến cho trạng thái cân bằng bị phá hủy. Kết quả là nồng độ dung dịch chứa trong bản
cực, sức điện động Ea và hiệu điện thế Up giảm nhanh và có chiều hướng giảm đến không.
Quá trình phóng chỉ thực hiện đến điểm A vì sau đó hiệu điện thế của ắc quy giảm
rất nhanh. Hiệu điệu thế tại điểm A được gọi là điện thế phóng cuối cùng. Lúc này coi như
ắc quy đã bị phóng hết điện. Điện thế phóng cuối cùng là 1,7V, không nên tiếp tục phóng
điện ở vùng sau điểm A vì lúc này Up giảm nhanh không thỏa mãn điều kiện làm việc của
phụ tải, gây tác hại cho ắc quy, gây khó khăn cho quá trình nạp phục hồi ắc quy.
Nếu ngắt mạch phụ tải tại A thì thế hiệu Up lại tăng lên bằng Eaq, sau một thời gian
nhờ khuếch tán mà nồng độ dung dịch điện phân cân bằng, Eaq tăng dần tới E0 và bằng
1,96V đối với ắc quy được coi là phóng hết điện. Đoạn cuối của đường cong Eaq ứng với
“khoảng nghỉ” của ắc quy. Khoảng nghỉ của ắc quy rất quan trọng để phục hồi thế hiệu và
điện dung của ắc quy, nhất là khi khởi động động cơ ô tô, máy kéo, máy tàu.
Đặc tính nạp ắc quy ắc quy đơn:
Nồng độ dung dịch tăng theo quy luật đường thẳng từ 1,11g/cm3 đến 1,27g/cm3 ở cuối quá trình nạp.
Thế hiệu trên các cực của ắc quy khi nạp Un và Eaq thay đổi theo quy luật ngược với
khi phóng điện và cũng được giải thích bằng hiện tượng khuếch tán dung dịch.
Khi nạp điện, trong lòng các bản cực axit sunfuric tái sinh. Nồng độ của dung dịch
chứa trong các bản cực trở nên đậm đặc hơn, do đó Ea khi nạp lớn hơn E0 một lượng bằng
E, còn hiệu điện thế khi nạp bằng: Un Eaq In Raq
Trong đó: In – Cường độ dòng điện nạp.
Ở cuối quá trình nạp sức điện động và hiệu điện thế tăng lên khá nhanh cùng với
các bọt khí được tạo thành trong ắc quy. Khi quá trình nạp kết thúc và các chất tác dụng ở
các bản cực trở lại trạng thái ban đầu thì dòng điện In trở nên thừa. Nó chỉ điện phân nước
tạo thành oxy và hydro và thoát ra dưới dạng bọt khí. Hiện tượng này gọi là sự “sôi” của
ắc quy và đó là dấu hiệu cuối quá trình nạp.
Trong khi điện phân nước, các ion H+ tiến tới các bản cực âm, một số ít liên kết với
các điện tử trong các bản cực âm để tạo thành nguyên tử khí hydro, còn phần lớn tập trung
quanh bản cực âm và tạo nên một điện thế phụ khoảng 0,33V. Đó chính là nguyên nhân
gây nên sự tăng điện thế ở cuối quá trình nạp.
Sự sôi bắt đầu trong ắc quy khi thế hiệu của mỗi ắc quy đơn tăng tới 2,4V, rồi sau
đó thế hiệu tăng vọt lên và khi đạt 2,7V thì ngừng tăng (điểm B trên đồ thị). Điểm này thực
chất là điểm cuối quá trình nạp và có thể kết thúc nạp ở đây, nhưng phải tiếp tục nạp thêm
khoảng 3 giờ nữa, khi thấy trong suốt quá trình nạp này thế hiệu và nồng độ dung dịch điện
phân không thay đổi thì mới tin chắc là ắc quy đã được nạp no.
Sau khi ngắt dòng điện nạp, thế hiệu ắc quy giảm xuống bằng Eaq và sau khoảng
“nghỉ”, tức là sau khi đã cân bằng nồng độ dung dịch và đã thoát hết bọt khí, Eaq giảm tới
sức điện động tĩnh E0 = 2,11 2,12V ứng với ắc quy đã được nạp no.
Những dấu hiệu biểu thị mốc cuối của quá trình nạp: Thế hiệu và nồng độ dung dịch điện
phân của ắc quy ngừng tăng và không thay đổi trong 3 giờ liền, có sự sôi mạnh trong các ngăn của ắc quy.
b. Dung lượng của ắc quy (Ah)
Lượng điện năng mà ắc quy cung cấp cho phụ tải trong giới hạn phóng điện cho
phép được gọi là dung lượng của ắc quy (hoặc gọi là điện dung ắc quy) và ký hiệu là Qp. Qp Ip tp (A.h) (2.9)
Như vậy dung lượng của ắc quy là đại lượng biến đổi phụ thuộc vào chế độ phóng
điện. Người ta còn đưa ra khái niệm dung lượng định mức của ắc quy Q5, Q10, Q20 mang
tính quy ước ứng với một chế độ phóng điện nhất định như chế độ 5 giờ, 10 giờ, 20 giờ
phóng điện ở nhiệt độ +300C.
Dung lượng của ắc quy được đặc trưng cho phần gạch chéo (hình 2.8a). Chế độ
phóng ở đây là chế độ định mức nên dung luợng này chính bằng dung lượng định mức của ắc quy. Qđm Q10 5A 10h 50A.h
Dung lượng của ắc quy phụ thuộc lớn vào dòng phóng. Phóng dòng càng lớn thì
dung lượng càng giảm, tuân theo định luật Peukert. I pn t p const (2.10)
Trong đó: n là hằng số tùy thuộc vào loại ắc quy (n = 1,4 đối với ắc quy chì).
Các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng của ắc quy:
Khối lượng và diện tích chất tác dụng trên bản cực. Dung dịch điện phân.
Cường độ dòng điện phóng.
Nhiệt độ môi trường.
Thời gian sử dụng ắc quy.
Hình 2.9: So sánh chế độ phóng của ắc quy 44A.h.
c. Đặc tuyến volt-ampere (Hình 2.10)
Đặc tuyến vôn – ampe của ắc quy là tập hợp những đường thẳng đặc trưng cho mối
quan hệ giữa điện thế của ắc quy (V) và cường độ dòng điện phóng (A) ở những nhiệt độ khác nhau.
Đặc tuyến vôn – ampe được sử dụng nhiều trong thiết kế và tính toán hệ thống khởi
động điện, chọn ắc quy và máy khởi động điện cho động cơ ô tô, máy kéo.
Hình 2.10: Đặc tuyến vôn – ampe của ắc quy Phương
trình mô tả đặc tuyến vôn – ampe của ắc quy: Ua Ubđ Ip Ra
Trong đó: Ubđ – điện thế ban đầu xác định theo công thức thực nghiệm.
Inm – dòng ngắn mạch lúc Ua = 0 Ubđ Inm Ra 0 Ubđ Inm R a (2.11)
Ubđ = n.(2,02 + 0,00136t – 0,001. Qp) Inm n I
I 2 24, 175, t 0 4, Qp (2.12) n Số ngăn ắc quy. t Nhiệt độ
của dung dịch điện phân (0C).
Qp Độ phóng điện ắc quy (%Qp). n
Số bản cực (+) được ghép song song trong một ngăn. I
Cường độ dòng điện đi qua một bản cực dương lúc ngắn mạch.
Từ đặc tuyến vôn – ampe ta có thể xác định điện trở trong của ắc quy: Ubđ Ra Inm
Có thể đo và tính định điện trở trong của ắc quy theo sơ đồ sau: (Hình 2.11)
Hình 2.11: Sơ đồ đo xác định điện trở trong của ắc quy
d. Đặc tuyến làm việc của ắc quy trên ôtô
Ắc quy làm việc trên ôtô theo chế độ phóng nạp luân phiên tùy theo tải của hệ thống
điện. Điện thế nạp ổn định nhờ có bộ tiết chế. (Hình 2.12) Umf = 13,8V đến 14,2V In = (Umf – Ua ) / R (2.13) R = Ra + Rdd + Rmf Trong đó:
Ra Điện trở trong ắc quy. Rdd Điện trở dây dẫn.
Rmf Điện trở các cuộn stator máy phát.
Để đánh giá mức cân bằng năng lượng trên xe, người ta xem xét hệ số cân bằng: tn η i dn t Kcb tpo i dp t o
Nếu Kcb > 1: Ắc quy được nạp đủ.
Nếu Kcb < 1: Ắc quy bị phóng điện. Hiệu suất nạp.
Hình 2.12: Chế độ phóng và nạp của ắc quy trên ô tô
2.4. Hiện tượng tự phóng điện (Self-discharge)
Tất cả ắc quy đều bị tự phóng điện, có nghĩa là trạng thái nạp của ắc quy sụt giảm
trong khi ắc quy không được nối với mạch điện bên ngoài. Thông thường tỷ lệ tự phóng
điện ắc quy khoảng 0,2 1% dung lượng ắc quy (A.h) mỗi ngày, tỷ lệ gia tăng theo nhiệt độ
và thời gian sử dụng của ắc quy. Ắc quy tự phóng điện do các nguyên nhân sau:
Ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứng dưới dây làm chì và oxít chì biến thành sunfat chì: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2
2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2
Dòng điện cục bộ trên các tấm bản cực do sự hiện diện của các ion kim loại,
Hoặc do sự chênh lệch nồng độ giữa lớp dung dịch bên trên và bên dưới ắc quy,
cũng làm giảm dung lượng ắc quy.
Do hiện tượng tự phóng điện, ắc quy để lâu không sử dụng cũng sẽ dần dần hết điện.
Bảng 2.1: Nhiệt độ dung dịch điện phân, mức độ tự phóng điện trong 24 giờ và
độ giảm nồng độ dung dịch điện phân Lượng tự phóng điện
Độ giảm nồng độ dung dịch Nhiệt độ ( 0 C) ( % trong 24 giờ )
điện phân (trong 24 giờ) 30 1.0 0.002 20 0.5 0.001 5 0.25 0.0005
2.5. Các phương pháp nạp điện cho ắc quy
Để nạp điện cho ắc quy người ta thường sử dụng hai phương pháp: Nạp bằng dòng
điện không đổi In=const và nạp bằng hiệu điện thế không đổi Un=const.
2.5.1. Nạp bằng dòng điện không đổi:
Theo cách này dòng điện nạp được giữ ở một giá trị không đổi trong suốt thời gian
nạp (nạp một nấc) trường hợp cần nạp nhanh cho phép thay đổi trị số của In một lần (nạp hai nấc).
Nạp một nấc thì có thể chọn cường độ dòng điện nạp: In=0,1Q10 (Hình 2.8)
Nạp hai nấc thì có thể chọn cường độ dòng điện nạp: In=0,15Q10
Trong đó: Q10 là dung lượng định mức của ắc quy ứng với chế độ phóng điện 10 giờ
ở nhiệt độ chuẩn +300C. In U n Eaq
Vì dòng điện nạp: Raq mà Eaq tăng dần trong khi nạp. Vì thế muốn giữ In=const trong
quá trình nạp phải tăng dần điện thế nạp Un. Để thực hiện việc này nguồn điện nạp phải có
nhiều nấc điện thế, nếu không phải mắc thêm biến trở R nối tiếp với ắc quy như sơ đồ nạp (Hình 2.9)
Nếu nạp hai nấc thì nấc thứ nhất kết thúc khi thế hiệu của mỗi ắc quy đơn đạt 2,4V
(bắt đầu sủi bọt trong ắc quy), sau đó chuyển sang nấc thứ hai có cường độ dòng điện nạp
giảm xuống còn 0,05Qđm và kết thúc quá trình nạp ở cuối nấc này. Điện lượng cung cấp
cho ắc quy trong quá trình nạp được thể hiện bằng diện tích hình gạch chéo trên hình 2.9.
Theo phương pháp này tất cả các ắc quy được mắc nối tiếp nhau và chỉ cần đảm U n bảo điều
kiện tổng số các ắc quy đơn trong mạch nạp không vượt quá trị số 2,7 , (Un là thế hiệu của nguồn điện nạp).
Hình 2.9: Đặc tính nạp ắc quy hai nấc
Các ắc quy phải có dung lượng như nhau. Nếu không ta sẽ phải chọn cường độ dòng
điện nạp theo ắc quy có dung lượng nhỏ nhất và như vậy ắc quy có dung lượng lớn sẽ phải nạp rất lâu.
Giá trị lớn nhất của biến trở R có thể xác định bởi công thức:
R Ung 2,6 N aq 0,5 I n Trong đó:
Naq Số ắc quy đơn mắc nối tiếp. 0,5 Hệ số dự trữ.
Ung Hiệu điện thế nguồn nạp.
Ưu nhược điểm của phương pháp nạp bằng cường độ dòng điện không đổi: Ưu điểm:
Là phương pháp nạp chủ yếu và tổng hợp nhất, nạp một nấc là cơ bản, nạp hai nấc
chỉ áp dụng khi rút ngắn thời gian nạp, nạp cho ắc quy mới trước khi đem sử dụng. Tùy
ý chọn cường độ dòng điện nạp thích hợp cho từng loại ắc quy. Nhược điểm:
Thời gian nạp kéo dài (thường từ 25 50 giờ)
Thường xuyên phải theo dõi, điều chỉnh cường độ dòng điện nạp.
Có thể sử dụng nạp để khắc phục ắc quy bị sunfat hóa nhẹ.
2.5.2. Phương pháp nạp bằng hiệu điện thế không đổi
Trong cách nạp này tất cả các ắc quy được mắc song song với nguồn điện nạp
(máy phát điện hoặc máy nạp riêng) và bảo đảm điện thế của nguồn nạp (Ung) bằng
2,3V 2,5V trên một ắc quy đơn, với điều kiện Ung > Uaq. (Hình 2.10)
Hình 2.10: Đặc tính nạp ắc quy bằng hiệu điện thế không đổi
Điện thế của nguồn nạp phải được giữ ổn định và được theo dõi bằng vôn kế. Cường
độ dòng điện nạp In ban đầu rất lớn và thay đổi theo công thức: U ng Eaq In Raq
Sau thời gian nạp, Eaq tăng dần thì In giảm đi khá nhanh (hình 2.10). Do dòng điện
nạp ban đầu rất lớn nên thời gian nạp giảm đi nhiều. Trong khoảng 3 giờ đầu ắc quy nhận
được khoảng 80% điện lượng yêu cầu. Quá trình nạp kết thúc khi dòng điện nạp rất nhỏ,
gần bằng không, điện thế đạt 2,3V 2,4V trên một ắc quy đơn.
Ưu nhược điểm của phương pháp nạp bằng hiệu điện thế không đổi: Ưu điểm:
Thời gian nạp ngắn và ít tốn công, vì dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian
không cần phải theo dõi và điều chỉnh.
Đặc biệt thích hợp nạp điện bổ sung cho ắc quy đang sử dụng trên ô tô, máy tàu và máy kéo. Nhược điểm:
Cường độ dòng điện nạp ban đầu rất lớn tuy không gây hỏng ắc quy nhưng có hại
cho tuổi thọ và dung lượng của ắc quy, gây quá tải cho thiết bị nạp.
Dòng điện nạp giảm về không thì ắc quy chỉ được nạp khoảng 90% dung lượng.
2.5.3. Phương pháp nạp hỗn hợp
Đầu tiên, nạp bằng phương pháp hiệu điện thế không đổi và sau đó nạp bằng phương
pháp dòng không đổi. Có thể nạp nhanh đối với ắc quy bị cạn hết điện, nhưng phải giảm thời gian nạp.
2.6. Chọn và bố trí ắc quy
Để chọn ắc quy ta dựa vào các ký hiệu ghi trên vỏ bình ắc quy, trên các cầu nối giữa
các ngăn hoặc trên nhãn hiệu đính ở vỏ bình, chủ yếu là dung lượng định mức của ắc quy,
và cường độ dòng lớn nhất mà ắc quy có thể phóng mà dòng này phụ thuộc vào công suất của máy khởi động.
Ắc quy thường đặt trước đầu xe, gần máy khởi động sao cho chiều dài dây nối từ
máy khởi động đến ắc quy không quá 1m. Điều này đảm bảo rằng độ sụt áp trên dây dẫn
khi khởi động là nhỏ nhất. Nơi đặt ắc quy không được quá nóng để tránh hỏng ắc quy do nhiệt.
2.7. Các loại ắc quy khác
Ngoài ắc quy chì – axit còn có các loại ắc quy kiềm khác như: Ắc quy sắt –niken
(Fe – Ni), ắc quy cađimi – niken (Cd –Ni ) và ắc quy bạc – kẽm (Ag – Zn). Trong đó hai
loại đầu thông dụng hơn cả và đã được dùng để khởi động một số ôtô và máy kéo.
2.7.1. ắc quy sắt – niken
Về cấu tạo, ắc quy sắt – niken có thể chia thành hai loại: Loại thỏi và loại không
thỏi. Đối với ắc quy loại thỏi, mỗi ngăn gồm mười hai bản cực dương và mười ba bản cực
âm. Các bản cực cách điện với nhau bằng các que êbônit có đường kính 1,9 2,0mm. Các
bản cùng dấu cũng được hàn vào các vấu cực và tạo thành các phân khối bản cực dương
và các phân khối bản cực âm như ắc quy axit. Phần nhô cao của vấu cực là cực của mỗi ắc
quy đơn. Từng khối bản cực được đặt trong các bình sắt có chứa dung dịch điện phân gồm
dung dịch KOH với =1,20÷1,25g/cm3 và khoảng 18÷20gam LiOH cho 1 lít dung dịch.
Các bản cực được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat.
Bản cực ắc quy kiềm loại thỏi được chế tạo bằng cách ghép hàng loạt thỏi chất tác
dụng lại với nhau. Để đảm bảo độ cứng vững và tiếp xúc tốt, người ta kẹp chặt đầu thỏi
bằng cách dập chặt với tại bản cực. Mỗi thỏi chất tác dụng gồm một hộp nhỏ bằng thép lá
chứa chất tác dụng. Chất tác dụng ở bản cực âm là bột sắt đặc biệt thuần khiết, còn ở bản
cực dương là hỗn hợp 75% NiO.OH và 25% bột than hoạt tính.
Mỗi ngăn có nút và nắp riêng. Vì sức điện động của mỗi ắc quy đơn chỉ bằng 1,38V
nên muốn có bình ắc quy 12V, người ta phải ghép nối tiếp 9 ngăn ắc quy đơn lại với nhau,
tạo thành 3 tốp ắc quy. Như vậy trọng lượng của mỗi bình ắc quy kiềm nặng hơn bình ắc
quy axit khá nhiều, mặc dù cùng thế hiệu.
Loại ắc quy không phân thỏi được chế tạo theo kiểu ép bột kim loại có cấu trúc xốp
mịn. Chất tác dụng được ép vào trong các lỗ nhỏ trên bề mặt phân nhánh của các bản cực.
Kết cấu như vậy cho phép giảm trọng lượng của bình ắc quy xuống 1,4÷1,6 lần so với loại thỏi.
2.7.2. Ắc quy Cađimi – Niken
Loại ắc quy này chỉ khác loại ắc quy sắt – niken về thành phần hóa học của chất tác
dụng ở bản cực âm, còn cấu tạo và quá trình hóa học của ắc quy cađimi – niken tương tự
như ắc quy sắt – niken.
2.7.3. Ắc quy Bạc - Kẽm
Đây là loại ắc quy có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và trên một đơn
vị thể tích lớn hơn hai loại trên, nhưng vì bạc chiếm tới 30% trọng lượng chất tác dụng nên
việc sử dụng chúng trên ôtô hiện nay là không thực tế. Các cực của ắc quy này là kẽm và
oxit bạc, còn dung dịch điện phân, cũng giống như trong các ắc quy khác là KOH. Một
trong những ưu điểm quan trọng của ắc quy loại này là với kích thước không lớn lắm,
chúng có thể cho dòng lớn. Nhược điểm của nó là tuổi thọ ngắn. Bảng 2.2: Điện áp và
năng lượng riêng của một số loại ắc quy Loại ắc quy
Điện áp trên một ngăn
Năng lượng riêng
( V )
( Wh/ Kg ) Ắc quy chì – axit 2.0 30 Sắt – Niken / cađimi 1.22 45
Niken – kim loại – hydrat 1.2 50 – 80 Natri – lưu huỳnh 2.0 – 2.5 90 – 100 Natri – niken – clorua 2.58 90 – 100 Lithium 3.5 100 Pin nhiên liệu H 2 /O 2 ~30 500
2.7.4. Pin nhiên liệu (fuel cell)
Trong những năm gần đây xuất hiện một dạng pin mới – đó là pin nhiên liệu. Loại
pin này đã được nghiên cứu và đã ứng dụng trên một số ô tô điện hiện nay. Nguyên lý của
pin nhiên liệu dựa vào việc tách electron của nguyên tử hydrô để biến thành dòng điện bằng
các phương pháp khác nhau. (hình 2.11)
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu “Polymer electrolyte fuel cell”
1. Hydrogen; 2. Tải điện; 3. Không khí (oxygen); 4. Chất xúc tác; 5. Chất điện phân;
6. Tấm lưỡng cực; 7. Hơi nước và không khí dư.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Câu hỏi và bài tập
1. Trình bày quá trình điện hóa xảy ra trong ắc quy chì-acid khi nạp.
2. Trình bày đặc tính phóng và nạp của ắc quy chì-acid.
3. Trình bày các thông số chủ yếu của ắc quy chì-acid.
4. Phát biểu và giải thích định luật Peukert. Các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng ắc quy.
5. Về mặt lý thuyết năng lượng dự trữ trong một ắc quy 12V – 50 Ah có thể đề được
baonhiêu lần nếu máy khởi động có công suất 2KW và mỗi lần đề trong thời gian 10s.
6. Trình bày các phương pháp nạp điện cho ắc quy.
7. Liệt kê phương pháp nạp điện cho ắc quy. Trên ôtô ắc quy được nạp điện theo
phươngpháp nào? Nêu ưu và nhược điểm của phương pháp nạp đó.
8. Vì sao chỉ được châm thêm nước cất vào ắc quy mà không được châm nước thường?
9. Hiện nay dung dịch để châm nước bình bán ở các cơ sở sửa chữa xe gắn máy thườnglà
dung dịch acid loãng. Nêu tác hại và giải thích.
10.Hãy nêu các nguyên nhân làm mau cạn dung dịch trong ắc quy acid-chì.
11.Vì sao ắc quy mau hư hơn khi nồng độ dung dịch quá cao? Tại sao ta không được cho
ắc quy phóng hết điện?
12.Tại sao bản cực dương của ắc quy mau hư hơn bản cục âm?
13.Vì sao khi không sử dụng ắc quy trong một thời gian ắc quy sẽ tự hết điện?
14.Vì sao điện trở trong của ắc quy tăng khi nhiệt độ môi trường giảm?
15.Tại sao khi điện áp máy phát tăng cao thì ắc quy sẽ mau hư? Tuổi thọ của ắc quy phụ
thuộc vào nhiệt độ môi trường làm việc như thế nào?
16.Giải thích lý do tại sao người ta không dùng ắc quy chì-acid trên ô tô hiện nay cho xe điện và xe lai?
17.Một ắc quy bị chập (ngắn mạch) 01 ngăn sẽ gây ra các tác động như thế nào đối với các
hệ thống điện và điện tử trên ô tô?
18.Để xác định một ắc quy còn tốt phải dựa trên những thông số nào. Nêu cách kiểm tra từng thông số đó.