HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐIỆN
II- CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐIỆN ĐIỂN H ÌNH
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ắcquy chì-axít
2.2.1. Định nghĩa.
Ắcquy chì-axít là một thiết bị điện hoá, dùng để biến đổi năng lượng dưới dạng điện năng thành hoá năng (khi nạp) và ngược lại biến hoá năng thành điện năng (khi phóng)
2.2.2. Công dụng
Ắcquy chì-axít dùng để cung cấp năng lượng điện cho các phụ tải khi động cơ không làm việc hoặc cung cấp điện cho motor khởi động và hệ thống đánh lửa khi đang khởi động động cơ. Ngoài ra ắcquy chì -axít còn có tác động như một bộ ổn định điện áp bằng cách cung cấp nguồn điện cho các đèn, radio và các thiết bị điện phụ trợ khác khi máy phát không đủ cung cấp cho tải hoặc khi tốc độ động cơ thấp. Đồng thời ắcquy còn cung cấp một dòng điện nhỏ cho “bộ nhớ xoá ngay” trong khối điều khiển điện tử ECM khi công tắc máy ở vị trí OFF.
2.2.3. Cấu tạo.
Cấu tạo của ắcquy axít - chì gồm hai nhóm bản cực nhúng trong một dung dịch điện phân axít sunfuric loãng (H2SO4) tạo thành hai nhóm bản cực dương và âm. Các tấm cực dương số 10 được cấu tạo bởi chất kết tinh chì ôxít (PbO2), có màu nâu sẫm gồm những hạt nhỏ li ti rất xốp để cho điện dịch thấm vào các bản cực được dễ dàng, chúng được ghép với nhau thành khối cực dương. Các tấm cực âm số 11 được cấu tạo bởi chì xốp nguyên chất (Pb) có màu xám và được ghép lại với nhau thành khối cực âm. Bên trong các tấm cực là khung lưới số 12, đúc bằng hợp kim chì và antimoan, có độ cứng vững và tính chống ăn mòn cao. Tấm cách điện 9 nằm xen giữa tấm âm và tấm dương để cách điện giữa chúng, đồng thời có tác dụng giữ và đỡ chất tác dụng (Pb, PbO2) khỏi rơi rả. Cầu nối 13 liên kết các tấm cực cùng tên lại với nhau để tạo thành khối cực. Toàn bộ hai khối cực và các tấm ngăn cách cùng đầu nối được đặt trong từng ngăn riêng biệt của ắcquy. Các tấm dương được nối với cực có dấu cộng, còn các tấm âm được nối với cực có dấu trừ. Các tấm cực dương nằm giữa các tấm âm, vì thế các tấm cực âm thường nhiều hơn các tấm cực dương một tấm nhằm để sử dụng các bản cực dương triệt để hơn và giảm bớt cong vênh cho các bản cực dương ở hai bên khi dòng điện phóng hoặc nạp quá lớn.Vỏ bình được làm bằng nhựa êbônít hay chất dẻo chịu nhiệt, trong vỏ thường được chia ra làm ba hay sáu ngăn. Mỗi ngăn có một chùm cực âm và một chùm cực dương lồng xen kẽ nhau. Đáy ngăn có đúc gân lồi số 14 để đỡ các khối cực và để khi bột chì rụng xuống nhiều không làm chập mạch giữa các bản cực.
Phía trên khối cực có đặt một tấm chắn bằng nhựa phòng khi có vật dẫn điện theo lỗ nạp dung dịch vào gây đoản mạch giữa bản cực dương và âm. Trên mặt bình có lỗ 2 dùng để đổ điện dịch và có lỗ nhỏ dùng để thông hơi.Để xác định cực ắcquy, ở các đầu cực dương được đánh dấu “+” còn đầu cực âm được đánh dấu “ -”, ngoài ra đầu cực âm thường bé hơn đầu cực dương. Nếu dấu không còn và phân biệt các đầu cực theo đường kính cũng khó khăn, thì cần thiết phải lắp ắcquy lên và nối các đầu dây vào đầu cực trong khi động cơ không làm việc, sau đó bật đèn. Quan sát nếu thấy kim của ampe kế chỉ phóng điện thì chứng tỏ ắcquy đấu đúng, qua đó xác định được cực của ắcquy.
2.2.4. Nguyên lý hoạt động.
Hình 2.3: Cấu tạo bìnhắc quy chì –axít.
1- cực âm. 2- nút thông hơi. 3- mắt kiểm tra . 4- cực dương. 5- dung dịch.
6- ngăn ắcqui. 7- bản cực. 8- nắp. 9- tấm cách. 0- tấm cực dương.
11- tấm cực âm. 12- khung lưới. 13- thanh nối.
a/ Lúc phóng điện.
Lúc phóng điện nghĩa là lúc bình đang cung cấp một dòng điện cho bộ phận tiêu thụ, phản ứng xảy ra trong hộc bình được tóm tắt như hình 2.2. Phân tử axít sulfuric tách ra H2và SO4, một phần SO4 kết hợp với Pb nơi bản cực âm, phần SO4 còn lại kết hợp với Pb4+ nơi bản cực dương tạo thành sulfat chì PbSO4. Phản ứng này phóng hai nguyên tử ôxy (O2) ra khỏi bản cực dương kết hợp với Hydro tạo thành nước (H2O).
Ở cực dương phản ứng xảy ra như sau:
PbO2+ 3H++ HSO4-+ 2e PbSO4+ 2H2O Ở cực âm phản ứng xảy ra như sau:
Pb + H2SO4 PbSO4+ 2e + 2H+
Hình 2.4: Phản ứng hoá học trong bìnhắcquy A. lúc phóng điện B. lúc nạp điện
Quá trình phóng điện làm cho lượng nước tăng lên nhưng lại làm giảm lượng axít sulfuric, do đó nồng độ điện dịch giảm, các bản cực tiến dần đến cùng bản chất là PbSO4 làm cho thế hiệu giữa chúng giảm dần.
Phản ứng xảy ra mạnh hay yếu, số lượng các hoạt chất tham gia nhiều hay ít … tuỳ thuộc vào khả năng phân ly, khuyếch tán của SO42- và H+. Do đó nồng độ điện dịch, độ xốp của các bản cực (hạt PbSO4 to thì bản cực ít xốp), điện thế và cường độ dòng điện nạp
… là nhân tố ảnh hưởng đến khả năng phản ứng mạnh, yếu, sâu, nông ở các bản cực.
b/ Lúc nạp điện.
Khi nạp điện lại cho ắcquy các electron bị dồn vào bản cực âm và electron ở bản cực dương bị lấy bớt đi nhờ nguồn điện một chiều. Chiều c ủa dòng điện nạp vào ắcquy ngược với chiều lúc nó phóng điện. Trong quá trình nạp điện, nước trong dung dịch điện phân được phân ra thành hydro và ôxy. Thành phần SO4 tách khỏi các bản cực trở về dung dịch điện phân kết hợp với hydro tạo thành axít sulfuric.
Ở cực dương phản ứng xảy ra như sau:
PbSO4 + SO4 + 2H2O Pb4+O2+ 2H2SO4 + 2e Ở cực âm phản ứng xảy ra như sau:
2PbSO4+ 2H++ 2 H2O + 4e 2Pb + 2H2SO4
Tóm lại khi nạp, phản ứng xảy ra ngược với khi phóng, các bản cực dương trở thành PbO2 còn bản cực âm trở thành Pb, chúng khác nhau về bản chất. Khi nạp có sự hấp thụ nước và tái sinh ra axít sulfuric nên nồng độ của dung dịch tăng lên. Sự tăng giảm nồng độ dung dịch điện phân khi phóng và nạp điện là một tro ng những yếu tố để xác định mức phóng điện của ắcquy trong khi sử dụng.
2.2.5. Ký hiệu ắcquy.
* Theo tiêu chuẩn Việt Nam chẳng hạn như 3-OT-70-NT-TCVN:
3 : Số ngăn hay số hộc bình.
OT : Bình dùng cho máy kéo.
70 : Dung lượng định mức là 70 ampe giờ.
NT : Tấm ngăn kép làm bằng nhựa xốp và bông thủy tinh.
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam.
Ngoài ra mã hóa nhận biết ắcquy còn được biểu diễn như trên hình 2.5 2.2.6. Các thông số cơ bản của ắcquy.
a/ Tỉ trọng của dung dịch điện phân.
Tỉ trọng của dung dịch điện phân là số chỉ mật độ của chất điện phân hay nói cách khác là trọng lượng của dung dịch điện phân so với trọng lượng của nước nguyên chất có cùng một thể tích. Trong đó, tỉ trọng của nước nguyên chất được xem bằng 1 đơn vị.(1/89)
Tỉ trọng của dung dịch điện phân có giá trị tùy theo từng nhà sản xuất. Tuy nhiên, tỉ trọng của dung dịch điện phân các loại ắcquy đang được dùng trên các xe du lịch khi ở trạng thái được nạp đầy vào khoảng 1,28 và không bao giờ vượt quá 1,30.
Các trị số điển hình của tỉ trọng này ở các trạng thái làm việc khác nhau tại nhiệt độ 15,5oC như sau:
- Khi nạp đầy hoàn toàn 1,27 – 1,29.
- Khi phóng khoảng nửa dung lượng 1,19 – 1,21.
- Khi phóng hoàn toàn 1,11 – 1,13.
Khi ắcquy làm việc liên tục ở môi trườ ng mà nhiệt độ của không khí lớn hơn 32oC thì phải lấy tỉ trọng thấp hơn vì ở nhiệt độ càng cao thì các phản ứng hoá học xảy ra càng mạnh hơn. Các trị số điển hình khi ắcquy làm việc ở nhiệt độ cao:
- Khi nạp đầy hoàn toàn 1,21 – 1,23.
- Khi phóng khoảng nửa dung lượng 1,13 – 1,15.
- Khi phóng hoàn toàn 1,05 – 1,07.
Tỉ trọng của dung dịch điện phân luôn biến đổi theo nhiệt độ, cứ khi nhiệt độ tăng lên 3oC thì tỉ trọng giảm đi 0,002 và ngược lại khi nhiệt độ giảm đi 3oC thì tỉ trọng cũng tăng lên 0,002.
Khi kiểm tra một ắcquy đã nạp hoàn toàn hoặc khi chuẩn lại thì tỉ trọng sau khi kết thúc quá trình nạp lần đầu tiên của một ắcquy mới ở nhiệt độ môi trường thử nghiệm ta dựa vào các chuẩn tỉ trọng đã nói ở trên. Tỉ trọng đo được phải qui về nhiệt độ 15,5oC bằng cách cộng hoặc trừ đi độ tăng hoặc giảm tỉ trọng theo sự giảm hay tăng của nhiệt độ môi trường so với nhiệt độ chuẩn.
Để đo tỉ trọng người ta thường dùng ống Bômê Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân:
- Không được dùng axít có thành phần tạp chất cao (các loại axít kỹ thuật thông thường ) và nước không phải là nước cất, vì dùng như vậy sẽ làm tăng cường quá trình tự phóng điện của ắcquy, các bản cực chóng bị sunfat hóa, hư hỏng …
Hình 2.5: Ký hiệu ắcqui
1- dung lượng ắc quy. 2- chiều rộng và chiều cao .
3- chiều dài. 4- vị trí cực âm.
- Các dụng cụ pha chế phải bằng thủy tinh, sứ hoặc chất dẻo chịu axít. Chúng phải sạch, không chứa các muối khoáng, tạp chất …
- Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước cất vào axít đặc, mà phải đổ từ từ axít vào nước cất và dùng que thủy tinh khuấy đều.
Bảng 2.1: Liên hệ giữa tỉ trọng và độ Bômê.
Độ Bômê
Tỉ trọng
Độ Bômê
Tỉ trọng 1o
50 80 120 140 16o 180 200 220 240
1,007 1,036 1,060 1,091 1,108 1,125 1,143 1,161 1,180 1,199
26o 280 300 340 360 38o 400 410 450 500
1,221 1,244 1,263 1,268 1,308 1,322 1,357 1,383 1,396 1,453
b/Dung lượng ắcquy.
Dung lượng của ắcquy là tích số thời gian cần thiết ( tính bằng giờ) để ắcquy phóng điện với dòng điện phóng (tính bằng ampe). Hay đó chính là số lượng điện mà ắcquy đầy điện có thể cho khi phóng điện tới giới hạn cho phép (điện thế giảm xuống dưới 1,7V) tại một nhiệt độ nhất định.
Đơn vị của dung lượng là ampe giờ (Ah), đó chính là dung lượng của ắcquy có thể phóng với dòng điện cường độ 1A trong thời gian một giờ
Dòng điện phóng còn được gọi là tốc độ phóng, khi tăng tốc độ phóng dung l ượng của ắcquy có thể giảm xuống nên khi dùng ắcquy cần phải biết tốc độ phóng hay dòng điện phóng cho phép và thời gian phóng của ắcquy. Tốc độ phóng tiêu chuẩn của ắcquy trên các khoảng từ 10 đến 20 giờ.
Dung lượng của ắcquy phụ thuộc vào các yếu tố sa u - Số bản cực trong một ngăn bình.
- Bề mặt và bề dày của các bản cực.
- Kích thước của các ngăn tạo nên ắcquy cụ thể là kích thước của các bản cực.
- Dung tích, tỉ trọng và nhiệt độ dung dịch điện phân. Nếu cho cho ắcquy phóng điện với cường độ không đổi đến điện áp phóng điện cuối cùng thì dung lượng sẽ cao hơn khi nhiệt
độ dung dịch tăng lên và ngược lại. Sở dĩ có được kết quả khác nhau như vậy là do dung dịch có thể hoà tan dễ dàng hơn khi nhiệt độ cao, cho phép nhiều chất hoạt tính phản ứng hoá học với nó. Ngoài ra, điện trở của dung dịch điện phân giảm và điện tích có thể chuyển động dễ dàng hơn khi nhiệt độ cao hơn. Kết quả là điện áp ắcquy sẽ tăng lên.
- Cường độ dòng điện phóng càng lớn càng lớn thì dung lượng càng giảm bởi vì khi ắcquy phóng điện với dòng cao, axít sulfuric không được cung cấp đủ nhanh đến các bản cực. Khi nạp, phóng cường độ phản ứng vừa phải nhưng phản ứng xảy ra triệt để, nghĩa là toàn bộ số hoạt chất của bản cực đều tham gia thì dung lượng mới lớn.
c/ Điện áp định mức của một ngăn ắcquy.
Điện áp định mức của một ngăn là điện áp giữa hai cực của nó khi mạch ngoài bị hở nghĩa là khi không có sự nạp hay phóng điện. Giá trị định mức của một ngăn là 2V và không phụ thuộc vào kích thước của các bản cực. Điện áp khi mạch hở này nằm t rong giới hạn từ (2 – 2,2)V tuỳ theo việc nạp trước đó.
d/ Điện trở trong ắcquy.
Do bên trong ắcquy luôn tồn tại một điện trở trong của dung dịch điện phân và của các bản cực nên nó có tác dụng như một vật cản gây sụt áp giữa các cực của ắcquy. Do đó điện áp thực tế do ắcquy tạo ra sẽ luôn nhỏ hơn so với lý thuyết. Nói cách khác, điện áp thực tế do ắcquy phát ra có thể biểu diễn bằng công thức sau:
V = E – I.r Trong đó:
E: Điện áp lý thuyết do ắcquy tạo ra.
Hình 2.6: Các bộ phận cơ bản của máy khởi động điện 1-vỏ ngoài. 2-lắp trước. 3-lắp sau. 4-chổi than. 5-khối cực.
6-cuộn cảm. 7-rôto. 8-khớp ly hợp một chiều. 9-solenoid. 10-ốc I: Cường độ dòng điện trong mạch.
r: Điện trở trong của ắcquy.
I.r: Sụt áp giữa các cực ắcquy.
Như vậy điện trở trong của ắcquy làm cho điện áp phát ra giảm khi dòng điện chạy qua nó tăng. Điều này có tầm quan trọng đặc biệt đối với những mạch điện có motor khởi động hay đèn pha … vì khi đó điện áp phát ra giảm nên công suất phát ra cũng giảm theo.
Điện trở trong của ắcquy tăng theo thời gian sử dụng của nó.