Sạc ắc quy

Biểu đồ các giai đoạn sạc ắc quy axit chì

Ắc quy axit chì sử dụng phương pháp sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (Constant current constant voltage CCCV). Dòng sạc sẽ làm tăng điện áp tới mức trần, tại thời điểm đó, dòng điện sẽ giảm do bão hòa. Thời gian sạc là 12–16 giờ, có thể tới 36–48 giờ đối với hệ thống ắc quy lớn. Nếu dùng dòng điện sạc cao hơn và phương pháp sạc nhiều giai đoạn, thời gian sạc có thể giảm xuống còn 8–10 giờ; tuy nhiên, không có topping charge. Đặc tính của Axit chì là chậm chạp và không thể sạc nhanh như các loại pin khác.

Với phương pháp CCCV, pin axit chì được sạc theo ba giai đoạn, đó là

1. sạc dòng điện không đổi (constant current)
2. sạc bổ sung (topping charge) hay còn gọi là sạc bão hòa (saturation charge)
3. sạc thả nổi. (Float charge)

Giai đoạn 1 chiếm khoảng một nửa thời gian sạc cần thiết; Topping charge tiếp tục ở dòng điện sạc thấp hơn và cung cấp trạng thái bão hòa, và sạc thả nổi bù đắp cho tổn thất do tự xả.

Trong quá trình sạc dòng điện không đổi, pin sạc đến khoảng 70% trong 5–8 giờ; 30% còn lại được sạc đầy bằng quá trình sạc đầy chậm hơn kéo dài thêm 7–10 giờ nữa. Giai đoạn 2 rất cần thiết cho pin axit chì và có thể so sánh với việc nghỉ ngơi một chút sau một bữa ăn ngon. Nếu thiếu giai đoạn 2 này, pin sẽ mất khả năng chấp nhận sạc đầy và hiệu suất sẽ giảm do sunfat hóa . Sạc nổi ở giai đoạn thứ ba duy trì pin ở mức sạc đầy.

Hình 1: Các giai đoạn sạc của pin axit chì [1]

Giai đoạn 1: Dòng sạc không đổi, áp tăng tới áp trần

Giai đoạn 2: Dòng sạc giảm dần tới 0 cho tới khi pin đầy.

Giai đoạn 3: Áp giảm tới mức áp thả nổi (Float charge).

Pin được sạc đầy khi dòng điện giảm xuống mức thấp đã cài đặt. Điện áp nổi giảm. Sạc nổi bù đắp cho hiện tượng tự xả.

Việc chuyển đổi từ Giai đoạn 1 sang Giai đoạn 2 diễn ra liền mạch và xảy ra khi pin đạt đến giới hạn điện áp đã đặt. Dòng điện bắt đầu giảm khi pin bắt đầu bão hòa; sạc đầy đạt được khi dòng điện giảm xuống còn 3–5% áp danh định. Pin có hiện tượng rò gỉ cao có thể không bao giờ đạt được dòng điện bão hòa thấp này và bộ hẹn giờ sẽ kết thúc quá trình sạc.

Cài đặt điện áp trần dựa theo nhiệt độ môi trường sạc – sạc chuyên dụng

Việc thiết lập đúng giới hạn điện áp sạc là rất quan trọng và dao động từ 2,30V đến 2,45V cho mỗi cell. Thiết lập ngưỡng điện áp là một sự thỏa hiệp và các chuyên gia về pin gọi đây là “nhảy múa trên dây”. Một mặt, pin muốn được sạc đầy để đạt được dung lượng tối đa và tránh sunfat hóa ở cực âm; mặt khác, sạc bão hòa quá mức và không chuyển sang sạc nổi sẽ gây ra sự ăn mòn ở cực dương. Điều này cũng dẫn đến thoát khí và mất nước.

Nhiệt độ làm thay đổi điện áp và điều này làm cho việc “nhảy múa trên dây” trở nên khó khăn hơn. Ở những vùng ấm áp, cần cài đặt áp thấp hơn, và ở vùng lạnh giá, bạn hãy cài áp cao hơn. Một bộ sạc tốt sẽ được trang bị cảm biến nhiệt để điều chỉnh điện áp cài đặt cho tối ưu. (Xem Sạc ở nhiệt độ cao và thấp )

Hệ số nhiệt độ sạc của một cell axit chì là –3mV/°C. Hãy coi 25°C là điểm giữa, điện áp sạc phải -3mV/cell đối với mỗi độ >25°C và +3mV/cell đối với mỗi độ <25°C. Nếu không thể thực hiện được điều này, tốt hơn là nên chọn điện áp thấp hơn vì lý do an toàn.

Bảng 2 so sánh các ưu điểm và hạn chế của các cài đặt điện áp đỉnh khác nhau.

	2,30V đến 2,35V/cell	2,40V đến 2,45V/cell
Thuận lợi	Tuổi thọ tối đa; pin luôn mát; nhiệt độ sạc có thể vượt quá 30°C	Chỉ số công suất cao hơn và ổn định hơn; ít sunfat hóa hơn.
Hạn chế	Thời gian sạc chậm; thông số đọc dung lượng có thể không chính xác và giảm dần theo từng chu kỳ. Có thể xảy ra hiện tượng sunfat hóa nếu không có sạc cân bằng điện tích (equalizing charge)	Dễ bị ăn mòn và thoát khí. Cần nạp nước. Không phù hợp nếu sạc ở nhiệt độ phòng cao, gây ra tình trạng sạc quá mức nghiêm trọng.

Bảng 2: Tác động của điện áp sạc lên ắc quy chì axit nhỏ.
Các cell ắc quy chì axit hình trụ có cài đặt điện áp cao hơn so với ắc quy VRLA và ắc quy khởi động (starter batteries)

Cài đặt điện áp nổi theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Sau khi sạc đầy qua trạng thái bão hòa (giai đoạn 2), pin không được ở điện áp đỉnh >48 giờ và phải giảm xuống mức điện áp nổi. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ắc quy kín vì chúng ít chịu được tình trạng sạc quá mức hơn loại ắc quy nước. Sạc vượt quá giới hạn quy định sẽ biến năng lượng dư thừa thành nhiệt và pin bắt đầu tạo khí.

Điện áp nổi (float voltage) được khuyến nghị của hầu hết các loại ắc quy axit chì nước là 2,25V -2,27V/cell. Các loại ắc quy cố định lớn ở 25°C thường có áp nổi ở mức 2,25V/cell. Các nhà sản xuất khuyến nghị giảm điện áp nổi khi nhiệt độ môi trường >29°C

Hình 3 minh họa tuổi thọ của một ắc quy axit chì được giữ ở điện áp thả nổi từ 2,25V – ,30V/cell và ở nhiệt độ từ 20°C- 25°C. Sau 4 năm hoạt động, tổn thất dung lượng vĩnh viễn sẽ trở nên rõ ràng, vượt qua ngưỡng 80%. Tổn thất này lớn hơn nếu ắc quy yêu cầu xả sâu định kỳ. Nhiệt độ cao cũng làm giảm tuổi thọ của ắc quy. (Xem thêm BU-806a: Nhiệt độ và tải ảnh hưởng đến tuổi thọ của ắc quy như thế nào )

Hình 3: Mất dung lượng khi ở chế độ chờ ^[2]
Có thể giảm thiểu mất dung lượng vĩnh viễn khi vận hành ở nhiệt độ phòng vừa phải và điện áp thả nổi 2,25–2,30V/cell.

 

Không phải tất cả bộ sạc đều có chế độ sạc nổi và rất ít xe cộ có chế độ này. Nếu bộ sạc của bạn vẫn ở chế độ sạc đầy và không giảm xuống dưới 2,30V/cell, hãy tháo sạc sau 48 giờ sạc. Sạc lại sau mỗi 6 tháng khi cất giữ; AGM sau mỗi 6–12 tháng.

Các thiết lập điện áp này áp dụng cho các cell và pin nước có van giảm áp khoảng 34kPa (5psi). Axit chì kín hình trụ, chẳng hạn như cell Hawker Cyclon, yêu cầu cài đặt điện áp cao hơn và các giới hạn phải được đặt theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Không áp dụng điện áp được khuyến nghị sẽ khiến dung lượng giảm dần do sunfat hóa. Cell Hawker Cyclon có cài đặt giảm áp là 345kPa (50psi). Điều này cho phép một số khí được tạo ra trong quá trình sạc.

Việc cài đặt áp nổi ở khối pin cũ

Pin cũ gây ra thách thức khi thiết lập điện áp sạc nổi vì mỗi cell có tình trạng riêng biệt. Khi được kết nối thành một chuỗi, tất cả các cell đều nhận được cùng một dòng điện sạc và việc kiểm soát điện áp của từng cell khi mỗi cell đạt đến công suất tối đa là gần như không thể. Các cell yếu có thể bị sạc quá mức trong khi các cell mạnh vẫn ở trạng thái thiếu điện. Dòng điện nổi là quá cao đối với cell yếu đồng thời có thể làm sunfat hóa cell mạnh lân cận do thiếu điện. Các thiết bị cân bằng cell phải được cài đặt để bù đắp cho sự khác biệt về điện áp do mất cân bằng cell gây ra.

Nhiều người đã nói về việc sạc xung (pulse charge) cho pin axit chì để giảm sunfat hóa. Kết quả không thuyết phục và các nhà sản xuất cũng như các kỹ sư không đạt được thống nhất về lợi ích. Nếu có thể đo được sunfat hóa và áp dụng lượng xung phù hợp, thì biện pháp khắc phục có thể có lợi; tuy nhiên, việc chữa trị mà không biết các tác dụng phụ tiềm ẩn có thể gây hại cho pin.

Pin axit chì phải luôn được lưu kho ở trạng thái đã sạc no. Sau mỗi 6 tháng hãy áp dụng topping charge lại để tránh điện áp giảm xuống dưới 2,05V/cell và khiến pin bị sunfat. Với AGM , các thông số này có thể được nới lỏng.

Đo điện áp mạch hở (OCV) trong khi lưu kho cung cấp chỉ số đáng tin cậy về trạng thái sạc của pin. Điện áp cell 2,10V ở nhiệt độ phòng cho thấy mức sạc khoảng 90 phần trăm. Pin như vậy ở tình trạng tốt và chỉ cần sạc đầy trong thời gian ngắn trước khi sử dụng. (Xem thêm BU-903: Cách đo trạng thái sạc )

Quan sát nhiệt độ lưu trữ khi đo điện áp mạch hở. Pin mát làm giảm điện áp một chút và pin ấm làm tăng điện áp. Sử dụng OCV để ước tính trạng thái sạc hoạt động tốt nhất khi pin đã nghỉ ngơi trong vài giờ, vì sạc hoặc xả sẽ làm pin bị kích động và làm lệch điện áp.

Một số người mua sẽ từ chối nhận hàng lô pin mới nếu OCV < 2,10V / cell. Điện áp thấp cho thấy pin đã bị lưu trữ lâu hoặc tự xả cao do chập mạch vi mô. Người dùng pin nhận thấy rằng một bộ pin đến với điện áp thấp hơn chỉ định có tỷ lệ hỏng hóc cao hơn so với những bộ pin có điện áp cao hơn. Mặc dù dịch vụ tại chỗ thường có thể đưa những loại pin như vậy đạt hiệu suất tối đa, nhưng thời gian và thiết bị cần thiết sẽ làm tăng chi phí. (Lưu ý rằng ngưỡng chấp nhận 2,10V/cell không áp dụng như nhau cho tất cả các loại axit chì.)

Sạc nhanh bình ắc quy axit chì có được không?

Các nhà sản xuất khuyến nghị tỷ lệ sạc C là 0,3C, nhưng axit chì có thể được sạc ở tỷ lệ C cao hơn lên đến 80% trạng thái sạc (SoC) mà không tạo ra sự cạn kiệt oxy và nước. Oxy chỉ được tạo ra khi pin bị sạc quá mức. Bộ sạc CCCV 3 giai đoạn ngăn chặn điều này xảy ra bằng cách giới hạn điện áp sạc ở mức 2,40V/cell (14,40V với 6 cell) và sau đó giảm xuống mức sạc nổi khoảng 2,30V/cell (13,8V với 6 cell) khi sạc đầy. Đây là điện áp dưới giai đoạn tạo khí.

Các thử nghiệm cho thấy các pin axit chì trong tình trạng tốt có thể chấp nhận sạc ở 1.5C miễn là sạc tới 2,3V/cell (14,0V với 6 cell). Khả năng chấp nhận sạc cao nhất khi trạng thái sạc SoC thấp và giảm dần khi pin đầy. Tình trạng sức khỏe và nhiệt độ của pin cũng đóng vai trò quan trọng khi sạc nhanh. Đảm bảo rằng pin không bị “sôi” hoặc nóng lên trong quá trình sạc. Hãy để mắt đến pin khi sạc vượt quá mức C được nhà sản xuất khuyến nghị.

Châm nước (Watering) cho bình ắc quy 

Thêm nước là bước quan trọng nhất trong việc bảo trì ắc quy axit chì nước; một yêu cầu thường bị bỏ qua. Tần suất thêm nước phụ thuộc vào mức sử dụng, phương pháp sạc và nhiệt độ hoạt động. Sạc quá mức cũng dẫn đến tiêu thụ nước.

Nên kiểm tra pin mới sau mỗi vài tuần để ước tính nhu cầu thêm nước. Điều này đảm bảo rằng phần trên của tấm pin không bao giờ bị lộ ra. Tấm pin trần sẽ bị hư hỏng không thể phục hồi do quá trình oxy hóa, dẫn đến giảm dung lượng và hiệu suất thấp hơn.

Nếu chất điện phân thấp, hãy đổ đầy ngay nước cất hoặc nước khử ion vào ắc quy. Không đổ đầy đến mức chính xác trước khi sạc vì điều này có thể gây tràn trong quá trình sạc. Luôn luôn đổ đầy đến mức mong muốn sau khi sạc. Không bao giờ thêm chất điện phân vì điều này sẽ làm mất trọng lượng riêng và thúc đẩy ăn mòn. Việc thêm nước loại bỏ mức chất điện phân thấp bằng cách tự động thêm đúng lượng nước.

Hướng dẫn sạc ắc quy axit chì

• Sạc ở nơi thông gió tốt. Khí hydro sinh ra trong quá trình sạc rất dễ nổ.
• Chọn phương pháp sạc phù hợp cho ắc quy nước, ắc quy gel và ắc quy AGM. Kiểm tra thông số kỹ thuật của nhà sản xuất về ngưỡng điện áp khuyến nghị.
• Sạc lại pin axit chì sau mỗi lần sử dụng để tránh sunfat hóa . Không lưu trữ ở mức sạc bán phần.
• Điện cực trong ắc quy nước phải luôn ngập hoàn toàn trong chất điện phân. Đổ đầy nước cất hoặc nước khử ion vào pin để làm ngập các điện cực nếu pin yếu. Không bao giờ thêm chất điện phân.
• Đổ đầy nước đến mức quy định sau khi sạc. Đổ quá đầy khi pin yếu có thể gây tràn axit trong quá trình sạc.
• Sự hình thành các bong bóng khí trong ắc quy nước cho biết ắc quy đang đạt trạng thái sạc đầy. (Hiđrô xuất hiện ở bản cực âm và oxy xuất hiện ở bản cực dương).
• Giảm điện áp sạc nổi nếu nhiệt độ môi trường cao hơn 29°C
• Không để axit chì đóng băng. Pin kiệt sẽ đóng băng sớm hơn pin được sạc đầy. Không bao giờ sạc pin bị đóng băng.
• Tránh sạc ở nhiệt độ trên 49°C.