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1、第一讲 传统汽车电源系统一.概述 目前，汽车的电源系统采用14V电压供电（12V的蓄电池），功率普遍为12KW。具体结构如图1示：图1.汽车电源系统 该结构特点是：该结构特点是：采用交流同步发电机；三相整流器将交流电压整成直流电压；单一的14V电源总线 电源负极搭铁（接地）。一.概述其中，用电器主要有：起动电机；档风玻璃加热器；各种车内照明；各种信号装置；各种控制器；发动机点火装置等。存在问题：存在问题：电流大，扩大容量比较困难。动力蓄电池动力蓄电池蓄电池的主要技术参数：1.电池的容量；2.电池的使用寿命；3.电池的功率密度；4.电池的能量密度；5.电池的温升特性；二.蓄电池v首先，来讲一下蓄
2、电池（即铅酸电池）。蓄电池每个单格的标称电压为2V，由若干单格电 池组成蓄电池总成，以满足汽车用电设备的需要。蓄电池主要由极板组、隔板、壳体、联条、加液孔盖、和电解液组成。蓄电池的正极板为 ，负极板为 ，电解液为 的水溶液，蓄电池充放电过程中的化学反应是可逆的。根据蓄电池的充放电时的化学反应过程，可以得出如下结论：蓄电池在充放电过程中，其内部活性物质是处于化合和分解的矛盾运动中，略去中间的化学反应，其运动过程可表示为：二.蓄电池 由此可以看出：蓄电池在放电时，电解液中的硫酸逐渐减少而水增多，电解液比重下降，充电时，恰好相反，故可通过测量电解液比重来判断蓄电池的充放电程度。在充放电时，电解液比重
3、发生变化，主要是由于正极板处活性物质化学反应的结果，因而要求正极板处电解液的流动性要好，隔板的结构和安装应特别注意。蓄电池放电终了时，实际上只有少部分活性物质转变为硫酸铅。因此，要减轻蓄电池重量，提高其供电能力，应设法提高极板的孔隙度，减小极板厚度，以提高活性物质的利用率。蓄电池的工作特性 要使蓄电池得到合理使用，必须掌握它的工作特性，即蓄电池的电动势、内阻、充放电特性和容量等变化规律。二.蓄电池 电动势和内阻 在蓄电池内部工作物质的运动处于暂时的平静状态时，蓄电池的电动势称为静止电动势，其大小取决于电解液的比重和温度，静止电动势 ，在15时和电解液的比重关系可近似表示为：其中，式中 15时电
4、解液的比重。蓄电池的内阻包括极板、隔板、电解液、联条和极桩等的电阻。电解液的电阻与电解液的温度和比重有关，比重为1.2时，硫酸的电离最好，粘度较小，电阻也最小，所以适当采用低比重和提高温度，对降低蓄电池的内阻是很有意义的，尤其是冬季。总之，铅酸电池的内阻是很小的，因此可以获得较大的输出电流，二.蓄电池适应起动需要。蓄电池的充电特性 蓄电池的充放电特性是指在恒流充电过程中蓄电池的端电压，电动势E 和电解液比重随时间的变化规律如图2示。可以看到：在充电过程中，蓄电池电解液比重和静止电动势与充电时间成直线关系增长，端电压不断上升，并且总大于电动势E。因为加在正负极上的端电压图2 蓄电池充电特性二.蓄
5、电池 桩上的端电压，必须克服电动势E和内阻压降 ，电流才能通过。即 由上述和图2可知，判断蓄电池充足电的现象是：1)端电压升到最大值，且两个小时内不再增加；2)电解液比重上升到最大值，且两个小时内不再增加；3)蓄电池激烈地放出大量气泡，电解液沸腾。蓄电池的放电特性 蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池端电压 ，电动势E和 电解液比重 随放电时间的变化规律。如图3所示。在放电过程中，电解液比重是直线下降的，从1.27降至1.11，这是因为，在恒流放电时，在单位时间内，蓄电池内部活性物质与电解液进行化学反应的速度时一定的，这时所消耗的硫酸和生成的水与放电时间成正比。因而可用测量电解液比重来
6、判断蓄电池的放电程度，一般 每下降0.04，则蓄电池约放电25。因静止电动势 与成正比，故 也成直线下降。二.蓄电池图3 蓄电池放电特性二.蓄电池 在放电时，总是小于E，即 从而，蓄电池是否放完电，通常可以由两个参数来判断：1）单格电池电压降到放电终止电压；2）电解液比重降到最小许可值，约为1.11。容许的放电终止电压与放电的电流强度有关，放电电流越大，则放完电的时间越短，允许的放电终止电压也越低，如表1示。（Qe为蓄电池的额定容量）放电电流/A0.05Qe0.1Qe0.25QeQe3Qe连续放电时间/h201030.50.083单格电池终止电压/V1.751.701.651.551.5二.蓄
7、电池蓄电池容量 蓄电池的容量是指在放电允许的范围内蓄电池输出的电量，即容量Q等于放电电流与放电时间的乘积 蓄电池的容量与放电电流的大小及电解液的温度有关，因此，蓄电池厂规定的标称容量，是在一定的放电电流，一定的终止电压和一定的电解液温度下取得的，标称容量有两种：1）额定容量Qe 额定容量是指完全充足的蓄电池，在电解液平均温度为30 的情况下，以20h放电率放电至单格电压降至1.75V时，所输出的电量。2）起动容量 起动容量是表征蓄电池在发动机起动时供电能力，一般分为常温和二.蓄电池低温两种。a）常温起动容量，即电解液平均温度为30 时，以5min放电率的电流（即3Qe电流）放电至单格电压下降到
8、1.5V时所输出的电量。b）低温起动容量，即电解液平均温度为18 时，以3Qe电流放电至单格电压下降至1V时所输出的电量。蓄电池的容量越大，可提供的电能就越多，因此它是检验蓄电池质量的重要指标之一。影响蓄电池容量的因素 1）放电电流 随着放电电流的加大，蓄电池的容量和端电压将随之减小。这是因为放电时，正负极板的PbO2，Pb都转变为PbSO4比重较小，因此随着PbSO4的析出，极板孔隙逐渐缩小，使容器中的硫酸渗入困难，且当放电电流增大时，化学反应速度加快，PbSO4堵塞孔隙的速度也加快。由于孔隙中电解液比重迅速下降，使极板内部的大量活性 物质不能参与化学反应，蓄电池的实际输出容量减小。由此可见
9、，如果长时间接通起动机，就会使蓄电池的端电压急速下降至终止电压，输出容量减小，且使蓄电池过早损坏。因此，在使用中接通起动机的时间不允许超过5s，两次起动时间要间隔15s以上，使电解液充分渗入极板内层，以提高蓄电池的使用寿命。2）电解液温度 在一定的放电电流下，温度低则容量减少。这是由于温度降低时，电解液的粘度增加，渗入极板内部困难，同时电阻增大，蓄电池端电压降低，因此容量减少。蓄电池的额定容量是在30 时的容量，温度每降低1 ，缓慢放电时的容量越减少1，迅速放电时越减少2，不同温度下的容量换算可用下式换算成30 时的容量二.蓄电池二.蓄电池 式中Qt电解液平均为t度时的实测容量（Ah）。由于温
10、度对蓄电池容量和端电压有很大的影响，所以在寒冷地区冬季，会给停车带来一定的困难，特别是起动时，由于低温和强电流放电，蓄电池端电压下降较多，容易造成点火困难，故应装蓄电池保温装置。3）电解液比重 提高电解液比重，可以提高铅酸蓄电池的电动势和容量。但电解液比重过大，又将导致粘度增加和内阻增加，反而会使蓄电池容量减小。实践证明，电解液比重偏低，有利于提高放电电流，有利于延长蓄电池使用寿命，冬季在不使电解液结冰的前提下，也尽可能采用稍低的电解液比重。三.发电机v 前面已经讲过，汽车上使用的电源，除蓄电池外，还有发电机，在发动机正常工作转速范围内，汽车的用电设备，主要靠发电机供电，而且当蓄电池存电不足时
11、，发电机还给蓄电池充电。现代汽车的各种设施越来越完善，用电设备的数量也越来越多。因此，要求发电机有较大的功率输出。传统的直流发电机已不能适应现代汽车的要求而被交流发电机取代。所以下面简单介绍一下交流发电机。v 汽车用交流发电机，多采用三相同步交流发电机，由6只二极管构成三相全桥整流器。三.发电机 各国生产的交流发电机都大同小异，主要由定子、转子、滑环、电刷、整流二极管、前后端盖、风扇及皮带轮等组成。有的还将调节器与发电机装在一起。交流发电机工作原理 1）发电原理 交流发电机的转子为一旋转磁场，磁力线和定子绕组产生相对运动，在三相绕组中产生交流电动势，其频率f为三.发电机式中 p磁极对数；n发电
12、机转速。在汽车交流发电机中，由于转子磁极呈鸟嘴行，其磁场分布近似于正弦规律，所以感应电动势也近似于正弦波形。三相绕组在定子槽中时对称绕制的，因此，三相电动势大小相等，相位差为120度电角度。发电机每相电动势的有效值E为 式中 K绕组系数（交流发电机采用整距集中绕组时K1）；f感应电动势的频率；三.发电机 N每相绕组匝数；每极磁通。2）整流过程 利用二极管的单向导电性就能组成各种形式的整流电路，把交流电整成直流电。一般采用三相桥式整流电路。3）激磁方法 汽车用硅整流发电机，在不外接电源时，本身也可能利用剩磁自激发电，但一方面由于转子剩磁较弱，所能感应的电动势较低；另一方面，硅二极管由约0.6V的
13、门槛电压。在电压低于门槛电压时，二极管处于截至状态，所以交流发电机只有在较高转速下，才可能自激发电，但这不能满足汽车三.发电机 使用要求。因此汽车上用的交流发电机在低转速时，是采用他激方式，即蓄电池供给激磁绕组电流，以增强磁场，使电压很快上升。当转速达到一定值后，即发电机产生的电压达到蓄电池充电电压时，发电机才自激，即利用定子绕组产生的经过整流的直流电供给激磁绕组。4）交流发电机的特性 a）输出特性 输出特性是指发电机端电压不变，即U常数的情况下，输出电流与发电机转速之间的关系，即If（n）的函数关系，如图4所示。值得注意的是，交流发电机能自动限制最大输出电流。原因如下：三.发电机图4 交流发
14、电机输出特性三.发电机 i.定子绕组具有一定的感抗XL，因此其阻抗Z为 式中 r相绕组的电阻值。在转速较高时，r比XL小得多，而可以忽略不计。即阻抗Z约等于感抗XL，所以转速升高时，阻抗随之增大，产生较大的内阻压降，端电压有所下降。ii.定子电流增加时，电枢反应增强。感应电动势也会下降。由于以上两个方面的原因，就可使输出电流的最大值受到限制，所以交流发电机，可以不需另加电流限制器，而具有自我保护能力。三.发电机 b）空载特性 空载特性是指发电机空载时，发电机端电压与转速之间的关系，即I0时，Uf（n）的函数关系，如图5所示。c）外特性 外特性是指转速一定时，发电机的端电压与输出电流之间的关系，
15、即n常数时，Uf（I）的函数关图5发电机空载特性三.发电机 系。有图6可知，随着输出电流的增加，发电机的端电压下降较大。因此当发电机在高速运转时，如果突然失去负载，则其端电压急剧升高，这时发电机中的二极管以及调节器中的电子元件将有被击穿的危险。图6 发电机外特性四.电压调节器 由前所述，交流发电机的硅二极管具有单向导电性，有阻止反向电流的作用，所以不需要设电流截流继电器。另外，交流发电机具有自动限制最大电流的能力，也不需要电流限制继电器，只需一个电压调节继电器。现在汽车上用的电压调节器有电磁振动式、晶体管式和集成电路等多种。下面主要介绍一下晶体管式电压调节器。四.电压调节器 晶体管式电压调节器以开关代替触点，不但开关频率高，且不会产生火花，调节效果好，具有重量轻、体积小、寿命长、可靠性高等优点，所以晶体管调节器使用越来越广泛。晶体管调节器的基本原理，基本电路如图7示。四.电压调节器图7 晶体管调压电路当发动机起动后随着转速上升，当端电压高于调整值时，R1上的检测电压达到稳压管的反向击穿电压，DW导通，随即T1导通，T2截至，激磁电流下降为零，端电压下降，当下降到低于调整值时，DW恢复到截至状态，T1截至，T2导通。如此反复，使发电机端电压稳定在规定的调整值上