302994

Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
Dới đây là nội trở của một số bình acquy axít có dung lợng khác nhau:
Dung lợng(Ah)
Nội trở Ro ()
1-2
10
50
100
1000
5000
10000
15000
0,01-0,04
0,005-0,01
0,025-0,008
0,001-0,0065
0,0002-0,0007
0,00006-0,00002
0,000035-0,0008
0,000001-0,00003
I.3.3 Dung lợng
Dung lợng là khả năng tích luỹ năng lợng của acquy , ký hiệu là Q đơn vị đo
là Ah.
Có hai loại dung lợng:
- Dung lợng lý thuyết là là lợng điện năng mà acquy phóng điện cho tới
khi điện áp bằng không;
- Dung lợng sử dụng là lợng điện năng mà acquy phóng điện cho tới điện
áp ngừng phóng điện quy định.
Dung lợng sử dụng gọi là dung lợng định mức của acquy .
Khi acquy phóng với dòng điện cố định thì dung lợng bằng tích số của
dòng điện phóng và thời gian phóng.
)Ah(t.IQ
ff
=
trong đó:
f
I
là dòng điện phóng: A .
f
t
là thời gian phóng :h
Nếu dòng điện phóng không cố định thì dung lợng tính theo công thức:

=
t
0
ff
dt.IQ
Dung lợng của acquy dphụ thuộc chủ yếu vào bản chất, kích thớc và số
lợng chất tác dụng trong bản cực của acquy .
I.3.4 Hiệu suất
Acquy không thể phóng ra toàn bộ điện năng đã hấp thụ đợc vì có những tổn
thất dới đây:
- Do tác dụng của điện phân ở thời kỳ cuối khi nạp điện, nớc biến thành
ôxy và hiđrô sủi bọt, tổn hao một phần điện năng.
- Tổn hao một phần điện năng vì dò điện và phóng điện nội bộ.
- Khi nạp điện acquy có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lợng .
Hiệu suất của acquy là tỷ số giữa toàn bộ điện năng phóng và toàn bộ điện
năng nạp. Có 2 loại hiệu suất;
- Hiệu suất dung lợng( hiệu suất Ampe-giờ)
%100.
Q
Q
%100.
tI
tI
n
f
nn
ff
Ah
==
acquy axit có =75-80%
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
5
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
acquy kiềm có =50-60%
- Hiệu suất điện năng(hiệu suất oát)
%100.
U
U
%100.
UtI
UtI
ntb
ftb
Ah
ntbnn
ftbff
w
==
Trong đó :
f
I
- dòng điện phóng
f
t
- thời gian phóng
ftb
U
- điện áp phóng trung bình
n
I
- dòng điện nạp
n
t
- thời gian nạp
ntb
U
- điện áp nạp trung bình
I.4 các loại acquy cơ bản
Thông thờng có 2 loại acquy đợc sử dụng phổ biến trong thực tế là acquy
axit và acquy kiềm có bản cực đợc làm bằng các kim loại và hợp kim sau:
Axít Kiềm
Chì Niken-sắt Bạc- Kẽm Niken-Cađimi
Anốt Pb Fe Zn Cd
Catốt Pb,PbO2 C,NiOOH Ag,Ag2O2 C,NiOOH
S.đ.đ{V} 2,0 1,36 1,6 1,3
I.4.1. Đặc điểm cấu tạo của acquy axít
Cấu trúc của một ắc qui đơn gồm có phân cực dơng, phân khối bản cực
âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với
nhau.
A/ Vỏ
Vỏ của acquy làm bằng vật liệu cách điện, chịu đợc axit nh cao su
luyện, ebônít, gỗ bọc trì, thuỷ tinh hoặc các loại nhựa hoá học khác.
Trên một ngăn acquy thờng có lỗ đổ dung dịch, trụ cực, cầu nối, mỗi bình
gồm từ một đến nhiều ngăn.
Điện áp mỗi ngăn acquy axit là 2,0-2,2 V
B/ Bản cực
Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung xơng và chất
tác dụng trát lên nó .
C/ Khung xơng :
Khung xơng của bản cực âm và bản cực dơng có cấu tạo giống nhau,
chúng đợc đúc từ chì và có pha thêm 5 ữ 8 % ăng ti moang ( Sb ) và tạo hình
mắt lới . Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính
đúc.
90-92% là chì nguyên chất
8-5% là ăng ti moan để tăng độ cứng
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
6
2
3
1. Vấu bản cực
2. Chất tác dụng
3. Cốt bản cực
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
D/ Chất tác dụng
Chất tác dụng của bản cực dơng trát PbO
2
có màu nâu sẫm.
Chất tác dụng của bản cực dơng trát Pb

có màu nâu xám.
Trong thành phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3 % chất nở ( các
muối hu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp
mà cải thiện đợc độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng
bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản
cực cũng đợc tăng thêm .
Diện tích tiếp xúc giữa các bản cực và dung dịch điện phân càng lớn
càng tốt, càng lớn dung lợng acquy càng cao.
E/ Nhóm bản cực:
Số lợng các bản cực trong mỗi ắc qui phụ thuộc vào điện áp định mức
và chất liệu làm bản cực, bề dầy tấm bản cực dơng của ắc qui thờng từ 1,2
đến 1,5 mm , bản cực âm thờng mỏng hơn 0,2 ữ 0,3 mm .
Đối với ác qui cần thiết kế có điện áp định mức 110 V thì số lợng bản
cực cần là: 50 bản với ác qui dùng Pb
90 bản với ác qui dùng NiCd
Để tăng dung lợng và giảm nội trở trong một bình acquy thờng có
nhiều bản cực dơng và âm xen kẽ với nhau.
Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dơng của mỗi ắc qui
đơn đợc hàn với nhau tạo thành khối bản cực dơng, các bản cực âm đợc hàn
với nhau thành khối bản cực âm.
Trong phản ứng hoá học nếu chỉ một bên lá cực dơng tham ra thì các lá
cực mau bị hỏng, vì vậy các lá cực dơng bao giờ cũng đợc đặt giữa các lá cực
âm cho nên số bản cực âm trong ắc qui thờng nhiều hơn số bản cực âm một
bản.
G/ Tấm ngăn:
Tấm ngăn đợc bố trí giữa các bản cực âm và dơng có tác dụng ngăn
cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn đợc làm bằng vật liệu poly-
vinyl-clo ,gỗ hoặc cao su bề dầy 0,8 ữ 1,2 và có dạng lợn sóng , trên bề mặt
tấm ngăn có các lỗ cho phéo dung dịch điện phân thông qua.
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
7
phóng
Nạp
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
H/ Dung dịch điện phân
Nhiệt độ
15C 20C 25C 30C 35C 40C
Dung dịch pha ban đầu 1,237 1,234 1,230 1,226 1,219 1,212
Dung dịch ngừng sử
dụng
1,187 1,183 1,180 1,177 1,170 1,164
I.5 Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui axit .
Acquy là nguồn năng lợng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng
lợng dới dạng hoá năng và giải phóng năng lợng dới dạng điện năng. Quá
trình acquy cấp điện cho mạch ngoài đợc gọi là quá trình phóng điện, quá
trình acquy dự trữ năng lợng đợc gọi là quá trình nạp điện.
Kí hiệu hoá học biểu diễn acquy axit có dung dịch điện phân là axit
H2SO4 nồng độ d = 1,1 ữ 1,3 % bản cực âm là Pb và bản cực dơng là PbO2 có
dạng :
(- ) Pb Pb SO
4
H
2
SO
4
(d = 30%) Pb SO
4
PbO
2
Pb ( + )
Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
Tại bản cực dơng diễn ra quá trình ôxi hoá:
OHPbSO2e4H4SO2PbO2
24
nap
phong
2
42
+


+++
+
Tại bản cực âm diễn ra quá trình khử :
e4PbSO2SO2Pb2
4
nap
phong
2
4
+


++



PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H
2
O

Thế điện động e = 2V.
Nhợc điểm chính của ắc qui chì là dung lợng điện qui về đơn vị khối l-
ợng nhỏ, thời gian sử dụng không dài do sự sunfát hoá dần các điện cực (sự
chuyển hoá không hoàn toàn của PbSO
4
thành Pb và PbO
2
trong quá trình
tích điện).
Ngoài phản ứng của quá trình phóng điện và tích điện ở trên còn có
những phản ứng phụ do sự tự phóng điện của ắc qui gây ra.
Tại bản cực dơng diễn ra quá trình ôxi hoá:
224
2
42
O
2
1
OHPbSOH2SOPbO
++=++
+
Tại bản cực âm diễn ra quá trình khử :
24
2
4
2 HPbSOHSOPb
+=++
+
I.5.1. Các đặc tính cơ bản của ắc qui .
Sức điện động của ắc qui chì và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ
dung dịch điện phân. Ngời ta thờng sử dụng công thức kinh nghiệm
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
8
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
Eo = 0,85 + ( V )
trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )
- nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C ( g/cm
3
)
Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc qui đợc tính theo công thức:
Ep = Up + Ip.r
b

trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )
Ip - dòng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( )
Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui đợc tính theo công thức :
En = Un - In.r
b
trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V )
In - dòng điện nạp ( A )
Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V )
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( )
Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp
năng lợng của ắc qui cho phụ tải, và đợc tính theo công thức :
Qp = Ip.tp
trong đó : Qp - dung lợng thu đợc trong quá trình phóng ( Ah )
Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện
tp ( A )
tp - thời gian phóng điện ( h ).
Dung lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng l-
ợng của ắc qui và đợc tính theo công thức :
Qn = In.tn
trong đó :
Qn - dung lợng thu đợc trong quá trình nạp ( Ah )
In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )
tn - thời gian nạp điện ( h ).
A/ Đặc tính phóng của ắc qui.
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
9
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động


Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của
sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian
phóng khi dòng điện phóng không thay đổi .
Từ đặc tính phóng của acquy nh trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
- Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động
điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời
gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn
định hay thời gian phóng điện cho phép tơng ứng với mỗi chế độ phóng điện
của acquy ( dòng điện phóng ).
- Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta
tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc qui sẽ
giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO
4
) tạo thành trong
phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá
trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng
điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, tại tgh đợc gọi là các giá trị giới
hạn phóng điện của ắc qui. acquy không đợc phóng điện khi dung lợng còn
khoảng 80%.
- Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào đó, các giá trị sức
điện động, điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta
gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi phục
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
10
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của acquy ( dòng điện phóng và thời
gian phóng ).
I.5.2. Nạp của acquy axit .
A/ Nạp thông thờng
Nạp điện thờng cho acquy axit trong các trờng hợp sau :
- Khi điện áp trong acquy còn 1,7-1,8 V
- Khi acquy để dự trữ trong kho quá một tháng.
- Khi acquy phóng điện liên tục quá một tuần.
Cách nạp :
Muốn nạp đợc thì phải có dòng điện chạy qua acquy bằng cách điều
chỉnh điện áp nguồn cao hơn điện áp của nhóm acquy ít nhất từ 1-2V. nếu
không đảm bảo điều kiện này thì đóng cầu dao nạp , nguồn nạp sẽ trở thành
phụ tải của acquy gây ra cháy máy.
- Dòng điện nạp tiêu chuẩn là 0,25 C10 .
- Thời gian nạp từ 12-13 giờ.
Đặc tính nạp của acquy axit :
Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện
động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số
dòng điện nạp không thay đổi .
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
11
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động

Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
- Trong khoảng thời gian đầu , sức điện động, điện áp , nồng độ dung
dịch điện phân tăng nhanh từ 1,8 lên 2V . Từ 2V tăng rất chậm tới 2,4 V .
có thể giải thích hiện tợng này nh sau :
Khi nạp thời kỳ đầu tiên điện áp tăng nhanh vì bản cực khôi phục lại
thành chì ô xít PbO2 và Pb trong các lỗ nhỏ , axit không kịp khuyếch tán nên
điện áp tăng cao đồng thời sụt áp trên nội trở của acquy lớn nên điện áp tăng
càng nhanh.
- Đến thời kỳ giữa vì nồng độ axit trong các lỗ nhỏ của bản cực có tăng
nhng khuyếch tán đều nên điện áp tăng dần dần.
- Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn
gọi là hiện tợng" sôi " ) do một phần nớc trong dung dịch điện phân đã biến
thành hiđro và ô xy, ở cực âm lúc này bọt khí thoát ra nhiều không kịp tụ
thành bọt và nổi lên mặt nớc cho nên bao bọc xung quanh cực âm. Hiđrô là
chất dẫn điện kém nên nội trở tăng , đồng thời cực dơng bị ôxy bao bọc , bản
cực bị ôxi hoá quá mức nên điện áp thời kỳ này tăng nhanh lên 2,7 V và giữ
nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các
chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực đợc biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ
làm tăng thêm dung lợng phóng điện của acquy.
- Trong sử dụng thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 2 ữ 3 h trong suốt
thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của acquy và nồng độ dung
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
12
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
dịch điện phân không thay đổi . Nh vậy dung lợng thu đợc khi acquy
phóngđiện luôn nhỏ hơn dung lợng cần thiết để nạp no acquy.
- Đến thời điểm 12 h (với nạp ổn dòng) thì chất tác dụng đã hoàn toàn đợc
phục hồi lại , nớc cũng gần nh bão hoà nên dung dịch sôi và điện áp hầu
nh không tăng.
- Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy, nồng độ dung
dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng
nghỉ của acquy sau khi nạp.
Những dấu hiệu cho thấy acquy đã đầy điện :
- Hiện tợng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dơng.
- Tỷ trọng đạt 1,12-1,22 đối với acquy cố định và 1,25-1,30 đối với acquy
di động.
- Hiệu điện thế đạt 2,7-2,8V và ỏn định trong suốt 3 h
- Dung lợng nạp vào gấp 1,2-1,3 lần dung lợng định mức.
Trị số dòng điện nạp ảnh hởng rất lớn đến chất lợng và tuổi thọ của
acquy. Dòng điện nạp định mức đối với acquy là In = 0,1Q
10
.
Trong đó Q
10
là dung lợng của acquy mà với chế độ nạp với dòng điện định
mức là In = 0,1Q
10
thì sau 10 giờ acquy sẽ đầy.
Ví dụ với acquy Q = 200 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10%
dung lợng ( tức In = 20 A ) thì sau 10 giờ acquy sẽ đầy.
Cuối thời gian nạp có thể nạp với dòng điện nhỏ In= 0.05 Q
10
để giảm
bớt hiện tợng sủi bọt và tránh làm hỏng bản cực.
B/ Nạp quá lợng
Nạp quá lợng để đảm bảo cho acquy đợc đầy khi bị sun fát hoá ở các
bản cực, phục hồi đợc dung lợng cho acquy .
Nạp điện quá lợng trong các trờng hợp sau :
+ Thay dung dịch điện phân
+ Acquy đợc dùng thờng xuyên trong vòng 2- 3 tháng hoặc đã phóng,
nạp từ 10-20 lần.
+ Acquy phóng với dòng điện quá lớn hoặc acquy phóng quá mức điện
áp quy định.
Cách nạp :
- Nạp với dòng tiêu chuẩn 0,1 Q
10
cho đến khi đầy điện.
- Nghỉ 1 h rồi lại nạp tiếp 2 h nữa với dòng điện bằng 0.05 Q
10
.
- Lặp lại quy trình này nhiều lần cho đếnkhi đóng điện nạp thì lập tức dung
dịch ở các ngăn sủi bọt mạnh là đợc.
C/ Nạp lần đầu
Với acquy axit mới còn khô hay sau khi thay bản cực mới trớc khi sử dụng
phải tiến hành nạp điện cho acquy .
Nạp lần đầu mấu chốt quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất của acquy vì vậy
cần đợc coi trọng và chuẩn bị để nạp điện lần đầu cho tốt.
Nạp điện lần đầu đợc tiến hành nh sau :
- Rót từ từ dung dịch điện phân đã pha có tỷ trọng đúng qui định vào bình.
Nhiệt độ dung dịch khi đổ vào phải nhỏ hơn 25 độ C. Dung dịch phải cao
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
13
Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động
hơn bản cực 1-1,5 cm và chờ 4-6 h cho dung dịch ngấm đều vào bản cực
và tấm cách điện.
- Khi nhiệt độ dung dịch dới 30 có thể tiến hành nạp đợc.
- Dòng điện nạp tốt nhất theo qui định của nhà chế tạo. trong trờng hợp
không có qui định thì nạp với dòng In = 1/14 Q
10
hoặc 1/12 Q
10
với acquy
có dung lợng >70 Ah . Nạp điện liên tục trong 60-70 h cho tới khi đây
điện.
- Cho nghỉ 15-24h cho acquy nguội và điện áp giảm xuống ổn định ở mức
2,1-2,3 V rồi cho phóng với Ip =0,1 Q
10
đến điện áp ngừng phóng là 1,7-
1,8 V.
- Nạp lại chu kỳ phóng nạp này 3 lần là đợc.
I.6 Acquy kiềm
Hiện nay dùng hai loại acquy kiềm chính : acquy sắt-kền và acquy cađimi-
kền. Hai loại này có nguyên lý làm việc và đặc điểm sử dụng gần giống nhau.
I.6.1 Cấu tạo
A/Vỏ acquy
Vỏ có thể nối trực tiếp với cực âm hoặc cực dơng hoặc hoàn toàn cách
điện với chúng. Nếu vỏ nối trực tiếp với cực âm thì vỏ acquy đợc làm bằng
sắt mạ kền, nếu vỏ cách điện với cực âm hoặc cực dơng thì vỏ đợc làm bằng
sắt thép hay tôn.
Vỏ acquy cađimi kền bao giờ cũng đợc làm từ sắt mạ kền mặc dù vỏ
đợc nối với cực âm hoặc cực dơng.
B/ Bản cực
Bản cực của acquy kiềm là những tấm sắt lới có hộp hình vuông chứa
trong đầy chất tác dụng.
C/ Cực âm
Acquy sắt kền thì trong túi lới chứa đầy bột sắt
Acquy cađimi kền thì trong túi lới chứa đầy bột Cd
D/ Cực dơng
Túi lới sắt bao giờ cũng mạ kền , trong chứa đầy hỗn hợp :
75% bột hyđrôxit niken(Ni(OH)3)
23% Bột than graphít
2% vảy Niken(vảy kền)
Bột than và vảy kền làm tăng độ dẫn điện của bản cực.
Để tăng dung lợng và giảm nội trở của acquy cần tăng diện tích tiếp xúc của
bản cực với dung dịch bằng cách đặt bản cực dơng, âm xen kẽ với nhau thành
nhóm bản cực, giữa các bản cực dơng và âm đợc ngăn cách bằng tấm nhựa
hoá học.
E/ Dung dịch điện phân
Dung dịch điện phân của acquy kiềm gồm có NaOH hoặc KOH pha
với nớc cất. Tuỳ theo nhiệt độ môi trờng mà dùng một trong hai loại trên cho
phù hợp.
Khi nhiệt độ môi trờng lớn hơn 10 C thì dùng NaOH
Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49
14

Xem chi tiết: 302994