Ắc quy khởi động I. Nhiệm vụ, yêu cầu của ắc quy khởi động 1.1 Nhiệm vụ Dùng khởi động cơ ở một tốc độ tối thiểu tạo ra moment lớn để quay động cơ. ắc quy khởi động còn cung cấp điện cho các tải điện quan trọng khác trong hệ thống điện, cung cấp từng phần hoặc toàn bộ trong trường hợp động cơ chưa làm việc hoặc đã làm việc mà máy phát điện chưa phát đủ công suất (động cơ đang làm việc ở chế độ số vòng quay thấp): cung cấp điện cho đèn đậu (parking lights), radio cassette, CD, các bộ nhớ (đồng hồ, hộp điều khiển…), hệ thống báo động… Ngoài ra, ắc quy còn đóng vai trò bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ô tô khi điện áp máy phát dao động. 1.2 Yêu cầu Ắc quy cung cấp điện khi: Động cơ ngừng hoạt động: Điện từ bình ắc quy được sử dụng để chiếu sáng, dùng cho các thiết bị điện phụ, hoặc là các thiết bị điện khác khi động cơ không hoạt động. Động cơ khởi động: Điện từ bình ắc quy được dùng cho máy khởi động và cung cấp dòng điện cho hệ thống đánh lửa trong suốt thời gian động cơ đang khởi động. Việc khởi động xe là chức năng quan trọng nhất của ắc quy. Động cơ đang hoạt động: Điện từ bình ắc quy có thể cần thiết để hỗ trợ cho hệ thống nạp khi nhu cầu về tải điện trên xe vượt qua khả năng của hệ thống nạp. Cả ắc quy và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao. II. Cấu tạo hoạt động của ắc quy Một bình ắc quy trên ô tô bao gồm một dung dịch acid sunfuric loãng và các bản cực âm, dương. Khi các bản cực được làm từ chì hoặc vật liệu có nguồn gốc từ chì thì nó được gọi là ắc quy chìacid. Một bình ắc quy được chia thành nhiều ngăn (ắc quy trên ô tô thường có 6 ngăn), mỗi một ngăn có nhiều bản cực, tất cả được nhúng trong dung dịch điện phân. Hình 1: Cấu tạo ắc quy 1.1 Cấu tạo của một ngăn Cơ sở cho hoạt động của ắc quy là các ngăn của ắc quy. Các bản cực âm và bản cực dương được nối riêng rẽ với nhau. Các nhóm bản cực âm và bản cực dương này được đặt xen kẽ với nhau và ngăn cách bằng các tấm ngăn có lỗ thông nhỏ. Kết hợp với nhau, các bản cực và tấm ngăn tạo nên một ngăn của ắc quy. Việc kết nối bản cực theo cách này tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân. Điều đó cho phép cung cấp một lượng điện nhiều hơn. Mặt khác dung lượng của bình ắc quy tăng lên vì diện tích bề mặt tăng lên. Càng nhiều diện tích bề mặt đồng nghĩa với việc ắc quy cung cấp điện nhiều hơn. Hình 2. Cấu tạo một ắc quy đơn 1.1.1 Bản cực Bản cực ắc quy được cấu trúc từ một khung sườn làm bằng hợp kim chì có chứa Antimony hay Canxi. Khung sườn này là một lưới phẳng, mỏng. Lưới tạo nên khung cần thiết để dán vật liệu hoạt tính lên nó, cả ở bản cực âm và bản cực dương. Vật liệu hoạt tính được dán lên ở bản cực dương là chì oxide (PbO2) và ở bản cực âm là chì xốp (Pb). Hình 3. Chất điện phân Hình 4. Cấu tạo bản cực 1.1.2 Chất điện phân Chất điện phân trong bình ắc quy là hỗn hợp 36% acid sulfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O). Dung dịch điện phân trên ắc quy ngày nay có tỷ trọng là 1.270 (ở 200 C) khi nạp đầy. Tỷ trọng là trọng lượng của một thể tích chất lỏng so sánh với trọng lượng của nước với cùng một thể tích. Tỷ trọng càng cao thì chất lỏng càng đặc. 1.2 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) bên ngoài vỏ. Hình 5. Vỏ ắc quy Hình 6. Nắp thông hơi Hình 7. Dãy nắp thông hơi 1.3. Nắp thông hơi Nắp thông hơi chụp trên các lỗ để thêm dung dịch điện phân. Nắp thông hơi được thiết kế để hơi acid ngưng tụ và rơi trở lại ắc quy và cho phép hydrogene bay hơi. 1.4. Cọc ắc quy Có 3 loại cọc bình ắc quy được sử dụng, loại đỉnh, loại cạnh và loại L. Loại trên đỉnh thông dụng nhất trên ô tô. Loại này có cọc được vát xiêng. Loại cạnh là loại đặc trưng của hãng General Motors, loại L được dùng trên tàu thuỷ. Hình 8. Cọc ắc quy Đầu kẹp ắc quy: Đầu kẹp cáp của ắc quy có thể làm bằng thép hoặc chì tuỳ thuộc vào nhà chế tạo. Hình 9. Kí hiệu cọc ắc quy – đầu kẹp ắc quy 2. Hoạt động của ắc quy 2.1 Hoạt động của một ngăn Hai kim loại không giống nhau đặt trong dung dịch acid sẽ sinh ra hiệu điện thế giữa hai cực. Cực dương làm bằng chì oxide PbO2, cực âm làm bằng chì Pb. Dung dịch điện phân là hỗn hợp acid sunfuric và nước. Chúng tạo nên một phần tử của ngăn. Hình 10: Hoạt động ắc quy Quá trình phóng, nạp Điện áp ắc quy ắc quy chứa điện ở dạng hoá năng. Thông qua phản ứng hoá học, ắc quy sinh ra và giải phóng điện vì các nhu cầu của hệ thống điện và các thiết bị điện. Khi ắc quy mất đi hoá năng trong quá trình này, ắc quy cần được nạp điện lại bằng máy phát. Bằng dòng điện ngược đi qua ắc quy, quá trình hoá học được phục hồi, vì vậy nạp cho bình ắc quy. Chu trình phóng nạp được lặp lại liên tục và được gọi là chu trình của ắc quy. Mỗi một ngăn có điện áp xấp xỉ 2.1V không xét đến kích cỡ và số lượng các bản cực. ắc quy trên ô tô có 6 ngăn nối tiếp với nhau, sinh ra điện áp 12.6 V. 2.2 Các quá trình điện hóa trong ắc quy Trong ắc quy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện, và được thể hiện dưới dạng phương trình sau: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O Trong quá trình phóng điện, hai bản cực từ PbO2 và Pb biến thành PbSO4. Như vậy khi phóng điện, axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat chì, còn nước được tạo ra, do đó, nồng độ dung dịch H2SO4 giảm. Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân trong quá trình phóng và nạp là một trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của ắc quy trong sử dụng. Quá trình phóng điện Bản cực âm Dung dịch điện phân Bản cực dương Chất ban đầu Pb 2H2SO4 + 2H2O PbO2 Quá trình ion hóa SO4 , SO4 ,4H+ 4OH Pb++++ Quá trình tạo dòng Pb++ 2 e Pb+++2e Chất được tạo ra PbSO4 4H2O 2H2O 2H2O PbSO4 Bảng 1. Quá trình phóng điện Quá trình nạp điện Bản cực âm Dung dịch điện phân Bản cực dương Chất được tạo ra cuối quá trình phóng PbSO4 4H2O PbSO4 Quá trình ion hóa Pb++, SO4 2H+, 4OH , 2H+ SO4 , Pb++ Quá trình tạo dòng + Pb++++ Chất ban đầu Pb 2H2O H2SO4 H2SO4 PbO2 Bảng 2. Quá trình nạp điện 3. Thông số ắc quy chìaxit 3.1 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. 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 + 25oC E0 : sức điện động tĩnh của ắc quy đơn (tính bằng volt)
Ắc quy khởi động I Nhiệm vụ, yêu cầu ắc quy khởi động 1.1 Nhiệm vụ Dùng khởi động tốc độ tối thiểu tạo moment lớn để quay động ắc quy khởi động cung cấp điện cho tải điện quan trọng khác hệ thống điện, cung cấp phần toàn trường hợp động chưa làm việc làm việc mà máy phát điện chưa phát đủ công suất (động làm việc chế độ số vòng quay thấp): cung cấp điện cho đèn đậu (parking lights), radio cassette, CD, nhớ (đồng hồ, hộp điều khiển…), hệ thống báo động… Ngoài ra, ắc quy cịn đóng vai trị lọc ổn định điện hệ thống điện ô tô điện áp máy phát dao động 1.2 Yêu cầu Ắc quy cung cấp điện khi: - Động ngừng hoạt động: Điện từ bình ắc quy sử dụng để chiếu sáng, dùng cho thiết bị điện phụ, thiết bị điện khác động không hoạt động - Động khởi động: Điện từ bình ắc quy dùng cho máy khởi động cung cấp dòng điện cho hệ thống đánh lửa suốt thời gian động khởi động Việc khởi động xe chức quan trọng ắc quy - Động hoạt động: Điện từ bình ắc quy cần thiết để hỗ trợ cho hệ thống nạp nhu cầu tải điện xe vượt qua khả hệ thống nạp Cả ắc quy máy phát cấp điện nhu cầu đòi hỏi cao II Cấu tạo hoạt động ắc quy Một bình ắc quy tơ bao gồm dung dịch acid sunfuric loãng cực âm, dương Khi cực làm từ chì vật liệu có nguồn gốc từ chì gọi ắc quy chì-acid Một bình ắc quy chia thành nhiều ngăn (ắc quy ô tô thường có ngăn), ngăn có nhiều cực, tất nhúng dung dịch điện phân Hình 1: Cấu tạo ắc quy 1.1 Cấu tạo ngăn Cơ sở cho hoạt động ắc quy ngăn ắc quy Các cực âm cực dương nối riêng rẽ với Các nhóm cực âm cực dương đặt xen kẽ với ngăn cách ngăn có lỗ thơng nhỏ Kết hợp với nhau, cực ngăn tạo nên ngăn ắc quy Việc kết nối cực theo cách tăng bề mặt tiếp xúc vật liệu hoạt tính chất điện phân Điều cho phép cung cấp lượng điện nhiều Mặt khác dung lượng bình ắc quy tăng lên diện tích bề mặt tăng lên Càng nhiều diện tích bề mặt đồng nghĩa với việc ắc quy cung cấp điện nhiều Hình Cấu tạo ắc quy đơn 1.1.1 Bản cực Bản cực ắc quy cấu trúc từ khung sườn làm hợp kim chì có chứa Antimony hay Canxi Khung sườn lưới phẳng, mỏng Lưới tạo nên khung cần thiết để dán vật liệu hoạt tính lên nó, cực âm cực dương Vật liệu hoạt tính dán lên cực dương chì oxide (PbO2) cực âm chì xốp (Pb) Hình Chất điện phân Hình Cấu tạo cực 1.1.2 Chất điện phân Chất điện phân bình ắc quy hỗn hợp 36% acid sulfuric (H2SO4) 64% nước cất (H2O) Dung dịch điện phân ắc quy ngày có tỷ trọng 1.270 (ở 200 C) nạp đầy Tỷ trọng trọng lượng thể tích chất lỏng so sánh với trọng lượng nước với thể tích Tỷ trọng cao chất lỏng đặc 1.2 Vỏ ắc quy Vỏ ắc quy giữ điện cực ngăn riêng rẽ bình ắc quy Nó chia thành phần hay ngăn Các cực đặt gờ đỡ, giúp cho cực không bị ngắn mạch có vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy ắc quy Vỏ làm từ polypropylen, cao su cứng, plastic Một vài nhà sản xuất làm vỏ ắc quy nhìn xun qua để nhìn thấy mực dung dịch điện phân mà không cần mở nắp ắc quy Đối với loại thường có hai đường để mực thấp (lower) cao (upper) bên ngồi vỏ Hình Vỏ ắc quy Hình Nắp thơng Hình Dãy nắp thơng 1.3 Nắp thông Nắp thông chụp lỗ để thêm dung dịch điện phân Nắp thông thiết kế để acid ngưng tụ rơi trở lại ắc quy cho phép hydrogene bay 1.4 Cọc ắc quy Có loại cọc bình ắc quy sử dụng, loại đỉnh, loại cạnh loại L Loại đỉnh thông dụng ô tô Loại có cọc vát xiêng Loại cạnh loại đặc trưng hãng General Motors, loại L dùng tàu thuỷ Hình Cọc ắc quy Đầu kẹp ắc quy: Đầu kẹp cáp ắc quy làm thép chì tuỳ thuộc vào nhà chế tạo Hình Kí hiệu cọc ắc quy – đầu kẹp ắc quy Hoạt động ắc quy 2.1 Hoạt động ngăn Hai kim loại không giống đặt dung dịch acid sinh hiệu điện hai cực Cực dương làm chì oxide PbO2, cực âm làm chì Pb Dung dịch điện phân hỗn hợp acid sunfuric nước Chúng tạo nên phần tử ngăn Hình 10: Hoạt động ắc quy - Q trình phóng, nạp - Điện áp ắc quy ắc quy chứa điện dạng hoá Thơng qua phản ứng hố học, ắc quy sinh giải phóng điện nhu cầu hệ thống điện thiết bị điện Khi ắc quy hố q trình này, ắc quy cần nạp điện lại máy phát Bằng dòng điện ngược qua ắc quy, q trình hố học phục hồi, nạp cho bình ắc quy Chu trình phóng nạp lặp lại liên tục gọi chu trình ắc quy Mỗi ngăn có điện áp xấp xỉ 2.1V khơng xét đến kích cỡ số lượng cực ắc quy tơ có ngăn nối tiếp với nhau, sinh điện áp 12.6 V 2.2 Các trình điện hóa ắc quy Trong ắc quy thường xảy hai q trình hóa học thuận nghịch đặc trưng q trình nạp phóng điện, thể dạng phương trình sau: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O Trong q trình phóng điện, hai cực từ PbO2 Pb biến thành PbSO4 Như phóng điện, axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat chì, cịn nước tạo ra, đó, nồng độ dung dịch H2SO4 giảm Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân q trình phóng nạp dấu hiệu để xác định mức phóng điện ắc quy sử dụng Q trình phóng điện Bản cực âm Chất ban đầu Pb Q trình ion hóa Q trình tạo dịng Dung dịch điện phân Bản dương 2H2SO4 + 2H2O PbO2 SO4- -, SO4- -,4H+ 4OH - Pb++++ Pb++ - e- cực Pb+++2e4H2O Chất tạo PbSO4 -2H2O 2H2O PbSO Bảng Q trình phóng điện Q trình nạp điện Bản cực âm Chất tạo cuối trình phóng PbSO4 Q trình ion hóa Pb++, SO4- - Q trình tạo dịng Dung dịch điện phân Bản cực dương 4H2O PbSO 2H+, 4OH -, 2H+ SO4- -, Pb++ + Chất ban đầu Pb++++ 2H2O Pb H2SO4 H2SO4 PbO2 Bảng Q trình nạp điện Thơng số ắc quy chì-axit 3.1 Sức điện động ắc quy Sức điện động ắc quy phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch điện hai cực khơng có dịng điện ngồi - Sức điện động ngăn ea = + - - (V) - Nếu ắc quy có n ngăn Ea = n.ea Sức điện động phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, thực tế xác định theo cơng thức thực nghiệm: E0 = 0,85 + 25oC E0 : sức điện động tĩnh ắc quy đơn (tính volt) : nồng độ dung dịch điện phân tính (g/cm3) quy + 25oC oC = đo – 0,0007(25 – t) 25 t : nhiệt độ dung dịch lúc đo đo : nồng độ dung dịch lúc đo 3.2 Hiệu điện ắc quy - Khi phóng điện: Up = Ea - Ra.Ip - Khi nạp điện: Un = Ea + Ra.In Trong đó: Ip - cường độ dịng điện phóng In - cường độ dịng điện nạp Ra - điện trở ắc quy 3.3 Điện trở ắc quy Raq = R điện cực + R cực + R ngăn + R dung dịch Điện trở ắc quy phụ thuộc chủ yếu vào điện trở điện cực dung dịch Pb PbO2 có độ dẫn điện tốt PbSO4 Khi nồng độ dung dịch điện phân tăng, có mặt ion H+ SO42- làm giảm điện trở dung dịch Vì điện trở ắc quy tăng bị phóng điện giảm nạp Điện trở ắc quy phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ thấp, ion dịch chuyển chậm dung dịch nên điện trở tăng 3.4 Dung lượng ắc quy Lượng điện mà ắc quy cung cấp cho phụ tải giới hạn phóng điện cho phép gọi dung lượng ắc quy Q = Ip.tp (A.h) Như dung lượng ắc quy đại lượng biến đổi phụ thuộc vào chế độ phóng điện Người ta đưa khái niệm dung lượng định mức ắc quy Q5, Q10, Q20 mang tính quy ước ứng với chế độ phóng điện định chế độ giờ, 10 giờ, 20 phóng điện nhiệt độ +30oC Các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng ắc quy: • Khối lượng diện tích chất tác dụng cực • Dung dịch điện phân • Dịng điện phóng • Nhiệt độ mơi trường • Thời gian sử dụng Dung lượng ắc quy phụ thuộc lớn vào dịng phóng Phóng dịng lớn dung lượng giảm, tuân theo định luật Peukert = const Trong đó: n số tùy thuộc vào loại ắc quy (n = 1,4 ắc quy chì) III Kiểm tra bảo dưỡng ắc quy 1.1 Kiểm tra mắt - Kiểm tra nứt vỏ gãy cọc ắc quy Điều làm rị rỉ dung dịch điện phân Nếu bị, thay bình ắc quy - Kiểm tra đứt cáp hay mối nối thay cần thiết - Kiểm tra ăn mòn cọc ắc quy, chất bẩn acid mặt ắc quy Nếu cọc bị ăn mòn nghiêm trọng phải sử sụng chổi kim loại - Kiểm tra giá giữ ắc quy siết lại cần - Kiểm tra mực dung dịch điện phân ắc quy Nhìn từ bên ngồi hay mở nắp Thêm vào nước cất cần, đừng đổ tràn - Kiểm tra dung dịch điện phân có bị mờ hay biến màu không, nguyên nhân nạp dao động Thay bình ắc quy Hình 11: Kiểm tra mắt 1.2 Kiểm tra tình trạng sạc Tình trạng sạc ắc quy dễ dàng kiểm tra cách sau: Kiểm tra tỉ trọng Kiểm tra điện áp hở mạch Hình 12 Kiểm tra điện áp hở mạch • Bật đèn đầu lên pha vài phút để loại bỏ nạp bề mặt • Tắt đèn đầu nối đồng hồ qua hai cực bình ắc quy • Đọc giá trị điện áp Một bình ắc quy nạp đầy có giá trị 12.6 V Ngược lại bình ắc quy hỏng điện áp 12V 1.3 Kiểm tra khả chịu tải nặng ắc quy Khi kiểm tra tình trạng sạc bình ắc quy, không cho biết khả cung cấp dòng khởi động động Kiểm tra khả chịu tải nặng ắc quy cho biết khả phân phối dòng điện ắc quy Hình 13 Kiểm tra khả chịu tải nặng Trước kiểm tra tải nặng phải xác định dung lượng bình ắc quy Dung lượng bình ắc quy ghi nhãn bình Nó biểu diễn CCA (Cold Cranking Amps) hay AH (Amp-Hour) Qui trình kiểm tra khả chịu tải nặng: • Lắp đặt thử tải • Tăng tải lên núm điều khiển đến khoảng gấp lần AH hay nửa CCA • Duy trì tải khơng q 15s, ghi nhận giá trị điện áp • Nếu điện áp đọc • 9.6V hay cao hơn, bình ắc quy cịn tốt • 9.5V hay thấp hơn, bình ắc quy có khiếm khuyết cần thay ... 10: Hoạt động ắc quy - Q trình phóng, nạp - Điện áp ắc quy ắc quy chứa điện dạng hoá Thơng qua phản ứng hố học, ắc quy sinh giải phóng điện nhu cầu hệ thống điện thiết bị điện Khi ắc quy hố q... Thơng số ắc quy chì-axit 3.1 Sức điện động ắc quy Sức điện động ắc quy phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch điện hai cực khơng có dịng điện ngồi - Sức điện động ngăn ea = + - - (V) - Nếu ắc quy có... thuộc vào loại ắc quy (n = 1,4 ắc quy chì) III Kiểm tra bảo dưỡng ắc quy 1.1 Kiểm tra mắt - Kiểm tra nứt vỏ gãy cọc ắc quy Điều làm rị rỉ dung dịch điện phân Nếu bị, thay bình ắc quy - Kiểm tra