TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ẮC QUY CHÌ

Nội dung:

I-Phân loại Ắc quy

II-Cấu tạo của bình Ắc quy

III-Nguyên lý hoạt động của Ắc quy

IV-Các thông số quan trọng của Ắc quy

V- Kỹ thuật Nạp/xả đánh giá dung lượng Ắc quy

I-Phân loại Ắc quy

Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, nhà máy điện, hệ thống máy tính, viễn thông…Ắc quy được thiết kế trở thành một nguồn điện dự phòng nhằm mục đích đảm bảo nguồn điện không bị gián đoạn khi xảy ra các sự cố mất điện bất thường (AC/DC UPS). Nguồn năng lượng lưu trữ trong Ắc quy là một nguồn điện dự phòng rất quan trọng được sử dụng cho điều khiển, bảo vệ, dừng khẩn các thiết bị tổ máy, hệ thống chiếu sáng khẩn (light emergency) và hệ thống điều khiển trạm điện (EHV)… Ngoài ra, Ắc quy còn được sử dụng làm nguồn khởi động, đèn chiếu sáng trong các xe ô tô, xe máy, hay là nguồn năng lượng được chuyến hóa thành cơ năng trong các xe đạp điện, máy điện…

Trên thị trường ắc quy nói chung hiện tại có rất nhiều tên gọi Ắc quy khác nhau như: ắc quy nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm…Thực ra thì cách nói như trên là các cách gọi khác nhau của vài loại ắc quy cơ bản mà thôi, cách gọi như trên chính là cách gọi có thể bao hàm vào nhau mà nếu nghe qua bạn đừng hoang mang rằng tại sao có nhiều loại ắc quy như vậy. Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là:

– Ắc quy sử dụng điện môi bằng A-xít gọi tắt là ắc quy A-xít (hoặc ắc quy Axít-Chì) và cũng được chia làm 2 loại chính sau:

+ Ắc quy A-xít chì hở (Vented Lead-Acid Batteries)

+ Ắc quy A-xít chì kín (Valve-Regulated Lead- Acid)

Hai loại này đang bị gọi nhầm một cách thông dụng là: ắc quy nước và ắc quy khô (đúng ra thì ắc quy điện môi dạng keo mới gọi là ắc quy khô).

– Ắc quy sử dụng điện môi bằng kiềm gọi tắt là ắc quy kiềm (Nickel-Cadmium Batteries)

Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy kiềm có vẻ ít gặp vì giá thành cao hơn nhiều so với Ắc quy A-xít có cùng các thông số tương đương như: điện áp định mức (Nominal voltage), dung lượng Ah (Capacity)… nên đa số các ắc quy thông dụng mà bạn gặp trên thị trường hiện nay là loại ắc quy A-xít chì, còn ắc quy kiềm đa phần được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp như: Nhà máy điện, nhà máy thép, giàn khoang, trạm điện, trạm viễn thông…. Tuy nhiên, đối với loại Axít-chì thì theo kinh nghiệm thực tế cũng như các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành như IEEE 450-2010&IEC 60896-11(Axit-chì hở), IEEE 1188-2005&IEC 60896-22 (A-xít chì kín) cho thấy nó dễ bị gặp hiện tượng chết đột tử khi dung lượng bình suy giảm chỉ còn lại dưới 80%, dễ bị hư hỏng khi ngắn mạch và công tác bảo dưỡng ắc quy axit-chì khó khăn tốn kém hơn loại Ắc quy kiềm. Đối với các loại bình Ắc quy kiềm thì theo tiêu chuẩn IEEE1106-2005 & IEC 60623 & IEC 60993 (Ni-cd kiềm) cho thấy các công tác bảo dưỡng ắc quy kiềm dễ dàng, độ tin cậy cao. Ngoài ra, ắc quy kiềm có thể xả rất sau, ngắn mạch mà không sợ bị chết đột tử và dung lượng bình dù bị suy giảm theo thời gian cho đến khi không đạt yêu cầu của nguồn điện dự phòng theo thiết kế chứ hiếm khi xảy ra hiện tượng hư hỏng bất thường.

II-Cấu tạo của bình Ắc quy

Trước khi nói về phần nguyên lý, để có một cái nhìn tổng quan nhất tôi xin trình bày về cấu tạo của bình Ắc quy, sau khi hiểu về cấu tạo của bình Ắc quy bạn sẽ dễ dàng hình dung hơn về các phản ứng hóa học diễn ra bên trong nó, cấu tạo được mô tả như sau: Hình 1: Cấu tạo các bản cực của Ắc quy

– Đối với loại Ắc quy axit chì: Bao gồm 2 bản cực, trong đó bản cực dương (+) được làm bằng oxit Chì (PbO2) và bản cực ẩm (-) được làm bằng Chì (Pb). Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì Nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích.

– Đối với loại Ắc quy Ni-Cd kiềm: Bản cực dương (+) được làm bằng Niken hydro xít Ni(OH)₂ và cực âm được làm bằng Catmi hydro xít Cd(OH)₂. Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch kali kiềm (KOH).

Trên thực tế, các cực của ắc quy có số lượng nhiều (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn (cells). Nhiều tấm cực mắc song song nhau để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn – và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên; Còn khi nhiều tấm cực mắc nối tiếp nhau sẽ tạo ra mức điện áp định mức của bình lớn hơn. Ví dụ: Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chì cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2 V, dung lượng 200Ah do đó để 1 bình Ắc quy đạt được các mức 6V, 200Ah thì Ắc quy được ghép nối tiếp 3 ngăn cực với nhau để thành bình ắc quy 6V, 200Ah hoặc muốn bình Ắc quy đạt mức 2V, 600Ah thì cần ghép 3 ngăn cực song song nhau.

Một bình Ắc quy hở khí thông thường sẽ bao gồm các thành phần sau: Nút thông hơi để thoát các khí bên trong bình ra ngoài, cọc bình để nối với tải ngoài hoặc nối ghép các bình với nhau, thanh nối để nối các bản cực dương/âm lại, bản cực gồm các bản cực dương và bản cực âm, dung dịch điện phân và tấm chắn nằm giữa các bản cực (Hình 2: Cấu tạo bình Ắc quy). Nếu là Ắc quy Axit-chì kín khí thì cấu tạo cũng giống với ắc quy hở nhưng sẽ không có nút thông hơi.

Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi). Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực. Hình 2: Cấu tạo bình Ắc quy

III-Nguyên lý hoạt động của Ắc quy

Khi đã hiểu về nguyên lý hoạt động của Ắc quy thì bạn dễ dàng phân biệt được chúng và các đặc tính riêng của từng loại ắc quy.

1. Nguyên lý hoạt động của Ắc quy loại Axit chì

Hình 3: Phản ứng hóa học xả/nạp Ắc quy Axit-chì

– Quá trình phóng/xả điện: diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, phản ứng hóa học xảy ra như sau:

Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2

Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2

Phản ứng toàn bình: Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4.

– Quá trình sạc/nạp điện: do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong toàn bình sẽ là:

2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2H2SO4.

Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm: PbO2, cực âm là Pb.

2. Nguyên lý hoạt động của loại Ắc quy kiềm (Ni-Cd kiềm)

– Quá trình phóng điện: Tương tự như Axit chì, quá trình phóng Ắc quy kiềm diễn ra khi có một thiết bị tiêu thụ điện nối vào cực dương và cực âm của Ắc quy. Phản ứng hóa học xảy ra theo hướng ở cực dương Niken hydro xit hóa trị 3 (Trivalent nickel hydroxide) sẽ bị giảm xuống Niken hydro xit hóa trị đến mức 2 (divalent nickel hydroxide), và ở cực âm thì Catmi (Cadmium) hình thành nên Catmi hydro xit (Cadmium hydroxide)

– Quá trình nạp điện: Xảy ra theo hướng ngược lại quá trình phóng cho đến khi điện áp bình tăng đến mức mà hydro bốc ra ở cực âm và oxy bốc ra ở cực dương, điều này là nguyên nhân gây ra tổn hao nước.

– Dung dịch điện phân (electrolyte) chỉ được dùng để truyền dẫn các Ion và không bị thay đổi hay lão hóa tính chất hóa học trong suốt quá trình nạp/xả.

– Không giống như Ắc quy Axit-chì, có rất ít sự thay đổi về tỷ trọng của dung dịch điện phân trong suốt quá trình nạp/xả. Điều này cho phép ta có thể lưu trữ một lượng dung dịch lớn trong bình Ắc quy mà không có vấn đề bất tiện gì về các phản ứng điện hóa học. Hơn nữa, vì tính chất điện hóa này mà Ắc quy kiềm có tính ổn định hơn Ắc quy Axit chì, chu kỳ sống dài hơn. Thông thường mỗi ngăn cực (cell) của Ắc quy kiềm có điện áp định mức (nominal voltage) là 1.2V.

IV-Các thông số quan trọng của Ắc quy

Dưới đây là các thông số kỹ thuật đặc trưng của một bình ắc quy. Khi bạn cần mua hoặc thay thế một bình Ắc quy tương đương thì cần thiết phải hiểu và xem xét tới các thông số kỹ thuật này. Tất nhiên tùy vào từng ứng dụng mà ta chọn bình ắc quy có các thông số phù hợp với đặc tính kỹ thuật trong ứng dụng đó. Ví dụ, để lựa chọn ắc quy xe máy thì ta quan tâm tới 3 thông số là dung lượng C, điện áp định mức V và dòng khởi động CA.

1. Thông số dung lượng của Ắc quy (C)

Dung lượng là thông số cơ bản và quan trọng nhất của ắc quy, thông số này đặc trưng cho khả năng lưu trữ điện năng của ắc quy. Đơn vị tính của thông số này được tính thông dụng theo Ah (Ampe giờ), một số ắc quy nhỏ hơn và thường là các pin thì tính theo mức mAh (mili-ampe giờ).
Một cách đơn giản để dễ hình dung về tham số dung lượng ắc quy như sau: Ah là tham số bằng số dòng điện phát ra (tính bằng Ampe) trong khoảng thời gian nào đó (tính bằng giờ). Ví dụ như ắc quy 10 Ah thì có thể phát một dòng điện 10A trong vòng một giờ, hoặc 5A trong 2 giờ, … hay 1A trong 10h.

C=I*t (Ah)

Trong ứng dụng thực tế, có nhiều phương pháp để đánh giá được tình trạng của ắc quy như đo nội trở ắc quy, kiểm tra điện áp cọc bình, kiểm tra tỷ trọng dung dịch…Nhưng tiêu chí đánh giá chính xác nhất tình trạng của ắc quy vẫn là kiểm tra % dung lượng tối đa của bình so với dung lượng định mức thiết kế của nó, hay có thể hiểu là khả năng lưu điện thực tế của bình đó sau 1 thời gian sử dụng.

*Ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng đến dung lượng thực tế của Ắc quy

Một điều cực kỳ quan trọng đó là thực tế thì dung lượng ắc quy lại bị thay đổi tuỳ theo cường độ dòng điện phóng ra. Nếu dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng thực của ắc quy tương ứng với dòng điện phóng đó càng nhỏ và ngược lại dòng điện phóng càng nhỏ thì dung lượng được bảo toàn ở mức cao.

Dung lượng của ắc quy tương ứng với thời gian phóng t được ký hiệu là Ct.

Ví dụ, một Ắc quy xe máy Habaco YT6AH có dung lượng ký hiệu là C10=6Ah tức là dung lượng Ắc quy là 6Ah tương ứng với thời gian phóng là 10h và dòng điện phóng là 0.1C10=0.6A (chú ý:C10 Ah=0.1C10 A*10 h);

Hoặc C20=6Ah tức là dung lượng Ắc quy là 6Ah tương ứng với thời gian phóng là 20h và dòng điện phóng là 0.05C20=3A (C20 Ah=0.05C20 A*20 h). Như vậy, đến đây bạn có thể hình dung được rằng cùng một loại Ắc quy xe máy Habaco YT6AH nhưng với dòng điện phóng nhỏ thì dung lượng thực tế của nó lớn hơn khi ta phóng với dòng điện lớn.

Vậy thì phóng dòng điện càng lớn thì dung lượng của ắc quy càng giảm đi.

Khi bạn muốn thay thế một bình Ắc quy thì cần đặc biệt chú ý đến thông số dung lượng bình được công bố của nhà sản xuất. Giả sử bình cũ của bạn có C10=6Ah, nhưng khi bạn thay mới loại chọn loại bình có C20=6Ah như vậy là không hợp lý vì bình mới này thực tế thì dung lượng ứng với C10 sẽ thấp hơn 6Ah.
Có điều gì vô lý ở đây chăng? Năng lượng tích trữ trong ắc quy bị mất đi – và điều đó vi phạm định luật bảo toàn năng lượng? Chắc chắn là không phải, năng lượng không tiêu hao đi mất, nó sẽ vẫn nằm trong ắc quy nhưng không thể phóng được ra mà thôi.
Ta thấy rằng khi ắc quy trong trạng thái còn có thể phóng điện thì cực dương là PbO2 còn cực âm là Pb quá trình phóng điện sẽ làm cho cả hai đều biến thành PbSO4. Nếu quá trình phóng điện diễn ra một cách từ từ thì các cực được lần lượt chuyển thành PbSO4 mà chúng không bị đè lên nhau (tức là lớp PbSO4 đè lên lớp PbO2 ở cực dương hoặc Pb ở cực âm), do đó dung lượng ắc quy không bị mất đi.

Nếu phóng điện với dòng điện lớn thì phản ứng xảy ra mạnh, PbSO4 sinh ra nhiều và bám vào các cực đè lên các lớp PbO2 hoặc Pb khiến cho sau một thời gian ngắn thì chúng không còn phản ứng được nữa (do đã bị nằm phía trong của bản cực), điều đó dẫn đến dung lượng bình thực tế bị giảm đi.

Hình 5: Đại diện ngăn cực của Ắc quy Axit-chì

2. Điện áp của ắc quy
Có 4 thông số điện áp rất quan trọng mà ta bắt buộc phải hiểu khi nói về Ắc quy, mỗi thông số mang một ý nghĩa riêng và đặc trưng cho loại Ắc quy đó.

– Điện áp định mức (Nominal Voltage): Đây là giá trị điện áp được công bố bởi nhà sản xuất, tùy vào số lượng và cấu tạo của các ngăn cực của bình Ắc quy sẽ cho một giá trị điện áp định mức. Nó cũng là giá trị điện áp đặc trưng cho loại Ắc quy đó, Ví dụ: khi ta nói Ắc quy loại 1.2V, 2V, 4 V,6V,12V… tức là ta đang nói giá trị điện áp định mức (Nominal voltage) của Ắc quy đó.

– Điện áp thả nổi (Float voltage): Điện áp này được đo lường khi dòng điện chảy qua bình bằng 0A (zero current). Thông thường điện áp thả nổi của HT Ắc quy được đo khi Ắc quy đã được nạp đầy (full charge) và bộ sạc đang cấp nguồn cho cả HT Ắc quy đấu song song với tải DC; Hoặc Ắc quy đang được để hở mạch (Open-circuit voltage).

– Điện áp nạp (charge voltage): là điện áp của Ắc quy đo được trong quá trình đang nạp.

– Điện áp xả (Discharge voltage): là điện áp của Ắc quy đo được trong quá trình xả.

Các giá trị điện áp của Ắc quy

*Dung lượng Ắc quy theo mức độ điện áp

Cũng để đánh giá dung lượng của ắc quy (Cả Axit và kiềm), người ta có các thí nghiệm đo đạc và cho thấy dung lượng ắc quy phụ thuộc vào mức độ điện áp (lúc không phát dòng) như hình sau. Ví dụ kết quả đo đạc điện áp theo dung lượng của Ắc quy Axit-chì loại 12V được biểu diễn như sau:

Dung lượng Ắc quy theo điện áp

Nếu biểu diễn ở dạng bảng thì thông số như bảng dưới đây.

Lưu ý rằng bảng trên đúng trong trường hợp ắc quy không mang tải, điều đó có nghĩa là nếu như kích điện đang hoạt động và bạn đo được điện áp các ắc quy là một số lượng nào đó thì không thể lấy giá trị đó để đánh giá lưu lượng bình ắc quy còn lại (là bao nhiêu %). Điều này bởi vì khi phát dòng thì các ắc quy có điện áp tụt xuống, trong trường hợp không phát dòng nữa thì mức điện áp đo được mới phản ánh đúng trạng thái dung lượng còn lại của ắc quy. Khi đang phát dòng thì điện áp ắc quy giảm xuống.

Thực tế, người ta cũng sẽ đo điện áp của Ắc quy trong quá trình xả hoặc nạp cho Ắc quy để kiểm soát mức dung lượng của Ắc quy.

Đối với loại Ắc quy Axit-chì, theo bảng trên thì dung lượng ắc quy sẽ cạn kiệt ở mức điện áp 10.5V, một số kích điện loại “điện tử” (tức là theo dõi được mức độ điện áp đầu vào) sẽ lấy mốc 10,7V để ngừng hoạt động nhằm tránh cho sự sử dụng ắc quy cạn kệt (gây hại cho ắc quy). Điều đó là hợp lý bởi nếu như sử dụng điện từ ắc quy ở trạng thái cạn kiệt thì các bản cực của ắc quy sẽ nhanh bị hư hỏng, dẫn đến hư hỏng chung cho toàn bộ ắc quy (trong một ắc quy 12V, chỉ một trong 6 ngăn hư hỏng thì toàn bộ ắc quy đó sẽ hư hỏng). Tuy nhiên, đối với loại Ắc quy kiềm thì ta có thể xả sâu hơn và mức điện áp Ắc quy cạn kiệt có thể xuống rất thấp mà không sợ Ắc quy bị hư hỏng.

3. Điện trở nội của Ắc quy

Điện trở nội của Ắc quy (Ri) là một thông số quan trọng ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất và dung lượng định mức của Ắc quy. Điện trở nội của Ắc quy là tổng của nhiều điện trở của các thành phần cấu tạo bên trong bình bao gồm: điện trở của dung dịch điện phân; điện trở giữa dung dịch và thanh nối; điện trở tiếp xúc giữa các thanh nối. Sẽ có hiện tượng rơi áp (voltage drop) trên điện trở nội này khi có dòng điện chạy qua bình. Khi Ắc quy hở mạch (Open-circuit) thì sẽ không có dòng điện chạy qua nên điện áp đo được trên 2 cực bình sẽ bằng với sức điện động của nó/ điện áp hở mạch (E₀). Tuy nhiên, nếu ta đấu tải vào 2 cực thì sẽ có dòng điện chạy vào bên trong bình Ắc quy thông qua 2 cực và chạy qua tải, khi đó sẽ có một điện áp rơi trên nội trở của Ắc quy (R) và điện áp thực tế đo trên 2 cực của Ắc quy cũng chính là điện áp trên tải sẽ có giá trị như sau:

E = IR = E₀ –I.R_i (V)

Với: I dòng điện trong mạch

R: điện trở tải

R_i: điện trở nội của Ắc quy

E₀: sức điện động của Ắc quy/ điện áp hở mạch

E: điện áp bình vận hành (operating voltage).

Điện trở nội này sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng của Ắc quy khi nó hoạt động ở dạng nhiệt lượng (Q= R.I²) gây tăng nhiệt độ bình ắc quy, do đó lâu ngày điện trở nội của Ắc quy tăng lên sẽ làm giảm đi dung lượng định mức của Ắc quy. Vì vậy, kết quả kiểm tra giá trị điện trở nội cũng là một yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng của bình Ắc quy.

Trong hệ thống AC/DC UPS, ta đo điện áp thả nổi (float charged voltage) trên từng bình của một giàn bình Ắc quy mắc nối tiếp sẽ cho ra các kết quả có sự chênh lệch nhau mặc dù các bình này cùng loại và lắp đặt cùng một thời điểm. Lý do là bởi vì điện trở nội của từng bình sẽ không thể hoàn toàn giống nhau và về lý tưởng thì Ắc quy đang hoạt động ở chế độ thả nổi sẽ có dòng điện bằng 0 (Zero voltage) nhưng thực tế vẫn có 1 dòng điện rất nhỏ chạy qua các bình Ắc quy nối tiếp đó là làm rơi áp trên các điện trở nội.

4. Các thông số khác của Ắc quy

4.1 Dòng khởi động nguội CCA (Cold Cranking Amps)
Dòng khởi động nguội CCA (Cold Cranking Amps) là dòng điện có thể phát ra được trong trạng thái nhiệt độ 0 độ F (tức bẳng – 17,7 độ C) trong vòng 30 giây.

Tham số này thường chỉ được quan tâm tại các nước có nhiệt độ thấp (dưới 0 độ C), khi đó việc khởi động của động cơ gặp khó khăn vì độ nhớt dầu không đảm bảo và việc các phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện nhiệt độ thấp thường khó khăn hơn so với khi ở nhiệt độ cao.

4.2 Dòng khởi động nóng HCA (Hot Cranking Amps)

Tương tự như dòng khởi động nguội, nhưng nó được tính tại nhiệt độ 80 độ F (tức khoảng 26,7 độ C). Tham số này thường ít quan trọng hơn so với thông số khởi động nguội (và thông số này cũng ít khi được ghi vào nhãn của các ắc quy).

4.3 Dung lượng RC (Reserve Capacity)

Là tham số thể hiện thời gian phóng điện với dòng 25A ở nhiệt độ 25 độ C cho đến khi điện áp ắc quy hạ xuống dưới mức sử dụng được. Thông số này khá trực quan, thể hiện sự hoạt động liên tục của ắc quy ở chế độ bình thường với nhu cầu sử dụng thông thường (đa phần người dùng kích điện thường phát dòng ở mức này).

V. Kỹ thuật Nạp/xả Ắc quy
Công tác nạp xả ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ, hiệu suất của Ắc quy. Do đó, một điều bắt buộc đối với một nhân viên chuyên bảo dưỡng Ắc quy hoặc người sử dụng cần phải hiểu rõ kiến thức cơ sở cũng như kỹ thuật trong công tác nạp xả Ắc quy.

1. Kỹ thuật nạp Ắc quy

Mạch tương đương của Ắc quy khi nạp

Quá trình nạp Ắc quy diễn ra khi ta đặt một điện thế nạp (Un) lên 2 đầu cọc của bình Ắc quy với điện thế nạp (Un) lớn hơn suất điện động của Ắc quy (E) tại thời điểm nạp.

Dòng điện nạp In sẽ đi vào cực dương (+) và chảy ra cực (-) của Ắc quy. Vì Ắc quy luôn có một điện trở nội (r), nên sẽ có một điện thế rơi trên điện trở nội này với giá trị là r.In (Vdc).

Phương trình điện thế quá trình nạp như sau:

E = Un – r.In

Quá trình nạp thì suất điện động của Ắc quy (E) sẽ tăng dần cho đến khi nó đạt tới suất điện động của Ắc quy khi đã đầy (E_đ). Thực tế khi nạp thì Un sẽ tăng theo suất điện động của Ắc quy (E), người ta sẽ kiểm soát điện áp nạp Un bằng cách đo hiệu điện thế trên 2 đầu cọc bình Ắc quy.

Ví dụ: Ta nạp cho bình ắc quy 2V, khi bình đầy thì suất điện động của bình này tầm E_đ=2.7V và Un = E_đ + In.r >2.7V, do đó khi ta thấy Un khoảng 2.9V nghĩa là bình Ắc quy 2V này đã được nạp rất gần đầy, thực tế người ta sẽ tiếp tục giữ điện áp Un=2.9V để nạp hấp thụ trong khoảng vài giờ cho đến khi dòng nạp In gần bằng 0 (vài chục mA), Un~E_đ thì sẽ hoàn thành việc nạp.

* Các phương pháp nạp Ắc quy

a. Nạp với dòng điện không đổi.

Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp với mỗi loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được nạp no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các ắc quy mới hoặc nạp sửa chữa cho các ắc quy bị sunfat hoá.

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng cỡ dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc.

Ví dụ: Trong trường hợp nạp hai nấc cho một Ắc quy có dung lượng C20=9Ah, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng 0,2C20=4.5A sau khoảng 5 giờ, ta chuyển qua dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05 C20=4.5A.

b. Nạp với điện áp không đổi.

Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng ( 2,3 ÷2,5 )V cho một ngăn ắc quy Axit-chì & (1.7÷1.9)V cho một ngăn ắc quy Ni-Cd kiềm.

Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy không được nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng.

Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy người ta dùng vôn kế phụ tải hoặc đánh giá gián tiếp thông qua nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy. Quan hệ tỷ trọng của Ắc quy và trạng thái điện của ắc quy được biểu diễn trên đồ thị sau:

Quan hệ điện áp nạp với tỷ trọng ắc quy

c. Phương pháp nạp kết hợp dòng áp.

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp.

Đối với ắc quy axit: Để đảm bảo cho thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn=8 giờ tương ứng với ( 75 ÷ 80 )% dung lượng ắc quy ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C10 .Vì theo đặc tính nạp của ắc quy trong đoạn nạp chính với dòng điện nạp không đổi thì suất điện động ắc quy tăng dần do đó điện áp nạp Un cũng sẽ tăng lên, sau thời gian khoảng 8 giờ điện áp nạp ắc quy sẽ đạt đến gần bằng điện áp ngưỡng Un_đầy. Sau đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp thêm 2-3 giờ, tức là giữ cho điện áp nạp của Ắc quy không đổi tại Un=Un_đầy và dòng điện nạp sẽ giảm dần theo thời gian về đến gần bằng 0A (vài chục mA) thì xem như hoàn thành quá trình nạp.

Đối với ắc quy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ắc quy axit nhưng do khả năng quá tải của ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2 C5.

Kết luận:

Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo suất phản điện động cho nên khi ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc quy sẽ tự động dâng lên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp trong ắc quy.

Khi dung lượng của ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp cho ắc quy sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc quy đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp.

2. Kỹ thuật xả Ắc quy

Sơ đồ tương đương của Ắc quy khi xả

Quá trình xả Ắc quy diễn ra khi ta đặt một tải R lên 2 đầu cọc của bình Ắc quy.

Dòng điện xả Ix sẽ đi ra cực dương (+) và đi vào cực (-) của Ắc quy. Vì Ắc quy luôn có một điện trở nội (r), nên sẽ có một điện thế rơi trên điện trở nội này với giá trị là r.Ix (Vdc).

Điện áp đo trên 2 cọc bình ắc quy chính là điện áp xả (Ux).

Phương trình điện thế quá trình xả như sau:

E = Ux + r.Ix

Quá trình xả thì suất điện động của ắc quy (E) sẽ giảm dần cho đến khi nó đạt tới suất điện động của Ắc quy đã xả hết (E_h). Thực tế khi xả thì Ux sẽ giảm theo suất điện động của Ắc quy (E), người ta sẽ kiểm soát điện áp xả Ux bằng cách đo hiệu điện thế trên 2 đầu cọc bình Ắc quy.

*Đánh giá dung lượng của Ắc quy

Để đánh giá được dung lượng thực tế của Ắc quy sau một thời gian sử dụng. Người ta sẽ thực hiện xả bỏ toàn bộ dung lượng của bình đó, sau đó sẽ nạp đầy trở lại và cuối cùng sẽ thực hiện xả để đánh giá dung lượng của nó.

C = Ix.tx

Với: Ix là dòng điện xả không đổi,

tx là thời gian xả từ khi bình nạp đầy đến khi bình được xả toàn bộ dung lượng.

Vì theo đặc tính của Ắc quy thì cường độ dòng điện xả sẽ ảnh hưởng đến dung lượng thực tế của Ắc quy. Do đó, để đánh giá dung lượng thì ta phải chọn dòng điện xả tương ứng với một dung lượng định mức nào đó của Ắc quy. Sau đó sẽ tính phần trăm dung lượng thực tế của bình Ắc quy bằng cách lấy dung lượng thực tế đo được chia cho dung lượng dung lượng định mức đã chọn hoặc lấy thời gian xả thực tế chia cho thời gian xả định mức. Ngoài ra, vì dung lượng định mức của Ắc quy được đo đạc tại nhiệt độ chuẩn là 25⁰C, do đó giá trị dung lượng thực tế đo được sẽ được quy đổi về giá trị tại 25⁰C bằng cách chia cho hệ số bù nhiệt Kt. Giá trị phần trăm này mới thực sự có giá trị để đánh giá dung lượng của bình.

%C = (Ix.tx)/(Kt.C_tx).100%

Hoặc: %C = tx/(Kt.t_đm).100%

Ví dụ: Với một bình Ắc quy có C10 = 6Ah, ta sẽ chọn một trong số các giá trị dung lượng định mức đó để thực hiện đánh giá phần trăm dung lượng thực tế của Ắc quy, giả sử tôi chọn dung lượng bình định mức của Ắc quy để đánh giá là C10=6Ah. Để đánh giá phần trăm dung lượng của bình thì dòng điện xả có giá trị Ix=0.1C10=0.6A (ta có 0.1C10*10h=C10), sau đó thực hiện xả với dòng Ix=0.6A không đổi và đo thời gian xả thực tế của bình từ lúc đầy đến khi xả hết là tx=8.5h, hệ số bù nhiệt Kt=1. Như vậy % dung lượng thực tế của bình Ắc quy này được tính như sau:

%C= (0.6A*8.5h)/206Ah/1=85%

Hoặc: %C=(8.5h/10h/1)*100%=85%.

Như vậy ta sẽ kết luận phần trăm dung lượng của bình Ắc quy này so với định mức là 85%.

Việc đánh giá dung lượng cho một giàn Ắc quy gồm nhiều bình nối tiếp nhau cũng được thực hiện tương tự như trên. Tuy nhiên để đánh giá được dung lượng của từng bình trong giàn đó thì ta phải đo điện áp của từng bình Ắc quy sau 1 khoảng thời gian xả nhất định để có thể kiểm soát được dung lượng của từng bình đó.

Phương pháp đánh giá dung lượng nêu trên là phương pháp chuẩn xác nhất theo đúng tiêu chuẩn IEEE 1106-2005. Tuy nhiên, để thực hiện theo đúng tiêu chuẩn thì cần phải có 1 bộ tải giả có thể tự động điều chỉnh giá trị điện trở để giữ cho dòng điện Ắc quy xả qua nó luôn không đổi trong suốt quá trình xả.

Trên thực tế vì bộ tải giả với dòng không đổi (Constant current Load Bank) có chi phí khá cao nên người ta sẽ thực hiện xả qua một bộ điện trở hoặc bộ đèn DC và thực hiện điều chỉnh giá trị điện trở này bằng cách đấu thêm hoặc giảm bớt các điện trở để giữ cho dòng điện không đổi trong suốt quá trình xả. Nhưng chắc chắn một điều là giá trị dòng không thể được tinh chỉnh như là bộ điều chỉnh tự động, do đó người ta sẽ tính dung lượng Ắc quy bằng cách đo dòng điện xả sau 1 khoảng thời gian nhất định rồi tính tổng các giá trị dung lượng tại các thời điểm đo.

Giả sử sau 1 giờ ta đo dòng điện xả 1 lần thì dung lượng của Ắc quy được tính như sau:

Lời kết:

Các kiến thức kỹ thuật ắc quy đã trình bày ở trên có thể xem như là cơ sở nền tản quan trọng nhất về nguyên lý hoạt động và cách nap/xả sử dụng Ắc quy đúng cách. Một khi bạn sử dụng đúng cách thì chắc chắn một điều là bình Ắc quy sẽ được nạp đầy và tuổi thọ của ắc quy được đảm bảo theo đúng thiết kế của nhà sản xuất.

Đăng nhập