2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ẮC QUY. 2.1. Cấu tạo. 2.1. Cấu tạo.
Gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch a xít sulfuaric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là
điôxít chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang,
chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc - Quy. Thông
thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng
diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình ắc quy này là dung dịch xít sunfuaric. Nồng độ của
dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình.
* Vỏ bình.
Làm bằng nhựa có độ bền cao và thường là nhựa trong suốt, vỏ bình bên ngoài loại này có 2 vạch, một vạch màu đỏ chỉ mức dụng dịch tối đa (upper level) và một
vạch chỉ mức dung dịch tối thiểu (lower level). Bình được chia làm 3 hay 6 ngăn, đáy
bình có các sống để đở các bản cức dương và âm, khoảng trống giữa các sống là nơi
chứa các chất hoạt tính rụng xuống để không làm nối tắt giữa các bản cực.
* Nắp bình.
Làm bằng nhựa có độ cứng cao, ngày nay nắp bình được làm liền thành một
khối, thông thường mỗi ngăn có 1 lỗ để đổ dung dịch axít sunfuric. Nút đậy được làm bằng nhựa có roăng cao su làm kín, trên nút có 1 lỗ thông hơi nhỏ. Tại ngăn đầu và
ngăn cuối thò ra hai cọc cực, tương dương với cọc dương (+) và cọc âm (-). * Bản cực.
Xương bản cực (lưới) được làm từ hợp kim chì - antimoan hoặc hợp kim chì -
canxi để tăng độ cứng của bản cực, để ngiảm hiện tượng tự phóng điện và giảm việc
bổ sung nước. Ngày nay, các nhà sản xuất đã giảm lượng antimoan trong bản cực hoặc
thay thế chúng bằng kim loại khác ví dụ như canxi. Để tăng dung lượng của bình ắc- quy thì nhà sản xuất đã đưa bản cực âm chát vào chì nguyên chất (Pb), còn bản cực dương chát vào peôxit chì (PbO2) là chất có độ bề và dộ xốp cao. Các bản cực cùng dấu được hàn thành chùm cực.
* Tấm cách ly.
Nhằm chống chạm chập giữa hai bản cực dương và âm. Tấm cách ly được chế
tạo bằng nhựa đặc biệt, có chiều dày 1,5 - 2,4 mm, mặt phẳng hướng về phía cực âm còn mặt có đường sống hướng về phía cực dương và theo phương thẳng đứng.
Hình 4.1. Cấu tạo ắc-quy kiểu cũ.
1. võ bình; 2. Tấm cực âm; 3. Đầu cực của một nhóm; 4. Các đầu nối; 5. Nắp; 6. Các đầu nối; 7. Tấm cực dương.
Hình 4.2. Cấu tạo ắc-quy kiểu mới.
1. Nắp; 2. Cực âm; 3. Cầu nối; 4. Cực dương;
5. Vách ngăn; 6. Tấm cực dương; 7 Tấm cực âm; 8. Tấm cách
2.2. Nguyên tắc hoạt động. 2.2.1. Nguyên tắc hoạt động.
- Bản chất dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion âm và ion dương.
- Hiện tượng chuyển đổi năng lượng hoá học thành năng lượng điện được gọi là
phóng điện, và ngược lại hiện tượng chuyển đổi năng lượng điện thành hoá học được
gọi là nạp điện.
Hình 4.3. Nguyên tắc hoạt động của bình ắc quy.
* Quá trình nạp điện.
Các cực dương của ắc-quy được nối với cực dương của nguồng điện một chiều,
cực âm của ắc-quy được nối với cực âm của nguồn điện.
Phản ứng nạp điện xẩy ra như sau:
Tại bản cực dương.
Tại bản cực âm.
PbSO4 + H2O = Pb + H2SO4.
Trong quá trình nạp dung dịch chất điện phân có tỷ trọng tăng dần, nước bị giảm
dần. Bản cựcdương trở thành peôxit chì có màu nâu, bản cực âm trở thành chì nguyên chất có màu xám.
Hình 4.4. Quá trình nạp điện.
1. Vỏ bình; 2. Bản cực dương;
3. Máy phát điện một chiều; 4. Bản cực âm; 5. Tỉ trọng kế.
Khi ắc-quy nạp đã đầy điện ta thấy dung dịch điện phân sủi tăm li ti, vì lúc đó nước
bị điện ly thành hydro và ôxy, khí hydro nhẹ hơn bay lên trên tạo thành những hạt nhỏ
ly ti. Nếu ta tiếp tục nạp thì dung dịch sẽ nhanh cạn xuống, làm nồng độ dụng dịch tăng lên.
* Quá trình phóng điện
Bản cực dương PbO2, bản cực âm chì Pb tác dụng với dung dịch a xít sunfuric
H2SO4 cùng tạo thành sunfat chì PbSO4, làm cho hai bản cực ngày càng giống nhau, khi đó hiệu điện thế giữa hai bản cực giảm đi, nồng độ dung dịch giảm đi.
Quá trình phóng điện qua phụ tải bóng đèn diễn ra như sau:
Phản ứng phóng điện xẩy ra như sau:
+ Tại bản cực dương: PbO2 + H2SO4 = PbSO4 + H2O. + Tại bản cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O.
Để đảm bảo tuổi thọ cho ắc-quy, thời gian khởi động động cơ chi cho phép không vượt quá 10 giây và khoảng cách giữa hai lần khởi động liên tiếp ít nhất làn 15 giây. Bởi vậy, khi khởi động động cơ ắc-quy phải phóng một cường độ dòng điện có cường độ rất lớn, nếu thời gian phóng quá dài sẽ dẫn tới bản cực bị chai cứng bề mặt do một
lớp chì sunfat. Khi đó bản cực bị sun fát hoá và không xảy ra phản ứng thuận.
2.2.2. Các thông số kỷ thuật.
Bảng thông số kỹ thuật của một số ắc-quy dùng trên ôtô. Ký hiệu Dung lượng định mức (Ah) Điện áp định mức (V) Nạp theo chế độ dòng Dòng nạp Thời gian (A) (h) Nạp theo chế độ điện áp thời gian (h) Điện áp ngừng phóng điện của 1 nguồn (v) Việt Nam 60T- 112 112 12 8 60-70 12-16 1,7 Liên Xô (cũ) 6CT- 68 68 12 10 60-70 15-20 1,7 Mỹ, Nhật Bản 12- 45AH 45 12 10 40-50 15 2 12- 55AH 45 12 10 40-50 15 2 12- 66AH 66 12 10 40-50 15 2 a. Suất điện động ắc-quy. E = 0,85 + (v).
Suất điện động ắc-quy phụ thuộc vào: - Bản cực: Mức độ nạp hoặc phóng điện.
- Nồng độ … của dung dịch chất điện phân nếu ở nhệt độ 150…= 1,30 g/cm3 thì E= 0,85 + 1,30 = 2,15 v.
b. Dung lượng ắc-quy.
Nếu (A.h) là điện lượng của ắc-quy tích trử được tính bằng ampe- giờ, ta có công
thức:
Dung lượng ắc-quy: Q= Ip.tp.
Trong đó: Q: Dung lượng ắc-quy (A.h). Ip: Dòng điện phóng (Ampe).
Khi điện áp ắc-quy đến 1,7 vôn thì ngừng phóng điện. Nếu Ip càng lớn thì thời gian để đến điện áp giới hạn càng ngắn. Do đó dung lượng ắc-quy là một trị số thay đổi. Ở
chế độ phóng 5 giờ, 10 giờ; 20 giờ thì ghi là Q5, Q10, Q20.
Ví dụ: Với ắ-quy 12V – 100Ah, thì phóng với dòng điện 10A và được 10 giờ.
2.2.3. Nạp điện cho ắc-quy.
Ắc quy mới lắp hoặc sau khi sửa chữa thay thế bản cực xong, phải nạp hình
thành. Sau khi đã đổ dung dịch vào các bình ắc quy phải để cho ắc quy ổn định từ 2 đến 4 giờ mới được nạp.
+ 0.05 g/cm³ ở nhiệt độ 20Chất điện phân đổ vào bình phải có tỷ trọng 1,18 độ C. Sau khi rót vào thì tỷ trọng chất điện phân có giảm xuống đôi chút. Sau đó vài giờ, tỷ trọng chất điện phân lại bắt đầu tăng lên trở lại. Đó là hiện tượng bình thường.
+ Kiểm tra lại việc đấu dây: cực dương của máy nạp phải đấu với cực dương
của ắc quy, tương tự, cực âm của máy nạp phải được nối với cực âm của ắc quy.
* Nạp hình thành ắc quy chì.
Việc nạp hình thành ắc quy được tiến hành theo các bước:
Nạp liên tục cho đến khi truyền cho ắc quy từ 4 đến 5 lần định mức. Không được gián đoạn trong thời gian này.
Ngừng nạp 1 giờ cho các ngăn ắc quy ổn định. Trong thời gian này, tiến hành kiểm tra và sửa chữa các bình bị hư hỏng.
Nạp tiếp tục cho đến khi khí thoát mạnh ở tất cả các bình.
Lập lại các bước 2 và 3. Như vậy sau mỗi lần nạp và nghỉ xen kẽ 1 giờ, ắc quy
sẽ được truyền thêm 1 lần dung lượng định mức. Quá trình nạp, nghỉ xen kẽ như vậy
tiến hành cho đến khi truyền cho ắc quy từ 8 đến 10 lần dung lượng định mức.
* Kết thúc giai đoạn nạp hình thành: được xác định theo các điều kiện sau:
- Điện thế ắc - Quy đạt tới 2,5 - 2,75 vôn.
- Tỷ trọng chất điện phân bằng 1,205 +/- 0,005 g/cm³ ở 20 độ C và không thay
đổi trong 3 đến 4 giờ.
- Bốc hơi đều trên các tấm cực dương và âm ở tất cả các bình.
Ghi chú: trước khi thực hiện chương trình này, phải lập chương trình thật cụ
thể, để việc thực hiện được chính xác. Chất lượng và tuổi thọ sau này của bình phụ
thuộc rất nhiều vào việc nạp hình thành ban đầu. Không được để quá nạp, vì bản cực
sẽ bị sunfat hoá, làm giảm tuổi thọ của ắc quy.
Dòng điện nạp không được quá 0,1 lần dung lượng định mức. Nhiệt độ chất điện phân không được vượt quá 40 độ C. Nếu nhiệt độ vượt quá trị số này thì phải ngưng nạp để hạ nhiệt độ. Tuy nhiên, vào giai đoạn đầu khi chưa truyền cho ắc quy đủ
4 đến 5 lần dung lượng định mức không được phép ngừng nạp, mà chỉ giảm dòng nạp cho đến khi nhiệt độ ổn định. Như vậy, thời gian nạp phải tăng lên tương ứng để để
bảođảm dung lượng nạp.
Điều chỉnh tỷ trọng và mức dung dịch chất điện phân
Cuối thời gian nạp, tỷ trọng của chất điện phân quy về 20 độ C cần phải là 1,205 +/- 0,005 g/cm³. Hệ số hiệu chỉnh Tỷ trọng chất điện phân bằng - 0,001 độ F hoặc 1,67 độ C. Sau khi nạp, ở một số bình, có thể có tỷ trọng g/cm³ cho mỗi 3 trọng
khác biệt hẳn so với quy định. Khi thấy tỷ trọng cao hơn phải làm giảm bằng cách rút
ra một lượng dung dịch chất điện phân và thay vào đó một lượng nước cấttương ứng. Sau đó tiếp tục nạp thêm 3 giờ nữa rồi kiểm tra lại. Cứ thế tiếp tục cho đến khi đạt được tỷ trọng quy định.
Khi vận hành bình thường, nếu tỷ trọng thấp hơn quy định tới 0,02 g/cm³ thì cần tiến hành nạp cân bằng. Nếu mức dung dịch cạn gần bằng mức tối thiểu, thì dùng
nước cất bổ sung cho đến khi bằng mức tối đa, sau đó tiến hành nạp cân bằng để làm
đồng nhất chất điện phân.
Để hiệu chỉnh Tỷ trọng chất điện phân, cần thực hiện như sau:
- Đo nhiệt độ, mức, và Tỷ trọng chất điện phân.
- So sánh với nhiệt độ tiêu chuẩn và mức tiêu chuẩn.
- C cao hơn nhiệt độ tiêu chuẩn F hoặc 1,67 Cộng thêm 0,001 g/cm3 cho mỗi 3
chuẩn, trừ bớt đi 0,015 g/cm³ cho mỗi 1/2 inch thấp hơn mức tiêu chuẩn để bù trừ khi
bổ sung nước cất.
Thí dụ: F là 1,235 g/cm3, và mực chất điện Tỷ trọng đo được ở 89 phân thấp hơn
tiêu chuẩn 1/2 inch. Như vậy các hiệu chỉnh cần thiết là:
- F: phải cộng thêm: 12/3 Nhiệt độ cao hơn tiêu chuẩn là : 89 - 77 = 12 F
0,001 = 0,004 g/cm³ để ứng với 77.
- Mực chất điện phân thấp hơn 1/2 inch, vậy phải trừ bớt đi 0,015 g/cm³ để ứng
với khi bổ sung nước cất thêm cho đủ.
- F và sau khi châm thêm nước cất như vậy Tỷ trọng ứng với 77 là: 1,235 + 0,004 - 0,015 =1,224 g/cm³.
Sau khi nạp ắc quy lần đầu xong, phải tiến hành phóng nạp tập dợt 3 lần để ắc
quy bảo đảm được dung lượngđịnh mức. Dòng điện phóng được thực hiện theo mức 3
giờ hoặc mức 10 giờ, phóng cho đến khi điện thế mỗi bình còn 1,8 vôn.
Trong thời gian nạp hình thành và phóng nạp tập dợt, phải đo và ghi điện thế, tỷ
trọng, và nhiệt độ từng ngăn một, định kỳ mỗi giờ một lần. Trong trường hợp có đột
biến trên các ngăn, (thí dụ điện thế trên các ngăn thay đổi quá nhanh), phải đo và ghi thông số thường xuyên hơn.
a. Nạp điện cho ắc-quy có dòng điện không đổi.
Hình 4.6. Sơ đồ điện áp cho ắc-quy có cường độ không đổi.
Ắc-quy được nối vào nguồn điện một chiều sau khi ampe-kế và biến trở mắc
nối tiếp với cực dương của ắc-quy nối với biến trở và cực dương nguồn, cực âm ắc- quy nối với cực âm nguồn.
Ip = (Ubc – E)/Raq (Ampe).
Trong đó : Ip : Cường độ dòng điện nạp cho ắc-quy (Ampe). Ubc : Hiệu điện thế nạp điện cho ắc-quy (Vôn). E : Suất điện động của ắc-quy (Vôn).
Raq : Điện trở nội của ắc-quy (Ω).
Lúc đầu suất điện động ắc-quy còn nhỏ thì UBC nhỏ, còn UAB (điện áp rơi trên
biến trở lớn) do điện trở của biến trở lớn. Khi suất điện động ắc-quy tăng, muốn giữ In không đổi phải tăng UBC nghĩa là giảm UAB (giảm trị số biến trở). Nhờ có biến trở ta sẽ
duy trì được cường độ dòng điện nạp In trong mạch không đổi.
* Giai đoạn 1:
Nạp điện cho ắc-quy đã nạp khô hoặc đang sử dụng bị sunfát hoá thì : In= 0,10.Q10
Ví dụ : ắc-quy 12 – 60 Ah thì In = 0,10 x 60 = 6 (Ampe).
Nạp đến khi ắc-quy sôi, nhiệt độ ắc-quy đến 450C, điện áp đo được là 12,4- 12,6V thì giảm dòng nạp In = 0,05Q20 nghĩa là chuyển đến giai đoạn 2.
Khi In = 0,05Q20 thì In = 0,05x60 = 3 (Ampe). Tiếp tục nạp cho ắc-quy sôi trong 3 giờ và để:
- Nồng độ dung dịch không tăng nữa.
- Điện áp đo đạt được 12,6 vôn trở lên.
Khi tổng thời gian nạp khoảng 40-50 giờ cần có người chăm sóc, điều chỉnh biến
trở.
b. Nạp điện cho ăc-quy có điện áp không đổi.
Ắc-quy dược đấu song song với nguồn điện một chiều.
In = (Un – E)/Raq (Ampe).
Lúc mới nạp điện sức điện động ắc-quy E nhỏ, còn Un (điện âp nguồn) không đổi
thì cường độ dòng điện nạp lớn, dần dần E tăng lên đến trị số lớn nhất (xấp xỉ Un) thì In
dần tới 0. Vì lẽ đoá mà chỉ trong khoảng 3-5 giờ đầu dung lượng ăc-quy nạp đã đạt
80%, suất điện động mỗi ngăn đạt 2,4 vôn và ăc-quy chỉ bắt đầu sôi, thường chỉ áp
dụng phương pháp nạp bổ sung.
Nạp điện cho ắc-quy có điện áp không đổi chỉ nạp cho ắc-quy đã qua sử dụng.
2.3.4. Các chế độ vận hành.
a. Chế độ nạp thường xuyên.
Đối với các loại bình ắc quy tĩnh, việc vận hành ắc quy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với
thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc quy tăng lên, và chi phí bảo dưỡng
cũng được giảm xuống.
Để bảo đảm chất lượng ắc quy, trườc khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần. Trong quá trình vận hành ắc quy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại. Trường hợp sau
một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.
Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì Điện thế trên mỗi bình ắc quy là 2,2 +/- 0,05 vôn đối với ắc quy chì - A - xít và 1,5 +/- 0,05 vôn đối với ắc quy Sắt -