Chức năng và Yêu cầu của Ắc quy Khởi động (Starter Batteries)

Giới thiệu về Ắc quy Khởi động

Định nghĩa và Vai trò của Ắc quy Khởi động trong Xe

Ắc quy khởi động (starter batteries), hay còn gọi là ắc quy SLI (starting, lighting, and ignition – khởi động, chiếu sáng và đánh lửa), chủ yếu được “chế” ra để cung cấp một dòng điện mạnh nhưng trong thời gian ngắn, chủ yếu dùng để “đề” máy. Khác với ắc quy xả sâu (deep-cycle batteries), được thiết kế để cung cấp năng lượng ổn định trong thời gian dài, chúng phục vụ một mục đích riêng. Trong xe, ắc quy khởi động cung cấp năng lượng cho mô-tơ khởi động (starter motor), đèn và hệ thống đánh lửa của động cơ.

Về cơ bản, ắc quy khởi động hoạt động như một thiết bị điện hóa (electrochemical apparatus) có nhiệm vụ lưu trữ và “xả” năng lượng điện. Quá trình “xả” năng lượng diễn ra thông qua một phản ứng hóa học biến đổi năng lượng hóa học dự trữ thành năng lượng điện, sau đó cung cấp năng lượng cần thiết để “khai hỏa” và kích hoạt chuyển động của động cơ. Sau khi động cơ hoạt động, thông thường, máy phát điện (alternator) của xe sẽ đảm nhận việc cung cấp điện cho các hệ thống điện và đồng thời “nạp” lại cho ắc quy khởi động.

Tầm quan trọng trong Động cơ Đốt trong và Hệ thống Hybrid

Ắc quy khởi động đóng một vai trò đơn giản nhưng quan trọng trong xe có động cơ đốt trong (ICE): chúng cần thiết để khởi động động cơ. Nếu không có ắc quy khởi động hoạt động, xe ICE sẽ không thể “kích nổ” quá trình đốt cháy vì hoạt động quay máy (cranking action) cần thiết dựa vào nguồn điện cung cấp cho mô-tơ khởi động.

Sự ra đời của quá trình phát triển công nghệ ô tô đã mang đến các hệ thống hybrid, do đó, thay đổi chức năng của ắc quy khởi động ở một mức độ nào đó. Xe hybrid kết hợp động cơ đốt trong với động cơ điện. Trong các hệ thống như vậy, vai trò của ắc quy khởi động có thể mở rộng ra ngoài việc chỉ khởi động động cơ; nó có thể bao gồm việc cung cấp năng lượng ban đầu cho động cơ điện hoặc hỗ trợ các chức năng cụ thể của hybrid, như hỗ trợ phanh tái tạo (regenerative braking). Ngay cả trong hệ thống EV, ắc quy khởi động, thường được gọi là ắc quy phụ (auxiliary battery). Vai trò của chúng bao gồm cung cấp năng lượng bổ sung cho bộ chuyển đổi DC/DC trong hệ thống EV, đảm bảo các biện pháp an toàn chức năng được duy trì. Hơn nữa, do sự cố của bộ chuyển đổi DC/DC trong quá trình hoạt động, ắc quy phụ sẽ cung cấp năng lượng cho hệ thống điện áp thấp trên toàn xe. Điều này bao gồm các bộ phận an toàn quan trọng như hệ thống phanh, đảm bảo xe có thể dừng lại an toàn.

Hơn nữa, tầm quan trọng của ắc quy khởi động đã tăng lên do sự tích hợp ngày càng nhiều của hệ thống thông tin giải trí, thiết bị điện tử tinh vi và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) trong các phương tiện hiện đại, cho dù là ICE hay hybrid. Đảm bảo hoạt động trơn tru của xe đòi hỏi ắc quy khởi động phải ngày càng quan trọng, vì nó phải cung cấp năng lượng liên tục cho các hệ thống này, ngay cả khi động cơ ngừng hoạt động.

Vai trò then chốt của ắc quy khởi động trong hệ thống điện của xe trải rộng trên nhiều loại xe và thiết lập công nghệ khác nhau, nhấn mạnh tầm quan trọng không thể nghi ngờ của nó. Bất kể là cung cấp năng lượng cho hệ thống EV tiên tiến hay xe ICE truyền thống, ắc quy khởi động vẫn không thể thiếu, đảm bảo hoạt động ổn định và làm phong phú thêm hành trình tổng thể của xe.

Các Chức năng Cơ bản của Ắc quy Khởi động

Khởi động Động cơ

Việc khởi động quá trình đánh lửa của động cơ được coi là chức năng quan trọng nhất của ắc quy khởi động, thể hiện rõ qua tên gọi của nó. Tạo điều kiện cho một dòng điện tăng vọt đến mô-tơ khởi động, ắc quy khởi động khởi động hiệu quả việc quay động cơ đốt trong. Ý nghĩa của dòng điện này nằm ở vai trò của nó: nó tạo ra tia lửa ban đầu quan trọng trong động cơ xăng hoặc nhiệt độ cần thiết trong động cơ diesel, đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí có trong xi-lanh. Động cơ sẽ không hoạt động nếu không có sự cung cấp tức thời dòng điện cao này.

Thiết kế của ắc quy khởi động được ghi nhận về khả năng cung cấp liên tục dòng điện cao này, đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy. Ắc quy khởi động được thiết kế để xả nhanh một phần đáng kể năng lượng dự trữ của chúng trong một khoảng thời gian ngắn, trái ngược với pin xả sâu giải phóng một lượng nhỏ năng lượng dần dần trong thời gian dài. Trong những trường hợp khó khăn như quá lạnh hoặc không hoạt động kéo dài, sự tăng vọt năng lượng này đảm bảo quá trình đánh lửa của động cơ, cho phép nó khởi động một cách đáng tin cậy.

Ổn định Nguồn điện

Mặc dù vai trò chính của ắc quy khởi động là khởi động động cơ, nhưng nhiệm vụ của nó vẫn tiếp tục sau khi động cơ được kích hoạt. Một loạt các bộ phận điện tử, trải dài từ hệ thống chiếu sáng cơ bản đến thông tin giải trí tinh vi và các tính năng hỗ trợ người lái, là tiêu chuẩn trong các phương tiện hiện đại. Đảm bảo nguồn điện ổn định và nhất quán là rất quan trọng đối với các hệ thống này, một trách nhiệm mà ắc quy khởi động tích cực tham gia.

Máy phát điện thường cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử này khi động cơ của xe đang chạy. Tuy nhiên, một số tình huống phát sinh như khi khởi động hoặc khi tải điện vượt quá công suất của máy phát điện, khiến ắc quy phải can thiệp và ổn định nguồn điện. Bằng cách đảm bảo chức năng không bị gián đoạn của tất cả các bộ phận điện tử, hiệu suất của xe và sự an toàn của người ngồi trên xe được duy trì. Tải điện tử được cung cấp bởi bus hệ thống điện áp thấp thường hoạt động trong phạm vi điện áp từ 9V đến 16V, cho thấy rằng điện áp cung cấp này không được điều chỉnh hoàn hảo tại bất kỳ thời điểm nào.

Lưu trữ Năng lượng

Khả năng giữ năng lượng của ắc quy khởi động là cơ sở cho chức năng của nó. Năng lượng dự trữ không chỉ quan trọng đối với việc đánh lửa động cơ; nó cũng phục vụ mục đích duy trì hệ thống điện của xe trong thời gian động cơ không hoạt động. Ví dụ, khi đỗ xe, các phương tiện thường duy trì bộ nhớ cho đồng hồ kỹ thuật số và cài đặt trước radio, duy trì hệ thống an ninh đang hoạt động và cũng có thể cung cấp năng lượng cho các chức năng khác như hệ thống mở khóa từ xa (remote entry systems). Năng lượng cần thiết cho các chức năng này được cung cấp bởi ắc quy khởi động.

Hơn nữa, khả năng lưu trữ năng lượng của ắc quy khởi động trở nên quan trọng khi nhu cầu điện của xe vượt quá công suất đầu ra của máy phát điện, ngoài các hoạt động thụ động của nó. Trong những trường hợp như vậy, pin cung cấp thêm năng lượng cần thiết và do đó hoạt động như một nguồn dự trữ.

Mặc dù tên của ắc quy khởi động cho thấy vai trò chính của nó, nhưng nó thực sự thực hiện nhiều trách nhiệm khác nhau trong một chiếc xe hiện đại. Ắc quy khởi động đóng một vai trò trung tâm trong hiệu suất và chức năng tổng thể của xe, chịu trách nhiệm cho cả việc khởi động động cơ và đảm bảo hoạt động trơn tru của nhiều bộ phận điện tử.

Yêu cầu Kỹ thuật đối với Ắc quy Khởi động

Dòng khởi động nguội (Cold-Cranking Amps – CCA)

Đối với ắc quy khởi động, dòng khởi động nguội (CCA) là một thông số quan trọng. Khả năng khởi động động cơ của ắc quy trong điều kiện lạnh được đo bằng CCA. Cụ thể, Dòng khởi động nguội (CCA) đo số ampe mà ắc quy axit-chì có thể cung cấp trong 30 giây ở 0°F (-17,8°C), duy trì điện áp cao hơn 7,2V đối với ắc quy 12V. Hầu hết các phương tiện thường yêu cầu Dòng khởi động nguội (CCA) từ 250 đến 600, trong khi xe buýt có thể yêu cầu lên đến 1000CCA, tùy thuộc vào kích thước của Động cơ đốt trong (ICE).

Điều gì làm cho thông số kỹ thuật này quan trọng như vậy? Dầu động cơ đặc lại, và đồng thời, các phản ứng hóa học bên trong ắc quy chậm lại ở vùng khí hậu lạnh hơn, dẫn đến tăng điện trở trong (internal resistance). Do đó, việc khởi động động cơ trở nên khó khăn hơn đối với mô-tơ khởi động. Đảm bảo khởi động xe đáng tin cậy trong suốt mùa đông, giá trị CCA lớn hơn thể hiện khả năng của ắc quy trong việc cung cấp công suất tăng lên trong những tình huống khắc nghiệt như vậy. Trong khi CCA được thiết kế cho nhiệt độ môi trường –17,8°C, một số khu vực trên hành tinh, chẳng hạn như Siberia, có thể trải qua nhiệt độ thấp tới -50°C.

Dung lượng Dự trữ (Reserve Capacity – RC)

Mặc dù trong một tình huống tải cao và thời gian ngắn cụ thể, CCA đánh giá hiệu suất của ắc quy, dung lượng dự trữ (RC) cung cấp thông tin về độ bền hoặc sức chịu đựng của ắc quy. Tính bằng phút, dung lượng dự trữ (RC) thể hiện khoảng thời gian mà một ắc quy được sạc đầy có thể cung cấp 25A ở 80°F (26,7°C) trước khi điện áp của nó giảm xuống dưới ngưỡng tới hạn 10,5V. Trong việc định cỡ hệ thống điện của xe, ngưỡng điện áp này là bắt buộc. Xem xét rằng tải điện thường hoạt động đầy đủ trên điện áp cung cấp 9V, có tính đến sụt áp (voltage drop) của bó dây (cable harness), điều quan trọng là phải đo ngưỡng 10,5V tại các cực của ắc quy.

Giá trị của dung lượng dự trữ nằm ở việc đánh giá khả năng của ắc quy trong việc duy trì hệ thống điện của xe trong trường hợp máy phát điện bị hỏng. Xe sẽ hoàn toàn dựa vào năng lượng dự trữ của ắc quy nếu máy phát điện không hoạt động. Dung lượng dự trữ (RC) lớn hơn cho thấy khả năng của ắc quy trong việc hỗ trợ các yêu cầu này trong thời gian dài hơn, cung cấp cho người lái nhiều thời gian hơn để tìm kiếm sự giúp đỡ hoặc đến đích dự định của họ.

Tuổi thọ Ắc quy và Vòng đời (Battery Life and Cycle Life)

• Tuổi thọ Ắc quy (Battery Life): Vòng đời hoàn chỉnh của ắc quy được thể hiện bằng tuổi thọ ắc quy, liên quan đến việc giảm dung lượng và tăng điện trở trong, bắt đầu từ lần sử dụng đầu tiên cho đến khi nó đạt đến điểm không thể cung cấp đủ năng lượng cần thiết để khởi động xe nữa. Tuổi thọ ắc quy có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau như tần suất xả sâu (deep discharges), điều kiện môi trường (như tiếp xúc nhiều lần với nhiệt độ cao, có thể làm giảm tuổi thọ của ắc quy) và mức độ chất lượng bảo trì.
• Vòng đời (Cycle Life): Một khái niệm khác có liên quan chặt chẽ nhưng riêng biệt là vòng đời, đo số lượng chu kỳ sạc/xả hoàn chỉnh mà ắc quy có thể chịu được trước khi dung lượng của nó giảm xuống dưới một ngưỡng được chỉ định, thường là khoảng 80% dung lượng ban đầu. Trong lĩnh vực ắc quy khởi động, nơi các chu kỳ xả sâu và sạc lại không thường xuyên, vòng đời ít quan trọng hơn so với các ứng dụng khác, chẳng hạn như pin điện áp cao trong xe điện. Tuy nhiên, những hiểu biết có giá trị về độ bền của ắc quy được cung cấp bằng cách hiểu vòng đời, đặc biệt là trong các tình huống mà ắc quy thường xuyên bị xả, như đã thấy ở các phương tiện được trang bị hệ thống dừng-khởi động tiên tiến (advanced stop-start systems).

Các thông số kỹ thuật thiết yếu cho ắc quy khởi động bao gồm sự kết hợp của các đặc tính hiệu suất được thiết kế đặc biệt để đảm bảo độ bền, độ tin cậy và tuổi thọ kéo dài. Để đánh giá và chọn pin phù hợp nhất với các yêu cầu riêng biệt của phương tiện và môi trường của họ, các phép đo này trao quyền cho cả kỹ sư và người tiêu dùng.