Tìm hiểu tất tần tật về ắc quy chì trong bộ lưu điện UPS
Trong hệ thống UPS, ắc quy chì là thành phần lưu trữ năng lượng phổ biến nhất. Chúng có chi phí hợp lý, khả năng cung cấp dòng lớn và độ tin cậy cao. Dù công nghệ lưu trữ ngày càng đa dạng, ắc quy chì vẫn giữ vai trò quan trọng trong nhiều giải pháp từ dân dụng đến công nghiệp. Huyndai Việt Thanh sẽ đi sâu tìm hiểu về ắc quy chì trong hệ thống UPS hiện đại.
Cấu tạo
Các thành phần chính
Bản cực dương (PbO₂): Là bản cực hoạt động dưới dạng chì dioxit, có tính oxy hóa mạnh. Khi phóng điện, PbO₂ sẽ phản ứng với ion H⁺ và ion SO₄²⁻ trong dung dịch axit để tạo thành PbSO₄ và nước. Bản cực này thường có cấu trúc xốp để tăng bề mặt phản ứng.
Bản cực âm (Pb): Gồm các tấm chì kim loại nguyên chất. Khi phóng điện, Pb bị oxy hóa tạo thành PbSO₄. Sau khi sạc, PbSO₄ chuyển hóa ngược về Pb. Cả hai bản cực được cách ly bởi các tấm ngăn cách (separator) để tránh đoản mạch.
Chất điện phân (H₂SO₄): Là dung dịch axit sulfuric loãng. Chúng đóng vai trò trung gian cho phản ứng hóa học giữa hai bản cực. Trong loại AGM và Gel, chất điện phân được cố định nhằm chống rò rỉ và bay hơi.
Vỏ bình và hệ thống an toàn: Vỏ bình thường làm bằng ABS chịu lực, chịu nhiệt. Các ắc quy kín khí còn tích hợp van an toàn. Giúp xả khí dư khi áp suất nội bộ vượt ngưỡng, bảo vệ chống nổ. Một số loại có thêm thiết kế chống rò rỉ, chống ngược cực và bảo vệ ngắn mạch.
Xem thêm:
Các loại ắc quy dùng cho UPS: Axit chì, AGM, Gel và Lithium-ion
Bộ Lưu Điện Online 6000VA Hyundai HD-6KS
Phân loại
- Ắc quy axit chì hở (Flooded Lead-Acid):
Chứa chất điện phân dạng lỏng tự do. Cần châm nước định kỳ, thoát khí trong quá trình sạc. Loại này không phù hợp cho không gian kín hoặc các hệ thống UPS nhỏ.
- Ắc quy kín khí AGM (Absorbent Glass Mat):
Sử dụng sợi thủy tinh (mat) thấm hút điện phân, giữ chất lỏng cố định trong cấu trúc sợi. Không cần bảo trì, giảm bay hơi, cho dòng xả cao và độ bền tốt. Rất phổ biến trong UPS dân dụng và công nghiệp nhẹ.
- Ắc quy Gel:
Thay vì chất lỏng, điện phân được trộn với silica tạo thành gel đặc. Có khả năng chịu nhiệt cao, chống xả sâu tốt hơn AGM, nhưng dòng xả tức thời thấp hơn. Phù hợp cho môi trường khắc nghiệt hoặc ứng dụng yêu cầu độ ổn định cao.
Nguyên lý hoạt động
Ắc quy chì hoạt động dựa trên nguyên lý điện hóa thuận nghịch. Trong đó quá trình xả điện (discharge) và sạc lại (charge) đều liên quan đến sự chuyển hóa hóa học giữa chì (Pb), chì dioxit (PbO₂) và axit sulfuric (H₂SO₄). Cả hai bản cực đều phản ứng với điện phân để sinh ra điện năng.
- Phản ứng khi xả điện (Discharge)
Khi UPS chuyển sang chế độ chạy pin (do mất điện lưới), ắc quy bắt đầu xả điện theo chu trình sau:
Phản ứng tại bản cực âm (Pb):
Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻
Phản ứng tại bản cực dương (PbO₂):
PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
Tổng phương trình phản ứng xả:
Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O
=> Kết quả: Cả hai bản cực đều chuyển thành chì sunfat (PbSO₄), đồng thời nồng độ axit giảm (do tiêu thụ ion H⁺ và SO₄²⁻), sinh ra dòng điện nuôi tải UPS.
- Phản ứng khi sạc lại (Recharge)
Khi có điện lưới trở lại, bộ sạc của UPS cấp điện vào ắc quy để đảo ngược phản ứng:
PbSO₄ (âm) + 2e⁻ → Pb + SO₄²⁻
PbSO₄ (dương) + 2H₂O → PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻
Tổng phương trình sạc lại:
2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄
=> Kết quả: Bản cực dương và âm trở về trạng thái ban đầu, và nồng độ axit phục hồi.
Ưu – nhược của ắc quy chì
Ưu điểm
Chi phí đầu tư thấp
Ắc quy chì là công nghệ lâu đời, đã được tiêu chuẩn hóa và sản xuất quy mô lớn. Nhờ đó có giá thành thấp hơn so với các loại ắc quy công nghệ mới như Lithium-ion. Đây là lợi thế lớn trong các hệ thống UPS quy mô vừa và nhỏ.
Khả năng cung cấp dòng xả cao
Ắc quy chì có điện trở trong thấp, cho phép cung cấp dòng xả tức thời lớn. Rất phù hợp với đặc điểm vận hành của UPS, vốn cần phản ứng ngay khi mất điện.
Dễ thay thế và sẵn có
Ắc quy chì gần như có mặt ở mọi thị trường, phụ tùng phổ biến, dễ thay thế nhanh chóng khi có sự cố. Đây là yếu tố quan trọng đối với doanh nghiệp yêu cầu thời gian hồi phục tối thiểu.
Tùy biến theo nhu cầu
Các biến thể như AGM (phù hợp lắp đặt trong tủ rack, phòng kín) hay Gel (chịu nhiệt tốt hơn) cho phép tùy chọn linh hoạt theo môi trường và điều kiện lắp đặt.
Nhược điểm
Trọng lượng nặng, kích thước cồng kềnh
Ắc quy chì có mật độ năng lượng thấp hơn Lithium-ion. Dẫn đến cùng một dung lượng thì trọng lượng và kích thước lớn hơn. Điều này gây hạn chế khi lắp đặt trong không gian chật hẹp.
Tuổi thọ giới hạn
Ắc quy chì có tuổi thọ thấp hơn các công nghệ mới. Đặc biệt khi bị xả sâu thường xuyên hoặc làm việc trong môi trường nhiệt độ cao.
Hiệu suất thấp hơn khi hoạt động liên tục
Nếu UPS hoạt động thường xuyên, ắc quy chì có thể nhanh xuống cấp do chu kỳ nạp/xả liên tục. Trong các môi trường yêu cầu backup thường xuyên. Như trung tâm dữ liệu hoặc viễn thông, điều này cần cân nhắc kỹ.
Nhạy cảm với nhiệt độ và chế độ sạc
Ắc quy chì dễ bị hư hỏng nếu hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao kéo dài. Ngoài ra, nếu bộ sạc không được thiết kế tối ưu có thể dẫn đến hiện tượng overcharge.
Ứng dụng thực tế
Dưới đây là các ứng dụng tiêu biểu, cũng như lý do tại sao ắc quy chì vẫn được ưa chuộng trong nhiều kịch bản thực tế.
- Văn phòng và doanh nghiệp vừa – nhỏ
Trong các văn phòng, cửa hàng, phòng máy chủ mini hay hệ thống POS, UPS sử dụng ắc quy chì AGM là lựa chọn phổ biến. Chúng duy trì nguồn điện trong thời gian ngắn, đủ thời gian lưu dữ liệu.
Ưu điểm: nhỏ gọn, dễ bảo trì, chi phí thấp.
- Trung tâm dữ liệu cấp độ nhỏ đến trung bình
Dù các trung tâm dữ liệu quy mô lớn đang dần chuyển sang Lithium-ion. Nhưng nhiều hệ thống quy mô vừa vẫn sử dụng tủ UPS tích hợp ắc quy chì kín khí do chi phí đầu tư thấp hơn.
Lợi ích: Dễ dự phòng, dễ mở rộng, không cần hệ thống làm mát chuyên biệt.
- Hệ thống camera, báo cháy và an ninh
Các hệ thống an ninh thường yêu cầu UPS duy trì điện ổn định trong thời gian vài chục phút đến vài giờ. Ắc quy Gel chịu xả sâu và hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ dao động. Thường được chọn trong các hệ thống này.
Lý do chọn Gel: Bền hơn trong môi trường khắc nghiệt, ít cần bảo dưỡng.
- Nhà máy và hệ thống công nghiệp
UPS sử dụng ắc quy chì đóng vai trò bảo vệ các bộ điều khiển tự động, cảm biến và hệ thống PLC khỏi mất điện đột ngột. AGM vẫn là loại được sử dụng nhiều do khả năng chịu tải đột biến tốt.
Ưu điểm kỹ thuật: đáp ứng nhanh, phù hợp với dòng khởi động cao.
