Ắc quy: Cấu tạo và phương pháp nạp

Mỗi bản cực của ắc quy gồm hai phần chính: khung xương và chất tác dụng phủ lên trên. Khung xương, được đúc từ chì pha thêm 5-8% ăngtimoan (Sb), có cấu trúc mắt lưới nhằm tăng độ dẫn điện và khả năng đúc. Sự bổ sung Sb giúp cải thiện đáng kể tính chất vật lý của chì, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sản xuất. Chất tác dụng được phủ lên khung xương, bao gồm bột chì và axit sulfuric, ngoài ra còn có khoảng 3% chất nở (muối hữu cơ) để tăng độ xốp và độ bền. Độ xốp cao giúp dung dịch điện phân thấm sâu vào bên trong bản cực, tăng diện tích tiếp xúc và hiệu quả phản ứng hóa học. Mỗi bản cực có vấu để hàn nối, các bản cực cùng loại (cực dương hoặc cực âm) được hàn lại thành khối bản cực. Thông thường, một ắc quy có từ 5 đến 8 bản cực, bản cực dương dày 1,3-1,5mm, bản cực âm mỏng hơn, khoảng 0,2-0,3mm. Số lượng bản cực âm thường nhiều hơn bản cực dương một bản để tối ưu hóa diện tích phản ứng. Vấu cực được thiết kế để hàn nối dễ dàng các bản cực thành các khối lớn.

Tấm ngăn được đặt giữa các bản cực dương và âm để ngăn cách chúng, tránh va chạm và chập mạch. Vật liệu làm tấm ngăn thường là poly-vinyl-clo, dày 0,8-1,2mm và có dạng lượn sóng với các lỗ nhỏ cho phép dung dịch điện phân lưu thông. Để đảm bảo cách điện tối ưu, tấm ngăn thường được thiết kế rộng hơn bản cực, đặc biệt là về chiều cao. Ngoài tấm ngăn đơn, còn có tấm ngăn kép (ví dụ: bông thủy tinh ghép với miplat) giúp tăng tuổi thọ ắc quy, mặc dù hiệu suất có thể giảm khoảng 10%. Một số loại ắc quy sử dụng tấm ngăn kép bằng gỗ và lưới nhựa. Các tấm ngăn phải đáp ứng các yêu cầu về khả năng cách điện, độ xốp, độ bền, độ dẻo, khả năng chịu axit, và không chứa tạp chất gây hại, đặc biệt là sắt. Các vật liệu thông dụng hiện nay bao gồm mipo (êbônit xốp mịn), miplat (polyclounhin xốp mịn), platchipo (pêclovinhin xốp mịn), pôrôvinhin, pênôphát hoặc bông thủy tinh ghép với miplat hoặc gỗ. Cấu tạo tấm ngăn thường là hình chữ nhật, một mặt phẳng hướng về bản cực âm, mặt còn lại có dạng sóng hoặc gồ ghề để dung dịch điện phân dễ dàng lưu thông.

Vỏ bình ắc quy được chia thành các ngăn riêng biệt bằng vách ngăn kín và chắc chắn. Đáy mỗi ngăn có 4 sống đỡ khối bản cực, tạo khoảng trống giữa đáy bình và khối bản cực để tránh hiện tượng chập mạch do chất kết tủa. Đối với các bình ắc quy lớn, người ta thường lắp thêm quai sắt để thuận tiện cho việc di chuyển. Cốt bản cực có vai trò dẫn điện và phân phối dòng điện đều trên bề mặt bản cực. Điều này đặc biệt quan trọng đối với bản cực dương do điện trở của chất tác dụng (oxit chì PbO2) lớn gấp 10.000 lần điện trở của chì nguyên chất. Vì vậy, độ dày của cốt ảnh hưởng trực tiếp đến điện trở trong của ắc quy, cốt càng dày thì điện trở trong càng nhỏ. Cốt bản cực được đúc từ hợp kim chì-stibi (Sb) (87-95% Pb + 5-13% Sb), stibi giúp tăng độ cứng, giảm ăn mòn và cải thiện tính đúc của hợp kim so với chì nguyên chất. Cốt có khung bao quanh, có vấu để hàn nối các bản cực thành phân khối bản cực và có hai chân để tỳ lên sống đỡ ở đáy bình, tránh hiện tượng chập mạch.

Khi phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm tuyến tính vì lượng chất tác dụng tham gia phản ứng và axit sulfuric bị thay thế bằng nước với tốc độ không đổi. Nồng độ ban đầu giả định là 1,27 g/cm³. Nồng độ cuối cùng phụ thuộc vào lượng axit sulfuric tiêu thụ trong thời gian phóng và thể tích dung dịch trong bình. Phân tích sâu hơn cho thấy, sau khi đóng mạch tải, nồng độ dung dịch giảm do phản ứng hóa học. Sự chênh lệch nồng độ tạo điều kiện cho dung dịch mới khuếch tán vào bản cực. Nồng độ trong bản cực giảm dần, sự chênh lệch nồng độ và lượng dung dịch khuếch tán tăng lên cho đến khi đạt cân bằng. Sự chênh lệch sức điện động (ΔE) là hậu quả của quá trình này. Sự chênh lệch giữa sức điện động tĩnh (Eo) và sức điện động thực tế (Eqq) là do tốc độ khuếch tán dung dịch đến bản cực chậm, làm nồng độ dung dịch trong lòng bản cực thấp hơn nồng độ chung. Nếu mạch hở, khuếch tán sẽ làm cân bằng nồng độ và thế hiệu bằng Eo. Eqq và Up trong quá trình phóng điện thay đổi theo quy luật phức tạp.

Khi ắc quy nạp đầy, chất tác dụng ở cực dương là PbO2, cực âm là chì xốp Pb. Nếu chỉ nạp đến khi đạt hiệu suất nạp tối đa rồi ngắt, ắc quy sẽ không sử dụng được lâu. Để nạp đầy ắc quy, cần tiếp tục nạp thêm 2-3 giờ với dòng nạp bằng 2,5-5 lần dung lượng. Trong giai đoạn này, suất điện động tăng không đáng kể (2,65V-2,7V), gọi là giai đoạn nạp no. Điện áp trên một ngăn đơn lúc này là 2,11V. Suất điện động của một ngăn đơn tăng dần từ 1,95V đến 2,65V trong quá trình nạp hiệu dụng. Khi E=2,4V, dung dịch sôi mạnh. Quá trình tăng E từ 1,95V-2,4V rất chậm (hàng chục giờ), còn từ 2,4V-2,65V rất nhanh. Điều chỉnh bằng tay trong quá trình nạp không đảm bảo dòng nạp tối ưu. Thiết kế nguồn nạp tự động thay đổi suất điện động phù hợp với Un, In là vấn đề quan trọng.

Nạp bằng dòng điện không đổi là phương pháp chủ yếu và tổng quát nhất. Nạp một nấc là cơ bản, nạp hai nấc giúp rút ngắn thời gian nạp. Phương pháp này cho phép tùy ý chọn cường độ dòng nạp phù hợp. ắc quy mới cần trải qua phương pháp nạp này trước khi sử dụng. Nạp hai nấc: nấc 1 kết thúc khi thế hiệu mỗi ắc quy đơn đạt 2,4V (bắt đầu sủi bọt), nấc 2 giảm cường độ dòng nạp. Tổng số ắc quy đơn trong mạch nạp không vượt quá Ung/2,7 (Ung là thế hiệu nguồn nạp). Tất cả ắc quy phải có điện dung như nhau, nếu không phải chọn cường độ dòng nạp theo ắc quy có điện dung nhỏ nhất. Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động, nên nạp bằng phương pháp điện áp sẽ làm dòng điện tăng không kiểm soát được, dẫn đến sôi và hỏng ắc quy. Do đó cần ổn định dòng nạp.

Bộ nạp ắc quy truyền thống sử dụng bộ chỉnh lưu thyristor có dòng nạp gợn sóng cao, ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các bộ nạp ắc quy với mạch nạp giảm gợn sóng và kéo dài tuổi thọ là rất quan trọng. Các bộ biến đổi điện cộng hưởng, đặc biệt là loại Half-Bridge Series-Parallel Resonant Converter (HBSPRC), được đề xuất như một giải pháp hiệu quả. HBSPRC hoạt động ở tần số cao, tận dụng điều kiện chuyển mạch tự nhiên, giảm thiểu tổn hao chuyển mạch, và tạo ra hàm lượng sóng hài thấp hơn so với bộ biến đổi thyristor truyền thống. Ưu điểm của HBSPRC bao gồm kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao (trên 85%), và chi phí thấp. Chế độ hoạt động cộng hưởng ưu tiên, vì các công tắc nguồn điện đóng/ngắt ở dòng điện zero và điện áp zero, giảm hao phí chuyển đổi năng lượng và tăng độ tin cậy. Điều này khác biệt đáng kể so với các bộ nạp truyền thống, góp phần tăng hiệu suất chung của hệ thống.

Mô tả nguyên lý hoạt động của bộ nạp ắc quy HBSPRC nhóm D, bao gồm bốn chế độ hoạt động trong một chu kỳ chuyển mạch. Với tần số chuyển mạch (fs) lớn hơn tần số cộng hưởng (f0), van công suất mở ở dòng zero và điện áp zero, giúp loại bỏ hiện tượng phục hồi ngược nhanh ở điốt. Trong nửa chu kỳ dương/âm của điện áp trên tụ cộng hưởng, nguồn điện được cung cấp cho ắc quy qua các điốt tương ứng. Phân tích mạch sử dụng chuỗi Fourier để mô tả dạng sóng chu kỳ không phải dạng sin. Dòng nạp được coi là không đổi nhờ bộ lọc cuộn cảm lớn ở đầu ra. Mô hình hóa mạch tương đương đơn giản hóa giúp phân tích quá trình hoạt động. Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được tính toán gần đúng bằng phân tích mạch AC, sử dụng tần số cơ bản của phương trình điện áp và dòng điện. Đặc tính của HBSPRC nhóm D đáp ứng được yêu cầu của một bộ nạp ắc quy lý tưởng.

Một mẫu thử nghiệm bộ nạp ắc quy HBSPRC nhóm D được chế tạo và thử nghiệm trên ắc quy axit chì 12V 48Ah. Các thông số thử nghiệm bao gồm: tần số chuyển mạch fs=85kHz, f0=80kHz, dòng nạp trung bình Io=6,9A, điện áp ngắt mạch nạp VBA=15,5V, và điện áp mạch hở Voc=10,5V. Kết quả cho thấy đầu ra là điện áp và dòng điện DC đều, đáp ứng yêu cầu lý tưởng của một bộ nạp ắc quy. Điện áp ắc quy tăng từ 10,5V lên 15,5V trong 375 phút. Dòng nạp duy trì ở khoảng 6A trong 375 phút. Hiệu suất nạp trung bình đạt 90,02%, với hiệu suất tối đa và tối thiểu lần lượt là 93,98% và 85,14%. Kết luận cho thấy thiết kế bộ nạp ắc quy HBSPRC nhóm D đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất cao, ổn định dòng nạp và kéo dài tuổi thọ ắc quy.