Đồ án: Thiết kế bộ nguồn nạp acquy tự động (ĐH Duy Tân)

Đồ án điện tử công suất: Thiết kế bộ nguồn nạp acquy tự động. Tìm hiểu nguyên lý, sơ đồ mạch và cách thức hoạt động chi tiết. Tải đồ án miễn phí!

• Tác giả: Nguyễn Thành Hạnh
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Tấn Quốc
• Trường học: Đại học Duy Tân
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Nguồn Để Nạp Acquy Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án điện tử
• Năm xuất bản: 2018-2019

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUY
• 1.1. Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân.
• 1.2. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
• 1.3. PHÂN LOẠI ẮC QUY
• 1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ẮC QUY
• 2. Chương 2 : Các phương pháp nạp ắc quy.
• 3. Chương 3 : Thiết kế bộ nạp ắc quy tự động.

Tóm tắt

I. Tổng quan Đồ án Điện Tử Công Suất và Ứng Dụng Nạp Acquy

Đất nước ta đang trên đà công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào sản xuất ngày càng được chú trọng. Trong đó, kỹ thuật số với các chương trình phần mềm linh hoạt được sử dụng rộng rãi trong các mạch điều khiển. Ứng dụng này giúp tăng tốc độ tác động, độ chính xác cho hệ thống, chuẩn hóa các hệ thống truyền động điện, bộ điều khiển tự động hiện đại. Mạch nạp acquy tự động là một ứng dụng điển hình, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Nghiên cứu, chế tạo acquy và nguồn nạp acquy là vô cùng cần thiết, ảnh hưởng lớn đến dung lượng và độ bền của acquy. Đồ án này tập trung vào thiết kế bộ nạp acquy tự động, một chủ đề có tính ứng dụng cao trong thực tế. Theo tài liệu gốc, đồ án bao gồm giới thiệu về công nghệ nạp acquy, các phương pháp nạp acquy, và thiết kế bộ nạp acquy tự động. Sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết và thực hành sẽ giúp người học nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết để thiết kế, chế tạo và vận hành các hệ thống nạp acquy một cách hiệu quả. Điểm quan trọng cần nhấn mạnh là sự cần thiết của việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống điện tử công suất này để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Việc áp dụng các công nghệ mới, vật liệu mới, và thuật toán điều khiển tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu suất, độ tin cậy, và tuổi thọ của các hệ thống nạp acquy tự động.

1.1. Giới thiệu về công nghệ nạp ắc quy và tầm quan trọng

Công nghệ nạp ắc quy ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh các thiết bị di động và hệ thống lưu trữ năng lượng ngày càng phổ biến. Ắc quy đóng vai trò là nguồn cung cấp điện một chiều cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ công nghiệp đến đời sống hàng ngày, như chiếu sáng, tivi, thông tin liên lạc, và các thiết bị trên giàn khoan ngoài biển. Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo ắc quy và nguồn nạp ắc quy là vô cùng cần thiết. Chất lượng và hiệu quả của nguồn nạp ắc quy ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng và độ bền của ắc quy. Theo tài liệu gốc, ắc quy là nguồn điện hóa, sức điện động phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân. Ví dụ, với ắc quy chì axit, sức điện động của một ắc quy đơn là 2,1V. Để tăng khả năng dự trữ năng lượng, người ta tăng số lượng các cặp bản cực dương và âm trong mỗi ắc quy đơn hoặc ghép nối nhiều ắc quy đơn thành một bình ắc quy để tăng giá trị sức điện động.

1.2. Phân loại các loại ắc quy phổ biến Ưu điểm và nhược điểm

Hiện nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng. Các loại phổ biến bao gồm ắc quy chì (axit), ắc quy kiềm, ắc quy không lamen, và ắc quy kẽm-bạc. Tuy nhiên, trên thực tế, ắc quy axit và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn. Ắc quy axit có bản cực bằng chì và oxit chì ngâm trong dung dịch axit sulfuric. Ưu điểm của ắc quy axit là giá thành thấp và hiệu suất tốt trong các ứng dụng thông thường như xe máy và ô tô. Nhược điểm của ắc quy axit là khả năng quá tải không cao và hiện tượng tự phóng lớn. Ắc quy kiềm có bản cực làm bằng oxy hyđrat – kiềm và các bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hyđrôxit kali. Ưu điểm của ắc quy kiềm là độ bền lớn và thời gian sử dụng dài, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi công suất cao và quá tải thường xuyên. Nhược điểm của ắc quy kiềm là giá thành cao và điện trở trong lớn hơn.

1.3. Vai trò của đồ án điện tử công suất trong thiết kế bộ nguồn

Trong quá trình thiết kế bộ nguồn cho mạch nạp acquy tự động, điện tử công suất đóng vai trò then chốt. Các kiến thức về mạch buck, mạch boost, mạch buck-boost được áp dụng để điều chỉnh điện áp và dòng điện phù hợp với yêu cầu nạp của acquy. Việc lựa chọn linh kiện điện tử công suất như MOSFET, diode, và tụ điện cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy của bộ nguồn. Mô phỏng mạch bằng các phần mềm chuyên dụng như PSpice, Proteus giúp kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi tiến hành PCB và chế tạo phần cứng. Các thuật toán điều khiển sạc như PWM, PID cũng được sử dụng để điều khiển quá trình sạc một cách chính xác và hiệu quả, đảm bảo acquy được nạp đầy mà không bị quá nhiệt hoặc hư hỏng. Các cảm biến dòng, cảm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin phản hồi để điều chỉnh quá trình sạc.

II. Thách thức và Yêu cầu Thiết Kế Bộ Nguồn Nạp Acquy Tự Động

Việc thiết kế một bộ nguồn để nạp acquy tự động không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Có nhiều thách thức cần phải vượt qua để đảm bảo bộ nguồn hoạt động hiệu quả, an toàn, và có tuổi thọ cao. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo điện áp và dòng điện nạp phù hợp với từng loại acquy. Điện áp quá cao có thể gây quá nhiệt và làm hỏng acquy, trong khi điện áp quá thấp có thể khiến acquy không được nạp đầy. Dòng điện nạp cũng cần được kiểm soát để tránh quá tải và làm giảm tuổi thọ của acquy. Ngoài ra, bộ nguồn cần phải có các mạch bảo vệ acquy như mạch bảo vệ quá áp, mạch bảo vệ quá dòng, và mạch bảo vệ ngắn mạch để đảm bảo an toàn cho cả acquy và người sử dụng. Hiệu suất của bộ nguồn cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến lượng điện năng tiêu thụ và chi phí vận hành. Theo tài liệu gốc, quá trình phóng nạp của acquy làm thay đổi nồng độ dung dịch điện phân, do đó, bộ nguồn cần phải có khả năng thích ứng với sự thay đổi này để đảm bảo quá trình nạp diễn ra hiệu quả.

2.1. Các yêu cầu kỹ thuật của bộ nguồn Điện áp dòng điện công suất

Bộ nguồn nạp acquy cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản về điện áp, dòng điện và công suất. Điện áp đầu ra của bộ nguồn phải phù hợp với điện áp định mức của acquy, ví dụ 12V hoặc 24V. Dòng điện nạp cần được điều chỉnh để phù hợp với dung lượng của acquy, thường là 0.1C hoặc 0.2C (C là dung lượng của acquy tính bằng Ah). Công suất của bộ nguồn phải đủ lớn để cung cấp đủ năng lượng cho quá trình nạp acquy trong một thời gian hợp lý. Theo tài liệu, dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH), là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tùy theo dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng.

2.2. Các tiêu chuẩn an toàn và bảo vệ cho ắc quy quá áp quá dòng

An toàn là một yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ nguồn nạp acquy. Bộ nguồn cần phải có các mạch bảo vệ quá áp, bảo vệ quá dòng, và bảo vệ ngắn mạch để ngăn ngừa các sự cố có thể gây hư hỏng cho acquy hoặc gây nguy hiểm cho người sử dụng. Mạch bảo vệ quá áp sẽ ngắt nguồn khi điện áp đầu ra vượt quá mức cho phép. Mạch bảo vệ quá dòng sẽ giới hạn dòng điện nạp ở mức an toàn. Mạch bảo vệ ngắn mạch sẽ ngắt nguồn ngay lập tức khi có sự cố ngắn mạch xảy ra. Các tiêu chuẩn an toàn như IEC 60335 cũng cần được tuân thủ để đảm bảo bộ nguồn đáp ứng các yêu cầu về an toàn điện và an toàn cơ khí.

2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của bộ nguồn

Hiệu suất và tuổi thọ là hai yếu tố quan trọng cần được xem xét trong thiết kế bộ nguồn nạp acquy. Hiệu suất của bộ nguồn ảnh hưởng trực tiếp đến lượng điện năng tiêu thụ và chi phí vận hành. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm tổn thất trên các linh kiện điện tử công suất, tổn thất do chuyển mạch, và tổn thất do tản nhiệt. Tuổi thọ của bộ nguồn phụ thuộc vào chất lượng của các linh kiện, điều kiện làm việc, và các biện pháp bảo vệ. Việc lựa chọn linh kiện có chất lượng tốt, đảm bảo tản nhiệt hiệu quả, và trang bị các mạch bảo vệ acquy sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của bộ nguồn. Theo tài liệu, dòng điện nạp định mức đối với ắc quy qui định bằng 0,05C20.

III. Phương pháp Thiết Kế Mạch Chỉnh Lưu và Lọc Nguồn Hiệu Quả

Mạch chỉnh lưu và lọc nguồn là một phần quan trọng của bộ nguồn nạp acquy. Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, trong khi mạch lọc nguồn có nhiệm vụ làm phẳng điện áp một chiều này để cung cấp một nguồn điện ổn định cho acquy. Có nhiều phương pháp thiết kế mạch chỉnh lưu và lọc nguồn khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, chẳng hạn như điện áp và dòng điện đầu ra, hiệu suất, và chi phí. Theo tài liệu gốc, mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có ưu điểm là rẻ và dễ lắp ráp, nhưng nhược điểm là dòng ra không liên tục và diode phải gánh một điện áp ngược rất lớn. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ sử dụng cầu diode, cho dòng ra liên tục hơn, nhưng phức tạp hơn về mặt thiết kế.

3.1. Lựa chọn cấu hình mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ cả chu kỳ cầu

Việc lựa chọn cấu hình mạch chỉnh lưu phù hợp là rất quan trọng. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ là đơn giản nhất, nhưng hiệu suất thấp và điện áp ra không ổn định. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ sử dụng hai diode và một biến áp có điểm giữa, cho hiệu suất cao hơn nhưng yêu cầu biến áp đặc biệt. Mạch chỉnh lưu cầu sử dụng bốn diode, cho hiệu suất cao và không yêu cầu biến áp đặc biệt, nhưng phức tạp hơn về mặt thiết kế. Trong đó, mạch chỉnh lưu cầu đảm bảo trong một chu kỳ thì mạch luôn có dòng điện.

3.2. Tính toán và lựa chọn linh kiện cho mạch chỉnh lưu diode

Sau khi lựa chọn cấu hình mạch chỉnh lưu, cần tính toán và lựa chọn linh kiện phù hợp. Điện áp ngược tối đa của diode phải lớn hơn điện áp đỉnh của điện áp xoay chiều đầu vào. Dòng điện định mức của diode phải lớn hơn dòng điện trung bình của dòng điện một chiều đầu ra. Nhiệt độ làm việc của diode phải nằm trong khoảng nhiệt độ cho phép. Datasheet linh kiện cần được tham khảo kỹ lưỡng để đảm bảo các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu.

3.3. Thiết kế mạch lọc nguồn tụ điện Tính toán dung lượng và ESR

Mạch lọc nguồn sử dụng tụ điện để làm phẳng điện áp một chiều đầu ra. Dung lượng của tụ điện ảnh hưởng đến độ gợn sóng của điện áp đầu ra. Dung lượng càng lớn thì độ gợn sóng càng nhỏ. ESR (Equivalent Series Resistance) của tụ điện ảnh hưởng đến hiệu suất và nhiệt độ làm việc của tụ điện. ESR càng nhỏ thì hiệu suất càng cao và nhiệt độ làm việc càng thấp. Cần tính toán và lựa chọn tụ điện có dung lượng và ESR phù hợp để đảm bảo mạch lọc nguồn hoạt động hiệu quả. Dựa vào đặc tính phóng nạp của tụ điện nên mạch lọc (gồm các tụ điện mắc song song với tải) dùng để là phẳng điện áp đầu vào còn mấp mô.

IV. Thiết Kế Mạch Điều Khiển Sạc và Thuật Toán Nạp Acquy

Mạch điều khiển sạc và thuật toán nạp acquy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo acquy được nạp đầy một cách an toàn và hiệu quả. Mạch điều khiển sạc có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp và dòng điện nạp theo một thuật toán đã được định sẵn. Thuật toán nạp acquy quyết định cách thức điều chỉnh điện áp và dòng điện nạp để tối ưu hóa quá trình nạp. Có nhiều thuật toán nạp acquy khác nhau, mỗi thuật toán có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn thuật toán nạp phù hợp phụ thuộc vào loại acquy, dung lượng, và các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Theo tài liệu gốc, để đảm bảo thời gian nạp và hiệu suất nạp, ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 C10 trong khoảng thời gian tn = 8 giờ (tương ứng với 75 ÷ 80)% dung lượng ắc qui.

4.1. Các phương pháp điều khiển sạc CC CV thuật toán sạc nhiều giai đoạn

Có nhiều phương pháp điều khiển sạc khác nhau, trong đó phương pháp CC/CV (Constant Current/Constant Voltage) là phổ biến nhất. Phương pháp CC/CV bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn dòng không đổi (CC) và giai đoạn điện áp không đổi (CV). Trong giai đoạn CC, dòng điện nạp được giữ không đổi cho đến khi điện áp acquy đạt đến giá trị định mức. Trong giai đoạn CV, điện áp acquy được giữ không đổi và dòng điện nạp giảm dần cho đến khi acquy được nạp đầy. Các thuật toán sạc nhiều giai đoạn phức tạp hơn có thể bao gồm nhiều giai đoạn dòng không đổi và điện áp không đổi khác nhau để tối ưu hóa quá trình nạp. Đối với ắc qui axit, trong khoảng thời gian 8 giờ tương ứng với (75 ÷ 80 )% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 C10. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp sức điện động tải ít thay đổi ,do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp.

4.2. Sử dụng vi điều khiển Arduino STM32 PIC để điều khiển sạc

Vi điều khiển (MCU) như Arduino, STM32, PIC có thể được sử dụng để điều khiển quá trình sạc một cách chính xác và linh hoạt. MCU có thể đọc các thông số như điện áp, dòng điện, và nhiệt độ của acquy thông qua các cảm biến và điều chỉnh điện áp và dòng điện nạp theo một thuật toán đã được lập trình sẵn. MCU cũng có thể thực hiện các chức năng bảo vệ như ngắt nguồn khi có sự cố xảy ra. Việc sử dụng MCU giúp tăng tính tự động hóa và hiệu quả của quá trình nạp.

4.3. Thiết kế mạch phản hồi và cảm biến dòng điện điện áp

Mạch phản hồi và cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin về trạng thái của acquy cho mạch điều khiển sạc. Các cảm biến dòng và cảm biến áp được sử dụng để đo dòng điện và điện áp của acquy. Tín hiệu từ các cảm biến được đưa trở lại mạch điều khiển sạc để điều chỉnh điện áp và dòng điện nạp. Việc thiết kế mạch phản hồi và cảm biến cần đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao để đảm bảo quá trình nạp diễn ra một cách chính xác và an toàn.

V. Ứng dụng và Kết quả Nghiên Cứu Đồ Án Nạp Acquy Tự Động

Đồ án thiết kế bộ nguồn nạp acquy tự động có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và sản xuất. Bộ nguồn có thể được sử dụng để nạp acquy cho xe máy, ô tô, xe điện, và các thiết bị di động khác. Ngoài ra, bộ nguồn cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như hệ thống điện mặt trời và hệ thống điện gió. Kết quả nghiên cứu của đồ án có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất, độ tin cậy, và tuổi thọ của các bộ nguồn nạp acquy tự động hiện có. Theo tài liệu gốc, trong công nghiệp, các mạch điều khiển thường dùng kỹ thuật số với các chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc tham số hoặc các luật điều khiển.

5.1. Đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của mạch nạp đã thiết kế

Sau khi thiết kế và chế tạo mạch nạp, cần đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của mạch. Hiệu suất có thể được đánh giá bằng cách đo điện áp và dòng điện đầu vào và đầu ra của mạch, sau đó tính toán tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào. Độ tin cậy có thể được đánh giá bằng cách thực hiện các thử nghiệm trong điều kiện làm việc khác nhau và theo dõi thời gian hoạt động ổn định của mạch. Các thử nghiệm cần được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy của kết quả.

5.2. Phân tích ưu nhược điểm và so sánh với các giải pháp khác

Sau khi đánh giá hiệu suất và độ tin cậy, cần phân tích ưu nhược điểm của mạch nạp đã thiết kế và so sánh với các giải pháp khác trên thị trường. Ưu điểm có thể bao gồm hiệu suất cao, độ tin cậy cao, chi phí thấp, và kích thước nhỏ gọn. Nhược điểm có thể bao gồm độ phức tạp cao, yêu cầu linh kiện đặc biệt, và khả năng tương thích hạn chế. So sánh với các giải pháp khác giúp xác định vị trí của mạch nạp đã thiết kế trên thị trường và đưa ra các đề xuất cải tiến.

5.3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển trong tương lai

Dựa trên kết quả đánh giá và phân tích, cần đề xuất các cải tiến và hướng phát triển trong tương lai. Các cải tiến có thể bao gồm sử dụng linh kiện mới, thay đổi cấu trúc mạch, và cải thiện thuật toán điều khiển. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm tích hợp các chức năng thông minh, tăng tính tự động hóa, và mở rộng phạm vi ứng dụng.

VI. Kết luận Tầm Quan Trọng và Hướng Phát Triển Đồ Án

Đồ án thiết kế bộ nguồn nạp acquy tự động là một dự án có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu của đồ án có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giao thông vận tải đến công nghiệp và dân dụng. Trong tương lai, việc phát triển các bộ nguồn nạp acquy tự động thông minh, hiệu suất cao, và thân thiện với môi trường sẽ là một xu hướng tất yếu. Theo tài liệu gốc, việc áp dụng vào mạch nạp ắc quy tự động đang được sử dụng rộng rãi và có những đặc tính rất ưu việt. Bởi ắc quy là nguồn cấp điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày.

6.1. Tóm tắt kết quả đạt được và những hạn chế còn tồn tại

Tóm tắt các kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đồ án, bao gồm thiết kế mạch nạp hoạt động ổn định, đạt hiệu suất cao, đáp ứng các yêu cầu về an toàn và bảo vệ. Nêu rõ những hạn chế còn tồn tại, chẳng hạn như độ phức tạp của mạch, chi phí linh kiện cao, và khả năng tương thích hạn chế với một số loại acquy.

6.2. Đánh giá tầm quan trọng của đồ án đối với ngành điện tử công suất

Đánh giá tầm quan trọng của đồ án đối với ngành điện tử công suất, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo bộ nguồn nạp acquy. Nêu rõ những đóng góp của đồ án trong việc nâng cao kiến thức và kỹ năng cho sinh viên, cũng như cung cấp các giải pháp thiết kế hiệu quả cho các kỹ sư.

6.3. Hướng phát triển tiếp theo và tiềm năng ứng dụng trong tương lai

Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo của đồ án, chẳng hạn như nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển sạc thông minh hơn, sử dụng các linh kiện mới có hiệu suất cao hơn, và tích hợp các chức năng IoT để giám sát và điều khiển từ xa. Nêu rõ tiềm năng ứng dụng của đồ án trong các lĩnh vực như xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, và các thiết bị di động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUY 1. Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân. Với ắc quy chì axít sức điện động của một ắc quy đơn là 2,1V. Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của ắc quy người ta phải tăng số lượng các cặp bản cực dương và âm trong mỗi ắc quy đơn.

Để tăng giá trị sức điện động của nguồn người ta ghép nối nhiều ắc quy đơn thành một bình ắc quy. Bình ắc quy được làm từ số những tế bào (cell) đặt trong một vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng. Những đơn vị cơ bản của mỗi tế bào là những bản cực dương và bản cực âm. Những bản cực này có những vật liệu hoạt hoá nằm trong các tấm lƣới phẳng.

Bản cực âm là chì xốp sau khi nạp có mầu xám. Bản cực dương sau khi nạp là PbO2 có màu nâu. Cấu trúc của một ắc quy đơn gồm có: phân khối bản cực dương, phân khối bản cực âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau.

Cấu tạo của một bản cực trong ắc quy gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực dương và âm có cấu tạo giống nhau. Chúng được đúc từ chì có pha thêm ( 5 ÷ 8% ) Sb và tạo hình dạng mặt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc.

Trong thành phần của chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp, dung dịch điện phân dễ thấm sâu vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm. Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn được hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực dương. Các bản cực âm hàn 2 [Type text] với nhau tạo thành phân khối bản cực âm.

Số lượng các cặp bản cực trong mỗi ắc quy đơn thường từ 5 đến 8 cặp. Bề dầy tấm bản cực dương của các ắc quy trước đây thường khoảng 2mm. Ngày nay với các công nghệ tiên tiến đã giảm xuống còn ( 1,3 ÷ 1,5 ) mm. Bản cực âm thường mỏng hơn ( 0,2 ÷ 0,3 ) mm.

Số bản cực âm trong ắc quy đơn nhiều hơn số bản cực dương một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực dương, do đó bản cực âm nằm ra bên ngoài nhóm bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa bản cực âm và bản cực dương là một tấm ngăn xốp có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Những tấm ngăn xốp cho phép dung dịch chất điện phân đi quanh các bản cực vì trên bề mặt của nó có lỗ. Tấm ngăn làm bằng vật liệu pôliclovinyl có bề dầy ( 0,8 ÷ 1,2 ) mm và có dạng lượn sóng.

Một bộ những sắp xếp như vậy gọi là một phần tử. Sau khi đã sắp xếp một bộ phận như trên, nó được đặt vào một ngăn trong vỏ bình ắc quy. Ở bình ắc quy có nắp đậy mềm, các nắp đậy tế bào được đặt lên sau đó những phiến nối được hàn vào để nối các cực liên tiếp của tế bào. Trong cách nối này các tế bào được nối liên tiếp.

Cuối cùng nắp đậy bình ắc quy đƣợc hàn vào. Bình ắc quy có nắp đậy cứng , có một nắp đậy chung làm giảm được sự ăn mòn trên vỏ bình. Những bình ắc quy này có bản nối cực đi xuyên qua tấm ngăn cách từng tế bào. Tấm ngăn cách không cho dung dịch điện phân qua lại các tế bào.

Điều này làm bình ắc quy vận hành tốt hơn vì bàn nối ngắn và được đậy kín. Đầu nối chính của ắc quy là cọc dương và cọc âm. Cọc dương lớn hơn cọc âm để tránh nhầm điện cực. Người ta thường nối dây mầu đỏ với cực dương và dây màu đen với cực âm.

Dây cực âm đƣợc nối với lốc máy hay bộ phận kim loại. Dây cực dương được nối với bộ phận khởi động. Nắp thông hơi được đặt trên nắp mỗi tế bào. Những nắp này có hai mục đích: 3 [Type text] * Để đậy kín tế bào ắc quy, khi cần kiểm tra nước hay cho thêm nước thì ta sẽ mở nắp đậy này.

* Khi nạp bình người ta cũng mở nắp đậy để chất khí hình thành có lối thoát ra. Mỗi tế bào ắc quy có điện thế khoảng 2 vôn. Ắc quy 6V có 3 tế bào mắc nối tiếp. Ắc quy 12V có 6 tế bào mắc nối tiếp.

Muốn có điện thế cao hơn người ta mắc nối tiếp các bình ắc quy với nhau. Hai ắc quy 12V mắc nối tiếp sẽ tạo ra một hệ thống 24V. Nồng độ dung dịch điện phân H2SO4 là γ = 1,1÷ 1,3 g/cm3. Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của ắc quy.

Cấu trúc bình ắc quy 4 [Type text] Hình 1. Một số loại ắc quy 1. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG. Bình ắc quy là bình chứa năng lượng cho hệ thống điện.

Khi cần bình ắc quy sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi qua các thiết bị nối với các cực của nó. Dòng điện trong bình ắcquy tạo ra do phản ứng hoá học hoặc giữa những vật liệu trên bản cực và axit H2SO4 trong bình hay còn gọi là chất điện giải. Sau một thời gian sử dụng bình ắc quy bị hết điện. Tuy nhiên nó có thể được nạp lại bằng cách cho một dòng điện bên ngoài đi qua nó theo chiều ngược với chiều phát điện của bình.

Trong điều kiện bình thường ắc quy được nạp do dòng điện từ máy 5 [Type text] phát điện. Để hoạt động tốt bình phải làm ba việc: * Cung cấp dòng điện khởi động động cơ. * Cung cấp điện khi hệ thống cần có mức điện lớn hơn hệ thống xạc có thể cung cấp. * Ổn định điện thế trong khi máy đang hoạt động.

Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc quy cung cấp điện cho mạch ngoài gọi là quá trình phóng điện. Quá trình ắc quy được dự trữ năng lượng gọi là quá trình nạp điện.

Năng lượng của ắc quy quan hệ với quá trình biến đổi hoá học của các bản cực và dung dịch điện phân được trình bày trong bảng sau: Bảng 1. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy Trạng thái ắc Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm quy Nạp no PbO2 H2SO4 Pb ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ Phóng điện hết PbSO4 H2O PbSO4 Trong quá trình phóng nạp, nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy thay đổi. Khi ắc quy phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi được nạp điện, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.

Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy. PHÂN LOẠI ẮC QUY. Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc. Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có 6 [Type text] thể liệt kê một số loại sau: ắc quy chì (ắc quy axit) ắc quy kiềm ắc quy không lamen và ắc quy kiềm ắc quy kẽm-bạc Tuy nhiên trên thực tế ắc quy axít và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn.

Ắc quy axit. Gồm các bản cực bằng chì và oxit chì ngâm trong dung dịch axit sulfuaric. Các bản cực này 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 dioxit 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 dày và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy. Thông thường, các bản cực âm được đặt ở phía bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn các 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 là dung dich axit sulfuaric. Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tùy thuộc vào loại ắc quy và tình trạng phóng nạp của bình. Trị số tỷ trọng của bình ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25 ο C được cho ở bảng sau : 7 [Type text] Bảng 1. Tỷ trọng chất điện phân của bình ắc quy Tỷ trọng chất Loại bình ắc quy điện phân Bình ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng : ví dụ các 1.275 xe tải điện công nghiệp lớn.

Bình ắc quy dùng cho xe ôtô, phi cơ.260 Bình ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: ví dụ 1.245 chiếu sáng tàu điện, khởi động các động cơ. Bình ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự 1. Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện.

Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Các biến đổi của thông số của bình ắc quy được cho trên các biểu đồ sau: Thời gian (giờ) Hình 1. Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng nạp với dòng không đổi Thời gian ( Giờ ) Hình 1. Đặc tuyến phóng điện tới điện thế cuối cùng.

Thời gian ( giờ ) Hình 1. Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ. Nguyên lý làm việc : * Quá trình nạp: Khi ắc quy đã đƣợc lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4).