Trang bị điện và điện tử trên ô tô Nguyễn Hoàng Việt BKĐN

Yêu cầu: Các ắc quy dùng trên ô tô máy kéo có nhiệm vụ quan trọng là cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ, với dòng tiêu thụ rất lớn từ 400...600A, thậm chí có trư

Trang 1

1 sơ lược về hệ thống trang bị điện trên ô tô

Công nghiệp ô tô máy kéo càng phát triển, kết cấu ô tô máy kéo càng hoàn thiện, thì mức độ điện khí hoá, điện tử hoá của chúng càng cao Yêu cầu về mặt tiện nghi, về tính an toàn chuyển động càng lớn thì hệ thống trang thiết bị điện của

ô tô máy kéo càng phức tạp và hiện đại

Nếu như trên những ô tô máy kéo đầu tiên, các trang thiết bị điện hầu như không có gì ngoài bộ phận để châm lửa hỗn hợp cháy rất thô sơ bằng dây đốt, thì ngày nay trên ô tô máy kéo, điện năng đã được sử dụng để thực hiện rất nhiều chức năng khác nhau, như: châm lửa hỗn hợp làm việc trong xi lanh; khởi động

động cơ; chiếu sáng và báo hiệu cũng như để đảm bảo sự làm việc của các dụng cụ

đo, kiểm tra và các trang thiết bị phụ khác trên xe

Tương ứng với các chức năng đó, trên ô tô máy kéo hiện nay có trang bị các hệ thống như sơ đồ sau: sơ đồ sau:

đánh lửa sớm, bugi và các dây cao áp Ngoài ra hệ thống đánh lửa bán dẫn còn có thêm hộp đảo mạch bán dẫn

- Hệ thống khởi động: gồm máy khởi

động điện, cơ cấu điều khiển, rơ le, công tắc và các cơ cấu hỗ trợ khởi

động khác

- Hệ thống kiểm tra theo dõi: gồm các đồng hồ báo: áp suất dầu, nhiệt độ nước, mức nhiên liệu, tốc độ, ; Các

bộ cảm biến để chuyển đổi các tín hiệu phi điện thành điện truyền đến các đồng hồ, các đèn và các cảm biến báo nguy hiểm (khi áp suất dầu tụt quá giới hạn cho phép, nhiệt độ nước làm mát quá cao, )

Trang bị điện và điện tử trên ôtô Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt 1

Trang 2

đáng kể về công suất và dòng tiêu thụ là hệ thống đánh lửa (khi động cơ làm việc bình thường, để châm lửa hỗn hợp cháy tia lửa điện chỉ cần có một năng lượng khoảng 0,003J là đủ)

Khâu trung gian nối giữa các bộ phận tiêu thụ và nguồn điện là mạng lưới

điện, bao gồm: các dây dẫn, công tắc, các bộ chuyển mạch, các cơ cấu bảo hiểm

và phân phối khác nhau

Mạng điện trên ô tô máy kéo nói chung được thực hiện theo sơ đồ một

đường dẫn, tức là: chỉ có một đường dẫn nối từ một cực của nguồn đến tất cả các

bộ phận tiêu thụ Cực thứ hai của nguồn và của các bộ phận tiêu thụ điện được nối với khối lượng kim loại chính của xe, thường là khung hoặc vỏ (còn gọi là ‘‘mát’’)

- tức là khung vỏ xe được dùng làm đường dẫn thứ hai (hình 1.1)

M

mạng điện ô tô máy kéo

Hệ thống một đường dẫn có ưu điểm là: cho phép tiết kiệm dây dẫn, giảm

được tiêu tốn đồng và do đó giảm được trọng lượng và giá thành của hệ thống dẫn

điện, giảm được số lượng các chi tiết và thời gian nối ghép chúng Tuy vậy, nó có

nhược điểm là: làm tăng khả năng chập mạch giữa các dây dẫn và ‘‘mát’’ của xe

Về mặt cực tính, ‘‘mát’’ có thể được nối với cực âm hoặc cực dương của nguồn ưu nhược điểm của hai cách nối hiện đang còn là vấn đề tranh cãi Vì thế cách chọn cực tính của ‘‘mát’’ chủ yếu phụ thuộc vào truyền thống kỹ thuật của nhà chế tạo và tính thống nhất hoá của các sản phẩm Đa số các xe thường gặp hiện nay thì ‘‘mát’’ có cực tính âm, tức là được nói với cực âm của nguồn

Trang thiết bị điện trên ôtô máy kéo hiện nay trung bình chiếm khoảng 15 25% giá thành ô tô máy kéo và cũng khoảng 20 25% số lượng các hư hỏng chung của xe máy xảy ra trong quá trình vận hành Vì thế, bên cạnh các biện pháp nâng cao chất lượng chế tạo hoặc áp dụng kỹ thuật và công nghệ mới, việc nghiên cứu, tìm hiểu các trang thiết bị điện, nắm vững nguyên lý làm việc, nguyên tắc vận hành bảo dưỡng và sửa chữa chúng là điều cần thiết để nâng cao độ tin cậy và hiệu quả làm việc của ô tô máy kéo

Trang 3

Chú ý:

- Trên các ô tô máy kéo hiện đại hiện nay, do sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điện tử, do yêu cầu ngày càng cao về an toàn chuyển động, về giảm nhẹ điều khiển, giảm mức độ ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu và tăng tiện nghi, nên mức độ tự động hoá và điện tử hoá trên ô tô rất cao

- Để phục vụ vấn đề điều khiển tự động, giảm nhẹ điều khiển, tăng an toàn chuyển động và tiện nghi, các trang thiết bị điện, điện tử không còn được sử dụng giới hạn ở một số hệ thống như trên các ô tô máy kéo cổ điển mà đã thâm nhập, lan rộng sang nhiều hệ thống khác như: hệ thống truyền lực, hệ thống phanh, hệ thống treo, hệ thống lái,

- Để hạn chế mức độ gây ô nhiễm môi trường do khí thải và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, các trang thiết bị điện và điện tử đã được sử dụng để điều khiển tự

động, tối ưu chế độ làm việc của động cơ theo những thay đổi của các yếu tố liên quan

- Cùng với sự phát triển và mức độ hoàn thiện của mình, các trang thiết bị

điện và điện tử trên ô tô cũng không còn tồn tại dưới dạng các bộ phận, các cụm tương đối độc lập về chức năng như trước mà đã được kết hợp lại dưới dạng các vi mạch tích hợp, được xử lý và điều khiển thống nhất bởi một bộ xử lý trung tâm hay máy tính làm việc theo các chương trình đã được xây dựng sẵn

- Mặc dù được điện tử hoá nhiều hơn hay được tích hợp lại về mặt kết cấu, nhưng nguyên lý làm việc của từng hệ thống chức năng của các trang thiết bị điện

điện tử ô tô máy kéo nói chung vẫn không thay đổi Vì vậy, do giới hạn về khối lượng và thời gian nên trong giáo trình này chỉ nghiên cứu hệ thống trang thiết bị

điện và điện tử trên ô tô dưới dạng các hệ thống tương đối độc lập về chức năng như trên các ô tô cổ điển Các hệ thống tích hợp, các chức năng hiện đại như hệ thống điều khiển tự động động cơ, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hệ thống tự động điều khiển ly hợp hộp số, điều chỉnh độ cứng hệ thống treo, hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, sẽ được nghiên cứu chi tiết trong các giáo trình riêng

Cách tiếp cận như vậy giúp cho người học không chỉ nắm được các kiến thức cốt lõi, hiểu được nguyên lý làm việc của các hệ thống trang thiết bị điện cơ bản của ô tô để dễ dàng phân tích và nắm bắt bất kỳ một hệ thống hiện đại phức tạp nào mà còn thấy được lịch sử phát triển cũng như quá trình hoàn thiện và hiện

đại hoá của các trang thiết bị điện điện tử trên ô tô

Trang 4

2 Hệ thống cung cấp

Hệ thống cung cấp điện trên ô tô có sơ đồ như trên hình 2.1: sơ đồ a dùng với máy phát điện một chiều, sơ đồ b- dùng với máy phát xoay chiều có chỉnh lưu bán dẫn

1- Máy phát; 2- Bộ điều chỉnh điện; 3- Khoá điện; 4- Đồng hồ

am pe; 5- Phụ tải

Trang 5

Hai sơ đồ tuy có cách nối dây khác nhau nh−ng đều bao gồm hai nguồn năng l−ợng là ắc quy và máy phát mắc song song Tuỳ thuộc vào giá trị phụ tải và chế độ làm việc của ô tô máy kéo, mà ắc quy, máy phát sẽ riêng biệt hoặc đồng thời cả hai cung cấp năng l−ợng cho các bộ phận tiêu thụ (phụ tải)

Ngoài ra, trong hệ thống cung cấp còn có:

- Bộ điều chỉnh điện (BĐCĐ) làm nhiệm vụ: phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy và máy phát; hạn chế và ổn định thế hiệu của máy phát để đảm bảo an toàn cho các trang thiết bị điện trên xe; hạn chế dòng điện của máy phát để đảm bảo an toàn cho các cuộn dây của nó

- Dụng cụ đo, kiểm tra: có thể là ampe kế hoặc đèn tín hiệu cho phép kiểm tra sự làm việc của ắc quy thông qua gía trị dòng phóng hoặc nạp của nó

- Công tắc cắt mát: dùng để cắt cực âm của ắc quy với mát khi ô tô máy kéo không làm việc

- Cung cấp năng l−ợng cho máy khởi động khi khởi động động cơ;

- Cung cấp năng l−ợng cho tất cả các phụ tải khác khi động cơ không làm việc hoặc làm việc ở số vòng quay nhỏ;

- Nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát, thì ắc quy sẽ cùng với máy phát cung cấp cho các phụ tải

2.1.1.2 Phân loại:

ắc quy ô tô máy kéo là ắc quy khởi động, khác các ắc quy dùng cho các thiết bị khác

+ Theo tính chất dung dịch điện phân, ắc quy đ−ợc chia ra các loại:

- ắc quy a xít: dung dich điện phân là a xít H2SO4

- ắc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH

So sánh hai loại ắc quy a xít và kiềm thì ắc quy a xít có suất điện

động mỗi ngăn cao hơn (~2V), điện trở trong nhỏ hơn, nên khi phóng với dòng lớn

độ sụt thế ít, chất l−ợng khởi động tốt hơn ắc quy kiềm có suất điện động mỗi ngăn khoảng 1,38V, giá thành cao hơn (2 3 lần) do phải sử dụng các loại vật liệu quý hiếm nh− bạc, niken, cađimi, điện trở trong lớn hơn Tuy vậy, ắc quy kiềm có

độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn (4 5 lần), làm việc tin cậy hơn

+ Các ắc quy a xít, theo vật liệu vỏ bình chia ra: vỏ bằng êbônít, cao su cứng hay các vật liệu tổng hợp khác

+ Các ắc quy kiềm, theo vật liệu cấu tạo bản cực chia ra các loại:

- Sắt - Niken (Fe - Ni);

- Cađimi - Niken (Cd - Ni);

Trang 6

2.1.1.3 Yêu cầu:

Các ắc quy dùng trên ô tô máy kéo có nhiệm vụ quan trọng là cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ, với dòng tiêu thụ rất lớn từ 400 600A, thậm chí có trường hợp tới 2000A, vì thế các ắc quy ô tô máy kéo trước hết phải đảm bảo các yêu cầu:

- Phải có khả năng trong thời gian ngắn từ 5 10 S, cung cấp một dòng phóng lớn (tương ứng với dòng khởi động) mà sau đó trạng thái kỹ thuật của chúng hầu như không thay đổi;

- Có điện trở trong nhỏ, để khi phóng với dòng lớn độ sụt thế sẽ bé,

đảm bảo có thể khởi động dễ dàng động cơ trong mọi điều kiện sử dụng

Các ắc quy có những đặc điểm trên được gọi là ắc quy khởi động Ngoài ra ắc quy còn phải:

- Có điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối bé;

- Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể;

- Làm việc tin cậy khi nhiệt độ môi trường dao động trong giới hạn rộng;

- Phục hồi nhanh chóng điện dung khi được nạp trong các điều kiện

sử dụng khác nhau;

- Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa;

- Có độ bền cơ học cao, chịu được rung sóc, thời hạn phục vụ lớn

và giá thành rẻ

2.1.2.1 Nguyên lý làm việc và các quá trình điện hoá trong ắc quy

Nguyên lý làm việc của ắc quy dựa trên cơ sở của hiện tượng phân cực các điện cực khi điện phân

Sơ đồ nguyên lý của một ắc quy a xít đơn giản nhất như trên hình 2.3 ắc quy gồm hai bản cực chì 2 đặt trong bình 3 làm bằng vật liệu cách điện và chịu a xít Khi đổ vào bình dung dịch điện phân là hỗn hợp giữa a xít H2SO4 và nước cất thì các bản cực chì sẽ bị ô xy hoá dưới tác dụng của a xít Trên bề mặt chúng tạo thành một lớp sun phát chì PbSO4 có màu xám nhạt Nồng độ dung dịch

điện phân lúc này giảm đi do một lượng a xít đã tham gia phản ứng với chì để tạo thành muối Quanh các điện cực dung dịch rất loãng, hầu như chỉ có nước nguyên chất, phân ly thành các ion H+ và OH-

Nếu nối các bản cực của ắc quy như vậy với máy phát hay nguồn

điện một chiều nào đó, thì dưới tác dụng của điện áp nguồn, các điện tử sẽ theo mạch ngoài chuyển động đến cực âm của ắc quy còn trong dung dịch các ion mang điện sẽ chuyển động đén các điện cực trái dấu với nó

- Tại cực âm: các ion dương hoá trị 2 (Pb2+) sẽ nhận điện tử trở thành chì nguyên chất, còn các ion H+ và SO42- kết hợp tạo thành a xít, tức là có thể viết:

PbSO4 (Pb2+ + SO42-) + 2e + 2H+ > Pb + H2SO4

- Tại cực dương: các ion dương hoá trị 2 (Pb2+) cho điện tử, bị ô xy hoá thành ion hoá trị 4 (Pb4+) và kết hợp với các ion OH- tạo thành đi ô xýt chì PbO2 và nước ở đây, các ion H+ và SO42- cũng kết hợp tạo thành a xít làm tăng nồng độ dung dịch, tức là có thể viết:

PbSO4 (Pb2+ + SO42-) - 2e + 4OH- + 2H+ > PbO2 + 2H2O + H2SO4

Trang 7

Quá trình đó chính là quá trình nạp ắc quy Sau khi nạp no, các phản ứng biến đổi hoá học kết thúc thì bản cực dương trở thành đi ô xýt chì có màu nâu thẫm, bản cực âm là chì nguyên chất có màu ghi đá Lúc này nồng độ dung dich không tăng lên nữa và nếu tiếp tục nạp thì sẽ xảy ra hiện tượng phân giải (điện phân) nước thành hyđrô và ô xy bay ra khỏi dung dịch dưới dạng bọt khí tương tự như khi nước sôi, vì thế còn gọi là hiện tượng "sôi" Đó là những dấu hiệu chứng

tỏ ắc quy đã được nạp no hoàn toàn

a- Cấu tạo; b- Quá trình nạp; c- Nối với phụ tải; d- Quá trình phóng;

1- Dung dịch điện phân; 2- Các bản cực chì; 3- Vỏ bình; 4- Công tắc; 5- Máy phát một chiều; 6- Đèn

Phương trình phản ứng chung cho cả quá trình điện hoá xảy ra trong ắc quy khi nạp có dạng:

2PbSO4 + 2H2O > PbO2 + Pb + 2H2SO4Các phản ứng này cũng có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ như trên hình 2.4a

Sau khi nạp no, giữa các bản cực của ắc quy xuất hiện một thế hiệu ≈2V Nếu bây giờ nối ắc quy (đã được nạp) với phụ tải thì ắc quy sẽ phóng điện cung cấp năng lượng cho phụ tải và xảy ra các quá trình điện hoá ngược lại:

- Dòng điện trong mạch ngoài sẽ đi từ cực dương sang cực âm;

- Các bản cực sẽ biến đổi dần thành PbSO4;

Trang 8

- Nồng độ dung dịch loãng dần thành nước

Khi các phản ứng hoá học kết thúc, ắc quy phóng hết thì dòng điện triệt tiêu Để ắc quy có thể tiếp tục làm việc thì cần phải nạp lại Như vậy, ắc quy là một bộ biến đổi năng lượng có tính thuận nghịch

Sơ đồ các quá trình điện hoá xảy ra khi phóng được biểu diễn trên hình 2.4b

Dung dịch

điện phân Bản cực âm

Trang 9

2.1.2.2 Cấu tạo của ắc quy

Mỗi một ắc quy đơn giản như mô tả ở trên có một điện dung rất nhỏ và một thế hiệu hạn chế Không phụ thuộc vào kích thước, mỗi ắc quy đơn chỉ

có thể cho một thế hiệu trung bình tối đa khoảng 2V Vì thế, để tạo được một nguồn điện có điện dung lớn hơn người ta phải tăng kích thước bằng cách chế tạo các bản cực dưới dạng khối: gồm nhiều bản âm và dương bố trí xen kẽ nhau ghép lại thành bộ Còn để nhận được điện áp cần thiết (6, 12 hay 24V) người ta mắc nối tiếp các khối ắc quy đơn lại với nhau thành bình ắc quy

Do đó kết cấu của một bình ắc quy trong thực tế gồm những bộ phận như trên hình 2.5 và 2.6

a Vỏ bình: có dạng hình hộp chữ nhật, làm bằng nhựa ê bô nít, cao su cứng hay chất dẻo chịu a xít và được chia thành các ngăn tương ứng với số lượng các ắc quy đơn cần thiết

1- Bản cực âm; 2- Tấm cách; 3- Bản cực dương; 4- Khối bản cực; 5- Cầu nối các bản cực cùng tên; 6- Đầu ra; 7- Cực dương; 8-

Vỏ bình; 9- Đệm làm kín; 10- Nút; 11- Nắp; 12- Cầu nối các ngăn;

13- Lỗ thông hơi; 14- Cực âm

Trong các ngăn đó được đặt các khối bản cực (hình 2.6) Dưới đáy vỏ bình

có các gân dọc hình lăng trụ để đỡ các khối bản cực Khoảng trống dưới đáy giữa các gân dùng để chứa các chất kết tủa, các chất tác dụng bong ra từ các bản cực,

để chúng không làm chập (ngắn mạch) các bản cực khác dấu

b Khối bản cực (hình 2.7): bao gồm các bản cực dương và âm đặt xen kẽ

Trang 10

nhau, gi÷a chóng cã c¸c tÊm ng¨n c¸ch ®iÖn

quy a xÝt

1- Nhùa (bi tum) lµm kÝn; 2- èng lãt ch×; 3- §Çu cùc; 4- Nót; 5- CÇu nèi; 6- N¾p; 7- Mét ng¨n cña b×nh; 8- TÊm c¸ch; 9- C¸c b¶n cùc

Trang bÞ ®iÖn vµ ®iÖn tö trªn «t« Biªn so¹n : TS NguyÔn Hoµng ViÖt

10

a- PhÇn cèt; b- Nöa khèi b¶n cùc; c- Khèi b¶n cùc vµ c¸c tÊm

c¸ch;

d- TÊm c¸ch

Trang 11

Mỗi bản cực gồm có phần cốt hình mắt cáo và các chất tác dụng trát trên nó Phần trên của cốt có tai (3 hình 2.7) để nối các bản cực cùng tên với nhau thành phân khối bản cực Phần dưới của cốt có các chân để tựa lên các gân ở

đáy bình Các chân được bố trí so le để tránh chập mạch qua sống đỡ

Cốt được đúc từ hợp kim chống ô xy hoá, gồm: 92 93% chì và 7 8% ăng ti mon (Sb) Cốt của các bản cực dương còn cho thêm 0,1 0,2% Asen (As) ăng ti mon và Asen có tác dụng làm tăng độ bền cơ học, giảm ô xy hoá cho cốt, ngoài ra còn làm tăng tính đúc của hợp kim

Chất tác dụng trên bản cực âm được chế tạo từ bột chì và dung dịch a xít H2SO4, ngoài ra để tăng độ xốp, giảm khả năng co và hoá cứng bản cực người ta còn cho thêm 2 3% chất nở Để làm chất nở có thể sử dụng các chất hữu cơ hoạt tính bề mặt hỗn hợp với sun phát bari BaSO4 như các muối humát chế tạo

từ than bùn, bồ hóng, chất thuộc da và các chất khác,

Độ xốp của chất tác dụng cho phép làm tăng diện tích bề mặt làm việc thực tế của bản cực lên hàng trăm lần so với bề mặt hình học Do đó tăng

được điện dung của ắc quy

Chất tác dụng trên bản cực dương: được chế tạo từ minium chì Pb3O4, monoxít chì PbO và dung dịch a xít H2SO4 Ngoài ra, để tăng độ bền người ta còn cho thêm sợi polipropilen

Các bản cực sau khi trát đầy chất tác dụng được ép lại, sấy khô và tạo cực bằng cách: ngâm vào dung dịch a xít H2SO4 loãng, nạp bằng dòng điện nhỏ Sau khi nạp, chất tác dụng của bản cực dương biến thành đi ô xýt chì PbO2màu nâu thẫm, bản cực âm là chì Pb màu ghi đá Sau đó các bản cực được sấy khô

và lắp ráp thành khối:

- Các bản cực cùng tên được hàn với nhau theo số lượng xác định tạo thành phân khối bản cực Khe hở giữa các bản cực cùng phân khối phải đủ chứa một bản cực khác loại và một tấm ngăn;

- Các phân khối bản cực và tấm ngăn được lắp ráp lại tạo thành khối bản cực Số bản cực âm thường lớn hơn số bản cực dương một bản để đặt các bản cực dương vào giữa các bản cực âm, đảm bảo cho các bản cực dương làm việc

đều cả hai mặt để tránh cong vênh và bong rơi chất tác dụng;

Tấm ngăn là những lá mỏng chế tạo từ vật liệu xốp chịu a xít như: mipo, miplát, bông thuỷ tinh hay kết hợp giữa bông thuỷ tinh với miplát hoặc gỗ Các tấm ngăn thường có một mặt nhẵn và một mặt hình sóng, lồi lõm Mặt nhẵn đặt hướng về phía bản cực âm, còn mặt hình sóng hướng về phía bản cực dương để tạo

điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển đến bản cực dương và lưu thông tốt hơn

Các khối bản cực và tấm ngăn được đặt vào các ngăn tương ứng trong vỏ Phía trên các tấm ngăn có đặt một tấm bảo vệ bằng êbônít hay chất dẻo đục lỗ để bảo vệ mép trên của tấm ngăn khỏi hư hỏng cơ học khi đo nhiệt độ, đo mức và nồng độ dung dịch điện phân

Trang bị điện và điện tử trên ôtô Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt

11

Trang 12

Hình 2.8. Kết cấu nửa khối và khối bản cực

c Nắp, nút, cầu nối:

Để làm kín ắc quy, mỗi ngăn của nó đ−ợc đậy bằng một nắp riêng chế tạo từ nhựa êbônít hay chất dẻo (hình 2.9) Trên nắp có ba lỗ: hai lỗ hai bên để luồn các đầu cực của khối bản cực ra ngoài Còn lỗ giữa để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân Trong hai lỗ bên có ép các ống lót bằng chì Lỗ để đổ dung dịch

điện phân có nút đậy vặn bằng ren (hình 2.10), trên nút có các lỗ nhỏ để thông hơi

Trong một số kết cấu, lỗ thông hơi có thể đ−ợc làm trực tiếp trên nắp nh−

Trang 13

Hình 2.10 Kết cấu nút đậy bình ắc quy

1- Thân nút; 2- Vòng chắn; 3- Lỗ thông hơi; 5- Mặt

ô

cực của ắc quy a xít

a- Đầu ra của các ngăn; b- Cầu nối; 1,2- Lõi đồng; 3- Hợp kim chì

13

a- Nối phía ngoài; b- Qua thành vách ngăn; Qua lỗ trên vách

ă

Trang 14

2.1.2.3 Dung dịch điện phân

Trong ắc quy a xít, dung dịch điện phân là dung dịch H2SO4 được pha chế từ a xít nguyên chất và nước cất theo nồng độ quy định phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, mùa và vật liệu tấm ngăn (thường dao động trong khoảng 1,25 1,31 g/cm3 khi ắc quy đã được nạp no)

Nồng độ cao quá sẽ làm cháy hỏng tấm ngăn, chóng rụng bản cực, ắc quy

dễ bị sunphát hoá làm giảm tuổi thọ và điện dung Nồng độ thấp quá thì suất điện

động ắc quy giảm và dung dịch dễ bị đóng băng ở nhiệt độ thấp

Khi pha chế dung dịch cần chú ý:

- Không được dùng a xít có thành phần tạp chất cao và nước không phải nước cất Vì dùng như vậy sẽ làm tăng quá trình tự phóng điện của ắc quy, các bản cực chóng bị sunphát hoá và giảm điện dung;

- Các dụng cụ pha chế phải sạch và chịu a xít;

- Để đảm bảo an toàn khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào a xít đặc mà phải đổ từ từ a xít vào nước và khuyấy đều

- Ký tự đầu tiên là một chữ số chỉ số ngăn của ắc quy;

- Hai ký tự tiếp theo là các chữ cái chỉ loại ắc qui khởi động dùng cho ô tô máy kéo;

- Tiếp theo nữa là hai chữ số chỉ điện dung định mức ở chế độ quy

định phụ thuộc vào tiêu chuẩn ngành hay quốc gia;

- Cuối cùng là các chữ cái chỉ vật liệu tấm cách hay vỏ bình

+ Một ắc quy của Liên Xô có ký hiệu: 6-CT-70- MC thì 6 là ắc

quy có 6 ngăn; CT- chữ cái viết tắt chỉ loại ắc quy khởi động dùng cho ô tô máy kéo; 70- ắc quy có địên dung định mức là 70 (A.h) ở chế độ 20 giờ phóng điện và nhiệt độ dung dịch là 25OC; - vỏ bình bằng nhựa êbônít; MC- vật liệu tấm cách bằng miplát+sợi thuỷ tinh (P- mipo; M- miplát; PC- mipo+sợi thuỷ tinh); Nếu ắc quy đã được nạp khô (tức là các bản cực đã được nạp sẵn ở nhà máy, chế tạo và bảo quản ở dạng khô kín) thì có thêm chữ " " sau cùng

+ Một ắc quy của Việt Nam có ký hiệu: 6-OT-70-NT-TCVN thì 6

là ắc quy có 6 ngăn; OT- chữ cái viết tắt chỉ loại ắc quy khởi động dùng cho ô tô máy kéo; 70- ắc quy có địên dung định mức là 70 (A.h) ở chế độ 10 giờ phóng

điện và nhiệt độ dung dịch là (32±2)OC; NT- tấm cách bằng nhựa xốp ghép với sợi thuỷ tinh (N- nhựa xốp; GT- gỗ ghép với sợi thuỷ tinh; GN- gỗ ghép với nhựa)

2.1.2.5 Các đặc trưng cơ bản của ắc quy axít:

Mỗi ngăn của bình ắc quy là một ắc quy đơn có đầy đủ các tính chất đặc trưng cho cả bình Do đó, khi nghiên cứu đặc tính của bình ắc quy ta chỉ cần khảo sát một ắc quy đon là đủ

a Sức điện động tĩnh (E0):

14

Trang 15

Sức điện động (SĐĐ) tĩnh của ắc quy là hiệu điện thế giữa các điện cực của ắc quy, đo khi mạch ngoài hở Nó chỉ phụ thuộc vào tính chất hoá lý của các chất tham gia vào quá trình điện hoá, vào nồng độ dung dịch điện phân mà không phụ thuộc vào kích thước bản cực và số lượng chất tác dụng

Một cách gần đúng SĐĐ E0 có thể xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

b Điện trở trong (raq):

Điện trở trong của ắc quy là sức cản của ắc quy cản trở dòng điện

đi qua trong nó Điện trở trong của ắc quy có hai thành phần và được biểu diễn bởi công thức:

r0 - Điện trở thuần của ắc quy, là tổng hợp điện trở thuần của các điện cực, của dung dịch điện phân, của các tấm ngăn và các chi tiết dẫn

điện khác, như: cọc bình, cầu nối

rp - Điện trở phân cực của ắc quy, đây là một đại lượng có tính chất quy ước dùng để đánh giá sự thay đổi điện thế ở các điện cực khi có dòng

điện đi qua ắc quy

Điện trở thuần của ắc quy có bản chất tương tự điện trở thuần của các vật dẫn khác Nó phụ thuộc vào diện tích, khoảng cách và trạng thái bề mặt của các bản cực, vào điện trở của các chất tạo nên bản cực và bởi vậy phụ thuộc vào mức độ phóng nạp của ắc quy, vào nồng độ và nhiệt độ của dung dịch điện phân

Trên hình 2.14 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của r0 vào mức độ phóng ΔQ% của ắc quy ở nhiệt độ khác nhau

bộ ắc quy 6CT-90 vào mức độ phóng ΔQ% ở các nhiệt độ khác nhau

15

Trang 16

Khi phóng, chì và điôxýt chì ở các điện cực biến thành PbSO4 có

điện trở suất cao hơn (điện trở suất của chì ρPb=1,83.10-4Ω.cm; của điôxýt chì ρPbO2

= 74.10-4Ω.cm; của sun phát chì ρPbSO4=1.107Ω.cm), còn dung dịch điện phân có nồng độ giảm từ 1,27 g/cm3 xuống 1,1 g/cm3 với điện dẫn suất giảm đi (hình 2.15) nên điện trở thuần của ắc quy tăng lên

Với sự giảm nhiệt độ, điện trở suất của dung dịch điện phân tăng lên nhiều (hình 2.16) còn điện trở của các điện cực và các chi tiết nối ghép thay

đổi không đáng kể, nên điện trở của dung dịch điện phân là yếu tố quyết định làm tăng điện trở trong của ắc quy ở nhiệt độ thấp

16

Trang 17

+ Khi có dòng điện đi qua ắc quy (dòng phóng hoặc nạp) thì nồng

độ dung dịch ở vùng tiếp xúc trực tiếp với các bản cực sẽ thay đổi, làm thay đổi suất điện động của ắc quy:

- Khi phóng: nồng độ dung dịch ở vùng sát các bản cực sẽ giảm đi làm giảm SĐĐ của ắc quy đi một l−ợng gọi là SĐĐ phân cực khi phóng và ký hiệu

(

(24)

I

E E I

Trang 18

ở đây: Ep - SĐĐ phân cực xuất hiện khi có dòng điện I chạy qua ắc quy, làm thay đổi nồng độ dung dịch ở vùng sát các bản cực

phân cực rp của bộ ắc quy 60CT-90 theo cường độ dòng phóng ở các nhiệt

độ khác nhau

18

Trang 19

Hình 2.17. Quan hệ giữa

ện trở phân cực rp của bộ ắc quy60-CT-90 và cường độ dòng điện phóng ở các nhiệt độ khác nhau

đi

Khi tăng dòng phóng, nồng độ dung dịch vùng sát các bản cực giảm nhiều, làm tăng SĐĐ phân cực Với những giá trị dòng phóng lớn, lớp dung

dịch mới không kịp khuyếch tán vào các bản cực để bù lại cho lượng axít đã tham

gia phản ứng, nên nồng độ trong các bản cực càng giảm nhiều và SĐĐ phân cực

càng lớn

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến điện trở phân cực (hình 2.17) vì nhiệt

độ giảm làm tăng độ nhớt của dung dịch, gây khó khăn cho qua strình khuyếch tán

Trang 20

ở đầu quá trình phóng: hiệu điện thế giảm đột ngột một lượng bằng

độ rơi thế trên điện trở thuần (Ip.r0) Sau đó tiếp tục giảm nhanh chủ yếu do sự giảm nồng độ dung dịch trong các bản cực, tức là do SĐĐ phân cực Nồng độ dung dịch trong các bản cực giảm sẽ làm khuyếch tán lớp dung dịch mới vào thế chỗ Nồng độ dung dịch càng giảm thì độ chênh lệch nồng độ càng lớn và lượng dung dịch khuyếch tán vào bản cực càng tăng Quá trình này cứ tiếp diễn cho đến khi có sự cân bằng giữa tốc độ khuyếch tán và tốc độ phản ứng hoá học Sau khi

độ chênh lệch nồng độ đạt giá trị tương đối ổn định thì SĐĐ và hiệu điện thế giảm chậm, tỷ lệ với mức giảm nồng độ chung của dung dịch (ứng với đoạn giữa - tương

đối thẳng của đặc tính Up)

Theo mức độ phóng điện, lượng sunphát chì tạo thành trên bề mặt các bản cực tăng lên, làm tăng điện trở thuần của ắc quy Ngoài ra, các hạt sunphát chì có thể tích khá lớn (so với chì và các ôxýt của nó) còn làm giảm tiết diện thấm dung dịch và cản trở quá trình khuyếch tán Do đó, làm tăng SĐĐ phân cực Đến một lúc nào đó, trạng thái cân bằng sẽ bị phá huỷ, nồng độ dung dịch trong bản cực cùng với SĐĐ và hiệu điện thế giảm rất nhanh và nếu cho ắc quy tiếp tục phóng điện thì SĐĐ có thể giảm đến không

Các kết quả nghiên cứu cho thấy: Quá trình cho ắc quy phóng điện chỉ nên thực hiện đến điểm P Vì sau điểm này thế hiệu của ắc quy giảm rất nhanh, không những không thoả mãn điều kiện làm việc của phụ tải mà còn gây tác hại cho ắc quy và khó khăn cho quá trình nạp phục hồi Thế hiệu của ắc quy ứng với

điểm P nói trên được gọi là thế hiệu phóng cuối cùng Khi thế hiệu ắc quy giảm

đến thế hiệu phóng cuối cùng thì trong sử dụng được coi như ắc quy đã phóng hết

điện Giá trị thế hiệu phóng cuối cùng phụ thuộc cường độ dòng phóng ở chế độ

10 giờ phóng điện thế hiệu này bằng 1,7V ứng với ρ=1,1 g.cm3

Nếu ngắt phụ tải tại điểm P, tức là cho ắc quy ngừng phóng điện thì thế hiệu Up tăng vọt lên một lượng bằng độ rơi thế trên điện trở thuần của ắc quy,

đạt gia strị của suất điện động EI, gia strị này sau đó tăng dần lên đến gia strị

E0=1,96V do nồng độ dung dịch trong bản cực và nồng độ chung được cân bằng dần nhờ quá trình khuyếch tán

Đoạn cuối cùng của đặc tính phóng ứng với quá trình này gọi là

"khoảng nghỉ" của ắc quy Khoảng nghỉ của ắc quy rất quan trọng trong sử dụng

để phục hồi thế hiệu và điện dung của ắc quy, nhất là khi khởi động ô tô máy kéo

Khi nạp với dòng điện không đổi (I n =const): thì xảy ra quá trình ngược lại: thế hiệu của ắc quy lớn hơn SĐĐ của nó một lượng bằng độ rơi thế trong ắc quy và thay đổi theo quy luật ngược với quá trình phóng điện:

Un = E0 + (In.raq) = E0 + In.r0 + ΔE

Đầu quá trình nạp thế hiệu tăng vọt lên một lượng bằng độ rơi thế trên điện trở thuần và sau đó tăng nhanh do SĐĐ phân cực sinh ra do sự tăng nhanh nồng độ dung dịch trong các bản cực

2 6)

Khi độ chênh lệch nồng độ trong và ngoài bản cực đạt giá trị tương

đối ổn định, thì thế hiệu tăng đều theo sự tăng nồng độ chung của dung dịch

Sau khi hầu hết sun phát chì đã biến thành điôxýt chì ở cực dương

20

Trang 21

và chì ở cực âm, thì năng lượng nạp chỉ tiêu tốn để phân giải nước thành các ion hyđrô và ô xy Các ion này một phần được trung hoà thành nguyên tử - thoát ra khỏi dung dịch dưới dạng bọt khí (ô xy ở cực dương và hyđrô ở cực âm) Hiện tượng này gọi là sự "sôi" của ắc quy và là một dấu hiệu cuối quá trình nạp Phần lớn bọt khí còn lại bao quanh các điện cực, tạo nên một điện trở phụ giữa điện cực

và dung dịch Điện trở đó làm xuất hiện một hiệu thế phụ khoảng 0,33V giữa dung dịch và điện cực, làm tăng SĐĐ và do đó tăng thế hiệu nạp ắc quy

tính nạp của ắc quy

Khi tiếp tục nạp, vì rằng hầu như tất cả sun phát chì đã biến thành

Pb và PbO2, nên nồng độ, SĐĐ và hiệu điện thế không tăng lên nữa Đó là dấu hiệu báo rằng ắc quy đã được nạp no

Sự sôi của ắc quy bắt đầu khi thế hiệu của mỗi ắc quy đơn đạt tới giá trị 2,4V, sau đó tiếp tục tăng cho đến khoảng 2,7V thì ngừng tăng Về lý thuyết, có thể kết thúc nạp tại thời điểm này Nhưng thực tế người ta thường tiếp tục nạp thêm khoảng 2 3 giờ nữa Khi thấy rằng: trong suốt thời gian đó, thế hiệu

và nồng độ dung dịch hoàn toàn không tăng lên nữa thì mới đảm bảo chắc chắn là

ắc quy đã được nạp no

Sau khi ngắt dòng điện nạp, thế hiệu của ắc quy sụt xuống một lượng bằng độ rơi thế trên điện trở thuần và sau một "khoảng nghỉ", tức là sau khi nồng độ dung dịch đã khuyếch tán đồng đều và bọt khí thoát hết ra ngoài, nó bằng giá trị SĐĐ E0=2,11 2,12V ứng với ắc quy đã được nạp no

Trang 22

+ Điện dung nạp: là điện lượng mà ắc quy tiếp nhận được trong quá trình nạp (cũng tính bằng A.h)

Nếu ký hiệu điện dung nạp là Q n thì:

Từ các định nghĩa trên ta thấy rằng: điện dung của ắc quy là một

đại lượng biến đổi phụ thuộc vào giá trị dòng điện và thời gian, tức là phụ thuộc vào các chế độ phóng và nạp điện

Do đó, để đánh giá khả năng tích phóng của ắc quy và để so sánh các ắc quy khác nhau, người ta quy định lấy giá trị điện dung phóng xác định trong những điều kiện chặt chẽ do tiêu chuẩn ngành hoặc quốc gia quy định

Điện dung xác định trong những điều kiện cụ thể như vậy, là một

đại lượng hoàn toàn xác định và được gọi là điện dung định mức Điện dung này

được cho trong lý lịch và ghi trong ký hiệu của ắc quy

Về bản chất, điện năng của ắc quy là do hoá năng của các phản ứng

hoá học biến đổi thành Do đó, nó phụ thuộc trước hết vào số l ượng chất tác dụng

và lượng dung dịch điện phân Với một lượng chất tác dụng và dung dịch xác định

thì điện dung lại phụ thuộc nhiều vào hệ số sử dụng chúng

Theo tính toán lý thuyết (dựa vào giá trị của các đương lượng điện hoá) , thì: để có một điện lượng một ampe-giờ, cần phải có 4,46g PbO2, 3,87g Pb

và 3,66g H2SO4

Trong thực tế, đối với các ắc quy khởi động hiện nay, để nhận được một điện lượng như vậy cần sử dụng một lượng chất tác dụng nhiều hơn trên 2 lần

so với tính toán lý thuyết Tức là hệ số sử dụng chất tác dụng nhỏ hơn 50%

Hệ số sử dụng chất tác dụng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố quan trọng sau:

- Độ xốp của chất tác dụng: chất tác dụng càng xốp > dung dịch càng dễ khuyếch tán sâu vào trong các bản cực > lượngc hất tác dụng thực tế tham gia các phản ứng hoá học càng nhiều > hệ số sử dụng chúng càng lớn

- Chiều dày các bản cực: các bản cực càng dày > hệ số sử dụng chất tác dụng càng nhỏ, vì các lớp bên trong của bản cực khó tiếp xúc được với dung dịch điện phân và được sử dụng ít hơn nhiều so với các lớp phía ngoài, đặc biệt là khi dòng phóng có giá trị lớn

22

Trang 23

- Độ xốp và kết cấu tấm cách: tấm cách có độ xốp cao, kết cấu hợp lý cho phép tăng khả năng khuyếch tán dung dịch

axít H2SO4 tham gia phản ứng và tốc độ khuyếc tán dung dịch Vì thế, nồng độ tăng đến một giới hạn nào đó thì hệ số sử dụng chất tác dụng cũng tăng lên Tuy vậy, tăng nồng độ sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc quy Vì thế người ta căn cứ chủ yếu vào điều kiện khí hậu và mùa để quyết định nồng độ dung dịch Thông thường, nồng độ dung dịch của ắc quy đã được nạp no dao động trong giới hạn 1,27 1,31 g/cm3

- Chế độ phóng: chế độ phóng được xác định bởi gía trị dòng mà

ắc quy cung cấp liên tục trong một thời gian xác định

Chế độ phóng được coi là lâu dài nếu như dòng phóng có giá trị không lớn và phóng kéo dài trong vài giờ (ví dụ: các chế độ 10, 20 giờ phóng điện)

và được coi là ngắn hay khởi động, nếu quá trình phóng xảy ra trong vài phút với dòng lớn

Khi tăng dòng phóng, lớp bề mặt của các bản cực được phóng rất nhanh Sun phát chì tạo thành khi đó sẽ nhanh chóng bịt kín các lỗ xốp, ngăn cản dung dịch khuyếch tán vào các lớp phía trong, làm cho các lứop này không tiếp tục tham gia được vào quá trình điện hoá Bởi vậy, hệ số sử dụng chất tác dụng và điện dung của ắc quy giảm đi

Khi cho ắc quy phóng gián đoạn (có khoảng nghỉ giữa các lần phóng), thì điện dung ắc quy có thể cung cấp sẽ lớn hơn khi cho nó phóng liên tục, nhất là khi dòng phóng lớn Vì rằng trong thời gian nghỉ, lượng dung dịch mới kịp khuyếch tán sâu hơn vào các lớp chất tác dụng phía trong của bản cực

giảm Do độ nhớt và điện trở dung dịch tăng lên làm chậm quá trình khuyếch tán

và tăng độ sụt thế Sự thay đổi điện dung của ắc quy ở chế độ 20 giờ phóng điện phụ thuộc vào nhiệt độ, được đánh giá bằng hệ số nhiệt độ α = (0,005 0,1)/1OC

Điện dung của ắc quy ở một nhiệt độ t nào đó được xác định theo công thức:

Dòng nạp càng cao hơn định mức (thường Iđm = 0,1Q10) bao nhiêu thì điện dung phóng và tuổi thọ của ắc quy càng giảm bấy nhiêu

23

theo nhiệt độ dung dịch điện phân với các cường độ

dòng phóng khác nhau

1- Ip=3A; 2- Ip=8A; 3- Ip=100A;

Trang 24

Đặc tính vôn - ampe được sử dụng chủ yếu để thiết kế và tính toán

hệ thống khởi động, để chọn ắc quy đảm bảo điều kiện làm việc cần thiết cho máy khởi động

Do giới hạn dòng làm việc của máy khởi động nói chung nằm trong vùng ứng với các đoạn tương đối thẳng của đặc tính, vì vậy trong tính toán thực tế người ta bỏ qua những đoạn phi tuyến (ở hai đầu) ứng với những giá trị dòng rất nhỏ và rất lớn, ngoài giới hạn dòng khởi động Tức là coi như đặc tính có dạng thẳng hoàn toàn, bằng cách kéo thẳng đặc tính về hai phía cho đến khi cắt các trục toạ độ (đoạn đứt quãng trên hình 2.22)

Đặc tính vôn - ampe phụ thuộc điện trở trong của ắc quy Do đó nó thay đổi theo những yếu tố ảnh hưởng đến điện trở trong

24

Trang 25

Hình 2.22. Đặc tính

vôn- ampe

1, 2- Đặc tính vôn

- ampe tương ứng với cácnhiệt độ tO

1 và tO

2 (tO 1

AU

Đặc tính vôn - ampe có hai điểm đặc trưng:

- Điểm cắt trục tung: xác định bởi thế hiệu quy ước lúc ắc quy bắt

đầu phóng điện (Ubđ);

- Điểm cát trục hoành: xác định bởi giá trị dòng ngắn mạch quy

ước (Ingm) của ắc qui ở những nhiệt độ tương ứng

Thế hiệu phóng quy ước ban đầu có thể xác định như sau:

dm

p td

ΔQp - Điện lượng tuyết đối mà ắc quy đã phóng, A.h;

ΔQđm - Điện dung định mức của ắc quy, A.h

Dòng ngắn mạch quy ước của ắc quy (Ingm) thay đổi theo điện dung Vì vậy, để có thể xây dựng công thức tính toán dòng ngắn mạch cho các ắc quy có

điện dung khác nhau, người ta dùng khái niệm dòng ngắn mạch riêng - là dòng ngắn mạch của một bản cực dương, ký hiệu là In+ Dòng này được xác định theo công thức:

Trang 26

ở đây: n+: là số các bản cực dương trong một ắc quy

nhiệt độ dung dịch điện phân

Kép Từ 0 đến +20 Từ -40 đến 0 05 2

2

05

2,1 3,4

0,4

f Công suất và năng lượng:

Công suất Paq mà ắc quy có thể cung cấp khi phóng, được xác định bằng tích giữa hiệu điện thế Up (tính bằng vôn) và dòng phóng Ip (tính bằng ampe):

Paq = Up.Ip (W) Năng lượng mà ắc quy cung cấp trong khoảng thời gian phóng tpnào đó, tương ứng là:

).(

0

h W dt

U I W

tp p p

Trang 27

g Hiệu suất của ắc quy:

Hiệu suất của ắc quy đặc trưng cho tính kinh tế của nó Người ta chia ra hai loại hiệu suất: hiệu suất theo điện dung (ampe giờ) và hiệu suất theo năng lượng (woát giờ)

Hiệu suất theo điện dung đối với những ắc quy khởi động hiện nay nằm trong khoảng 0,94 0,96 và được xác định theo công thức:

Q

dt I

tp p p

W

dt I U

Hiệu suất theo năng lượng thấp hơn, vì ngoài những tổn thất trên,

nó còn tính cả những tổn thất về nhiệt trong quá trình phóng và nạp điện

Trang 28

Nếu ắc quy tự phóng với cường độ lớn hơn giới hạn nói trên (tức là

>1%/1 ngày đêm) thì gọi là tự phóng nhanh

Nguyên nhân của hiện tượng tự phóng tự nhiên là do có các tạp chất trong vật liệu các bản cực, trong dung dịch điện phân khi chế tạo, còn của hiện tượng tự phóng nhanh là do sử dụng và bảo dưỡng ắc quy không tuân theo

đúng các quy định kỹ thuật

Hiện tượng tự phóng tự nhiên xảy ra nhiều ở bản cực âm Do vật liệu chế tạo bản cực âm không thể thuần khiết hoàn toàn mà có lẫn một loạt các tạp chất kim loại khác, có điện thế dương hơn so với chì nguyên chất, như: đồng, bạc, ăng ti mon, Nên ngay trong lòng bản cực âm sẽ tạo nên một loạt các micro pin (pin tế vi) mạch kín Những pin tế vi này sẽ phóng các bản cực âm, biến chì thành sun phát chì

Một cách tương tự, các tạp chất lẫn trong dung dịch điện phân và các tấm cách cũng làm các bản cực âm phóng điện Ví du như: khi trong dung dịch điện phân có lẫn các muối kim loại với các hoá trị khác nhau, thì khi nạp: các ion của chúng là các phần tử mang điện sẽ chuyển động đến các bản cực ở bản cực âm, các ion kim loại nhận được điện tử trở thành nguyên tử trung hoà và có vai trò như một tạp chất kim loại đã mô tả ở phần trên

Nguyên nhân tự phóng ở các bản cực dương là do sự chênh lệch

điện thế giữa vật liệu của phần cốt và chất tác dụng Sự chênh lệch điện thế đó sẽ làm xuất hiện dòng điện > biến chì của cốt và điôxít chì thành sun phát chì

Khi ắc quy bị chập mạch bên trong, bị ướt bẩn phía ngoài thì sẽ xảy

ra hiện tượng tự phóng nhanh, do các bản cực và các đầu cực của ắc quy bị ngắn mạch

Hiện tượng tự phóng không thể khắc phục được hoàn toàn Tuy vậy, với sự giảm nhiệt độ, hiện tượng tự phóng giảm đi rất nhiều ở những tO thấp hơn OOC (âm), hiện tượng tự phóng ở những ắc quy mới hầu như dừng lại (hình (2.24) Vì thế, khi bảo quản ắc quy thì nên bảo quản ở tO âm

trung bình trong 1 ngày đêm của

ắc quy a xít khi bảo quản trong 14 ngày phụ thuộc vào nhiệt độ

Đường 1 - ắc quy mới

Đường 2 - giữa thời hạn phục vụ

Đường 3 - cuối thời hạn h

2.1.2.7 Các phương pháp nạp ắc quy axít

Việc nạp ắc quy về nguyên tắc có thể thực hiện từ bất kỳ nguồn

điện một chiều nào, chỉ cần điều kiện là: thế hiệu của nguồn lớn hơn SĐĐ của các

Trang 29

Nếu ký hiệu thế hiệu nguồn là Ung, SĐĐ ắc quy vào thời điểm nạp

là Eaq, thì tại thời điểm bất kỳ dòng điện nạp sẽ có giá trị:

)

aq ng n aq

n aq ng aq ng n

r R

E U I R

r I E U R

U U I

- Nếu Ung < Eaq thì In <0, tức là ắc quy phóng điện

- SĐĐ và điện trở trong của ắc quy khi nạp thay đổi phụ thuộc nhiệt

độ dung dịch điện phân và mức độ nạp Vì thế trong quá trình nạp In sẽ thay đổi (hình 2.26)

a Nạp bằng dòng điện không đổi (In=const):

I n ng ư aq

= đ ược giữ không đổi trong suốt quá trình nạp Muốn như vậy, cần phải có thiết bị cho phép thay đổi thế hiệu nguồn hoặc tổng trở của mạch nạp (hình 2.27)

Trong hầu hết các thiết bị nạp thì thế hiệu nạp được thay đổi bằng cách thay đổi hệ số biến áp Còn để thay đổi tổng trở người ta dùng biến trở mắc nối tiếp với các ắc quy Giá trị của biến trở phải tính toán sao cho đủ lớn để đảm

29

Trang 30

bảo khoảng điều chỉnh Vì thế hiệu của mỗi ngăn ắc quy ở đầu quá trình nạp thường có giá trị khoảng 2V, nên giá trị cần thiết của biến trở (tính bằng ôm) có thể xác định theo công thức sau:

n

ng

I

n U

7,2

- Cho phép nạp cùng một lúc các bộ ắc quy có thế hiệu định mức khác nhau;

- Cho phép điều chỉnh dòng điện nạp cho thích hợp với từng loại ắc quy

Trên cơ sở nghiên cứu hệ số sử dụng dòng điện nạp:

n

c In

Tuy vậy, nó có nh ược điểm là:

- Các ắc quy đem nạp cần phải có điện dung như nhau, nếu không

se xkhông chọn được dòng điện thích hợp cho tất cả các ăc quy và các ắc quy nhỏ hơn sẽ được nạp no trước, còn các ắc quy điện dung lớn sẽ phải nạp rất lâu;

30

Trang 31

- Thời gian nạp khá lâu (đối với ắc quy mới nạp lần đầu có thể tới 25 50 giờ) Để rút ngắn thời gian nạp trong trường hợp vội, có thể thực hiện nạp hai nấc (hình 2.28): nấc thứ nhất với dòng lớn và kết thúc khi thế hiệu ắc quy đơn

đạt 2,4V (bắt đầu sôi); sau đó chuyển sang nấc thứ hai với dòng nhỏ hơn;

- Tổn hao một phần năng lượng trong biến trở;

- Phải thường xuyên theo dõi và điều chỉnh dòng điện nạp

31

Trang 32

không đổi

b Nạp bằng thế hiệu không đổi (Un=const):

Khi nạp theo phương pháp này thì:

- Tất cả các ắc quy được mắc song song với nguồn điện nạp (hình 2.29) Thế hiệu của nguồn phải đảm bảo bằng 2,5 2,7V trên một ắc quy đơn và không thay đổi trong suốt quá trình nạp

- Mạch nạp không cần thiết bị điều chỉnh gì

Để có thể nạp cùng một lúc các ắc quy 6V và 12V, người ta lập mạng nạp 3 dây: 2x7V hoặc 2x7,5V (hình 2.29)

Khi bắt đầu nạp, do SĐĐ của ắc quy còn nhỏ nên dòng điện nạp

- Nạp khá nhanh, thời gian nạp ngắn;

- Không cần phải theo dõi điều chỉnh vì dòng nạp tự động giảm

32

Trang 33

theo thời gian Nó rất thích hợp với việc nạp bổ sung cho các ắc quy đang sử dụng, như các ắc quy đặt trên ô tô máy kéo

Nhược điểm của phương pháp này là:

- Không thể dùng để nạp lần đầu cho ắc quy mới và nạp chữa các

ắc quy bị sun phát hoá, vì không thể điều chỉnh được gía trị dòng nạp và dòng nạp lúc cuối rất nhỏ > không thể nạp no cho ắc quy;

- Dòng điện nạp ban đầu lớn, có thể gây tác hại cho ắc quy và quá tải cho thiết bị nạp nếu không có cơ cấu hạn chế dòng điện

c Nạp cấp tốc:

Trong trường hợp vì lý do nào đó mà ắc quy bị phóng mất điện quá nhiều (ví dụ: khi máy phát trên ô tô bị trục trặc) thì có thể sử dụng phương pháp nạp cấp tốc với dòng lớn khoảng (0,7 0,9)Qđm để nạp bổ sung cho ắc quy

Khi nạp cấp tốc cần chú ý sao cho điện lượng mà ắc quy nhận được không lớn hơn giá trị điện dung mà ắc quy đã phóng mất Nếu nạp quá, tuổi thọ của ắc quy sẽ giảm nhiều Vì thế, nạp cấp tốc chỉ dùng cho các ắc quy có mức độ phóng điện vượt quá một giới hạn quy định

d Nạp cân bằng:

Nạp cân bằng được tiến hành với một dòng nhỏ khoảng 0,1Q20 (A) với mục đích phục hồi hoàn toàn khối lượng chất tác dụng ở các bản cực và làm

đồng đều nồng độ dung dịch điện phân trong toàn bình

Nạp cân bằng được thực hiện cho đến khi theo dõi trong khoảng 3 giờ mà thấy nồng độ dung dịch không thay đổi nữa thì kết thúc

2.1.2.8 Sử dụng và bảo dưỡng ắc quy

Trong quá trình sử dụng, để đảm bảo tuổi thọ và khả năng làm việc của ắc quy, phải chú ý:

- Giữ gìn các đầu cực và bề mặt của ắc quy sạch sẽ;

- Định kỳ kiểm tra các chi tiết kẹp giữ ắc quy, mức và nồng độ dung dịch điện phân;

- Kiểm tra và điều chỉnh giá trị thế hiệu máy phát trên ô tô

Mức dung dịch điện phân phải kiểm tra ít nhất một lần trong khoảng từ 7 10 ngày Mức dung dịch cần phải đảm bảo cao hơn bề mặt tấm bảo

vệ từ 10 15 mm, nếu thấp hơn phải đổ thêm nước cất

Một tháng ít nhất một lần, phải kiểm tra nồng độ dung dịch, từ đó suy ra mức độ nạp của ắc quy Nếu nồng độ dung dịch giảm quá 0,04 (vào mùa

đông) tương ứng với mức độ nạp là 75% và 0,08 (vào mùa hè) tương ứng với mức

độ nạp 50%, thì cần phải nạp bổ sung cho ắc quy và kiểm tra thế hiệu máy phát xem có nằm trong giới hạn cho phép không (trung bình Umf = 13,3 14,1 V)

Để làm sạch bề mặt ắc quy và trung hoà lượng axít ngấm trong lớp bụi bẩn, người ta dùng dung dịch xôđa (Na2CO3) 10% hoặc Clorua amôni (NH4CL)

2.1.2.9 Những hư hỏng chính của ắc quy axít và biện pháp khắc phục

ắc quy là một bộ phận thường gây nhiều phiền phức trong quá trình sử dụng nhưng lại ít được chú ý bảo dưỡng và vận hành đúng kỹ thuật Do

đó, chúng thường bị hư hỏng trước thời hạn quy định

33

Trang 34

Để nâng cao thời hạn phục vụ của ắc quy cần phải nắm vững những hư hỏng chính và các biện pháp đề phòng những nguyên nhân gây ra nó

Trong vận hành ắc quy thường bị những hư hỏng chính, như: tự phóng điện nhanh, sun phát hoá không thuận nghịch và các hư hỏng khác như trình bày dưới đây

a Tự phóng điện nhanh:

Tự phóng điện nhanh xảy ra khi ắc quy tự phóng mất >1%Qđm/1 ngày đêm Nguyên nhân là do ắc quy bị bẩn ướt, dung dịch lẫn nhiều tạp chất, nồng độ các lớp dung dịch không đồng đều, bị chập mạch bên trong do hư hỏng tấm ngăn cách điện hoặc bong rơi chất tác dụng

Cách khắc phục hư hỏng này là:

- Thực hiện đúng nguyên tắc sử dụng và bảo dưỡng;

- Nếu dung dịch đã bị bẩn rồi thì:

+ cho ắc quy phóng hết điện với Ip = 0,1Qđm cho tới khi thế hiệu ở ngăn xấu nhất là 1,1 1,2 V, để các tạp chất kim loại tách ra khỏi bản cực vào đi dung dịch;

+ Đổ hết dung dịch điện phân ra và súc rửa vài lần bằng nước cất cho sạch;

+ Đổ dung dịch điện phân mới vào và nạp no

- Để tránh hiện tượng không đồng đều nồng độ giữa các lớp dung dịch điện phân: khi đổ thêm n ước cất hoặc sau một thời gian bảo quản cần cho ắc quy nạp một vài giờ;

- Các tấm cách hư hỏng cần thay thế mới

b Sun phát hoá không thuận nghịch:

Như đã biết, trong qúa trình phóng thì trên các bản cực: chất tác dụng biến đổi dần thành sun phát chì có tinh thể nhỏ mịn và khi nạp thì ngược lại: những tinh thể này chuyển thành chì và điôxýt chì Đó là quá trình sun phát hoá thuận nghịch

Nhưng, nếu ắc quy bị phóng điện vượt giới hạn cho phép qúa nhiều, hoặc khi bảo quản lâu ở trạng thái không được nạp no, thì những tinh thể sun phát chì nhỏ mịn này sẽ kết tinh lại > tạo nên những tinh thể lớn màu trắng, rất cứng,

có điện trở lớn và rất khó bị phá vỡ trong quá trình nạp Chúng phủ kín các bản cực, bít kín các lỗ hổng không cho dung dịch điện phân thấm sâu vào bản cực

Điều đó làm điện dung ắc quy giảm và điện trở trong tăng rất nhiều Hiện tượng

đó gọi là hiện tượng sun phát hoá không thuận nghịch Biểu hiện của ắc quy khi bị bệnh này là: nạp chóng sôi, phóng mau hết điện và độ sụt thế lớn

Các ắc quy bị sun phát hoá đòi hỏi phải tăng thế hiệu nạp Khi bị

nhẹ có thể nạp chữa với chế độ nạp đặc biệt (I n ≤0,04Q đm và ρ=1,11 g/cm 3) Còn khi bị nặng thì ắc quy sẽ hỏng, không làm việc được

Nguyên nhân khác của bệnh sun phát hoá là do không chăm sóc kiểm tra, để ắc quy bị thiếu dung dịch Phần trên của các bản cực khi đó bị khô,

nhô ra ngoài không khí Khi tiếp xúc với không khí: ở các bản cực âm sẽ xảy ra

các phản ứng sau: Pb+H2SO4 +2H2O= pb(OH)2 +H2SO4 +2H Axít sunfuaríc từ dung dịch chuyển động lên trên nhờ hiện tượng mao dẫn, tiếp tục tác dụng với hyđrôxýt chì tạo thành sun phát chì tinh thể lớn:

34

Trang 35

O H PbSO SO

H OH

pb( )2 + 2 4 = 4 +2 2Cường độ sun phát hoáătng khi tăng nồng độ dung dịch và nhiệt độ cũng như khi có hiện tượng tự phóng kéo dài

Do đó, để tránh hiện tượng sun phát hoá cần phải tuân thủ đúng các quy định khi sử dụng ắc quy

c Các hư hỏng khác:

- Cong vênh các bản cực và bong rơi chất tác dụng: do dòng phóng hoặc nạp quá lớn; ắc quy lắp đặt lỏng lẻo, bị rung sóc va đập mạnh

- Nổ bình ắc quy: do các lỗ thông hơi bị bịt kín hoặc do tác động

đột ngột của nhiệt độ (như khi hàn đắp các đầu cực mà không mở nút ắc quy ra)

Trang 36

2.2 Máy phát

2.2.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

2.2.1.1 Công dụng:

Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhiệm vụ:

- Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải;

- Nạp điện cho ắc quy

ở các số vòng quay trung bình và lớn của động cơ

2.2.1.2 Phân loại:

- Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có

thể chia làm hai loại chính:

+ Máy phát điện một chiều;

+ Máy phát điện xoay chiều

- Máy phát điện một chiều, theo tính chất điều chỉnh chia ra:

+ Loại điều chỉnh trong (bằng chổi điện thứ ba);

+ Loại điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo)

Các máy phát điện một chiều loại điều chỉnh trong có kết cấu đơn giản, có khả năng hạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo số vòng quay Tuy vậy nó có nhiều nhược điểm như:

- Phải luôn luôn nối mạch điện với ắc quy chúng mới làm việc

được;

- Cản trở việc điều chỉnh thế hiệu của máy phát;

- Làm giảm tuổi thọ của ắc quy

Do đó loại máy phát này hiện nay ít thấy Vì vậy giáo trình chỉ đề cập đến loại máy phát điều chỉnh ngoài

- Máy phát điện xoay chiều, theo ph ương pháp kích thích chia ra:

+ Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu;

+ Loại kích thịc kiểu điện từ (bằng nam châm điện)

2.2.1.3 Yêu cầu:

Máy phát điện trên ô tô máy kéo làm việc trong những điều kiện

đặc biệt, vì thế chúng phải đáp ứng được các yêu cầu chính sau:

- Chịu được rung sóc bụi bẩn và làm việc tin cậy trong môi trường

có nhiệt độ cao, có nhiều hơi dầu mỡ nhiên liệu;

- Tuổi thọ cao;

- Kích thước và trọng lượng nhỏ, giá thành thấp

So với máy phát một chiều thì máy phát xoay chiều có nhiều ưu

điểm hơn, vì nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn

2.2.2 Máy phát điện một chiều

2.2.2.1 Cấu tạo:

Cấu tạo của máy phát điện một chiều điển hình như trên hình 2.33,

36

Trang 37

bao gồm các bộ phận sau:

+ Phần cảm (Stato) gồm: vỏ máy, các má cực trên quấn cuộn dây kích thích

bằng cách uốn thép tấm thành ống rồi hàn lại Trên vỏ có các cửa sổ để thông gió, kiểm tra và lắp các chổi điện

thép ít các bon và bắt chặt vào vỏ máy bằng các vít Quanh má cực quấn cuộn dây kích thích bằng dây đồng tiết diện tròn với một hoặc hai lớp sơn cách điện

1- Cửa thông gió; 2- Puli dẫn động; 3 và 6- Các nắp trước

Trang 38

+ Phần ứng (Rôto) gồm: trục máy phát điện, khối thép từ được chế tạo bằng cách ép chặt các lá thép điện kỹ thuật dày 0,5 1,0 mm, có hình dạng đặc biệt lên trục, sao cho các chỗ khuyết của chúng tạo thành rãnh để lắp đặt các khung dây

+ Cuộn dây phần ứng: là tập hợp rất nhiều khung dây được quấn vào các rãnh của khối thép từ sau khi đã lót lớp cách điện Các đầu khung dây

được hàn vào các phiến đồng của vành đổi điện

Cuộn dây rô to có thể được quấn theo hai phương pháp: quấn xếp hoặc quấn sóng

+ Vành đổi điện: gồm nhiều phiến đồng có dạng đặc biệt ghép xen

kẽ với các tấm mica cách điện hoặc nhựa cách điện cao cấp Vành đổi điện được

chế tạo bằng hai phương pháp: lắp ghép (hình 2.35) hoặc đúc với nhựa thành khối

liền (hình 2.36) rồi lắp chặt lên trục máy phát điện

điện cách điện bằng mê ca

1- Mica cách điện; 2- Phiến đồng; 3- ống thép; 4- Côn

xo

Trang 39

Giá đỡ chổi điện: được lắp trên nắp hoặc vỏ máy Một nửa số giá

đỡ được lắp cách điện với mát, nửa còn lại nối với mát

Để giảm tia lửa điện sinh ra khi máy phát làm việc, chổi điện được lắp như trên hình 2.37: tức là không lắp theo chiều hướng kính mà chếch đi một góc khoảng 26O 28O và tỳ sát vào thành dẫn hướng phía trước Với cách lắp như vậy, khi rôto quay: lực ma sát từ phía vành đổi điện tác dụng lên chổi điện sẽ làm giảm áp lực và ma sát giữa chổi điện và thành dẫn hướng Đồng thời, sự tiếp xúc giữa vành đổi điện và chổi điện được đảm bảo tốt hơn, ít bị mất tiếp xúc do rung

động nên giảm được tia lửa hồ quang chỗ tiếp xúc

Chổi điện: được chế tạo từ hỗn hợp grafít, đồng và các chất phụ khác có tác dụng giảm điện trở và tăng khả năng chịu mài mòn của chổi

ổ bi: rô to của máy phát được đặt trên hai ổ bi lắp ở hai nắp Các ổ

bi được bôi trơn bằng mỡ đặc Để giảm tiếng ồn, một số kết cấu có thể thay ổ bi bằng ổ trượt

Dẫn động máy phát: được thực hiện từ trục khuỷu động cơ thông qua puli và đai truyền Trên puli có thể làm các cánh quạt gió để làm mát máy phát

a Đặc tính tự kích thích: là đồ thị biểu diễn quan hệ Umf=f(n) với những dòng điện tải (Imf) khác nhau (hình 2.38a)

Đặc tính này cho phép đánh giá hiệu suất sử dụng mạch từ của máy phát Khi số vòng quay tăng lên thì thế hiệu máy phát tăng theo Số vòng quay mà tại đó thế hiệu của máy phát đạt đến giá trị định mức được gọi là số vòng quay ban

Trang 40

Rõ ràng số vòng quay ban đầu tăng theo mức tải của máy phát và máy phát nào có số vòng quay ban đầu nhỏ hơn thì chất lượng sử dụng mạch từ cao hơn và khả năng nạp ắc quy tốt hơn

b Đặc tính ngoài: là các đường biểu diễn quan hệ Umf=f(Imf) khi n=const (hình 2.39)

của máy phát điện một chiều

n0 < n1 < n2 < n3

Đặc tính này liên quan đến qua strình sử dụng và các phương án

điều chỉnh thế hiệu và dòng điện của máy phát Từ đồ thị có thể thấy rằng: khi tăng số vòng quay của máy phát, đặc tính ngoài của nó có xu hướng dịch lên trên

và sang phải Song ở mỗi số vòng quay khi dòng điện tải tăng thì thế hiệu của nó giảm và quá các điểm tới hạn thì thế hiệu máy phát giảm rất nhanh đến không

c Đặc tính tải: là đồ thị biểu diễn quan hệ Imf=f(n) (hình 2.40) Nó cho phép đánh giá khả năng làm việc của máy phát khi có tải ở những số vòng quay khác nhau