第1章 汽車車載電源與充電系統(tǒng)
　　
【知識目標(biāo)】
　　了解汽車車載電源的組成及要求，掌握蓄電池、交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造和工作原理；理解蓄電池、交流發(fā)電機(jī)的工作特性及蓄電池容量的概念；理解交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的工作原理；熟悉汽車充電系統(tǒng)的典型電路。
【技能目標(biāo)】
　　會對蓄電池的技術(shù)狀況進(jìn)行檢查，能夠正確對蓄電池進(jìn)行充電；會對交流發(fā)電機(jī)的整機(jī)性能進(jìn)行檢測。


1.1 概 述
1.1.1 汽車車載電源的組成與要求
1．汽車車載電源的組成
　　汽車上裝有蓄電池與發(fā)電機(jī)兩個直流電源，全車用電設(shè)備均與直流電源并聯(lián)連接，如圖1-1所示。


圖1-1 汽車電源的組成
1-發(fā)電機(jī)；2-調(diào)節(jié)器；3-用電設(shè)備；4-電流表；5-蓄電池；6-起動開關(guān)；7-起動機(jī)


　　在發(fā)動機(jī)工作時，發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，向汽車用電設(shè)備提供電能，并向蓄電池充電。在起動發(fā)動機(jī)時，則由蓄電池提供電能。蓄電池的具體作用如下。
　　(1) 發(fā)動機(jī)起動時，向起動機(jī)和點火系統(tǒng)供電。
　　(2) 發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，向用電設(shè)備和發(fā)電機(jī)磁場繞組供電。
　　(3) 發(fā)動機(jī)中、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，將發(fā)電機(jī)剩余電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來。
　　(4) 發(fā)電機(jī)過載時，協(xié)助發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電。
　　(5) 蓄電池相當(dāng)于一個大電容器，能吸收電路中出現(xiàn)的瞬時過電壓，保護(hù)電子元件，保持汽車電器系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。
　　(6) 對汽車電子控制系統(tǒng)來說，蓄電池是電子控制器的不間斷電源。
2．對汽車車載電源的要求
　　蓄電池用作發(fā)動機(jī)的起動電源，需要在5～10s內(nèi)向起動機(jī)連續(xù)提供大電流(汽油發(fā)動機(jī)為100～600A，大型柴油發(fā)動機(jī)可達(dá)1000A)，因此，要求蓄電池內(nèi)阻要小，大電流輸出時電壓要穩(wěn)定，以確保有良好的起動性能；蓄電池容量要大，以保證有足夠的起動能力。除了要能滿足發(fā)動機(jī)的起動需要外，還要求蓄電池的充電性能良好、使用壽命長、維護(hù)方便或少維護(hù)，以滿足良好的汽車使用性能要求。
　　發(fā)動機(jī)工作時的轉(zhuǎn)速變化很大，要求發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)都能正常發(fā)電且電壓穩(wěn)定，以滿足用電設(shè)備的用電需求；此外，要求發(fā)電機(jī)的體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、故障率低、使用壽命長等，以確保汽車良好的使用性能。


1.1.2 汽車車載電源的現(xiàn)狀與發(fā)展
1．蓄電池
　　可充電的蓄電池也被稱為二次電池。充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時則把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。常用的車用蓄電池可分為普通鉛酸蓄電池、干荷蓄電池和免維護(hù)蓄電池三類。
　　普通鉛酸蓄電池：普通鉛酸蓄電池的極板由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優(yōu)點是電壓穩(wěn)定、價格便宜，缺點是比能量低(即每千克蓄電池存儲的電能)、使用壽命短和日常維護(hù)頻繁。老式普通蓄電池一般壽命在2年左右，而且需定期檢查電解液的高度并添加蒸餾水。不過隨著科技的發(fā)展，目前普通蓄電池的壽命變得更長而且維護(hù)也更簡單了。為了延長鉛酸蓄電池的使用壽命，可以每1萬千米左右檢查一次電解液液面高度，使其始終保持在中間位置。如果保養(yǎng)得當(dāng)，鉛酸蓄電池的壽命可以從2～3年延長至4年甚至5年。
　　干荷蓄電池：干荷蓄電池的全稱是干荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點是負(fù)極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內(nèi)保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，等待20～30分鐘就可使用。
　　免維護(hù)蓄電池：免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。市場上的免維護(hù)蓄電池有兩種：第一種在購買時一次性加電解液，以后使用中不需要維護(hù)(添加補(bǔ)充液)；另一種是電池本身出廠時就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶根本就不能添加補(bǔ)充液。
　　國內(nèi)外都致力于研究與開發(fā)堿性蓄電池，如鐵鎳蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳氫蓄電池、鋅銀蓄電池等。堿性蓄電池具有質(zhì)量輕、自放電少的優(yōu)點，不會因過充電或過放電而造成活性物質(zhì)的鈍化。但是堿性蓄電池活性物質(zhì)的內(nèi)阻較大，導(dǎo)電性差，不適合用作起動電源。目前，堿性蓄電池主要在電動汽車上使用。
2．發(fā)電機(jī)與調(diào)節(jié)器
　　車載發(fā)電機(jī)最早使用的是直流同步發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)一般為鑄鐵外殼，其磁極較大，并且采用機(jī)械換向器整流，所以其體積較大、功率質(zhì)量比小、低速充電性差、高速換向器換向火花大，因不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車對車載發(fā)電機(jī)的要求而被淘汰�，F(xiàn)在汽車上普遍使用硅整流交流發(fā)電機(jī)。其按照總體結(jié)構(gòu)不同可分為普通交流發(fā)電機(jī)(又稱為硅整流發(fā)電機(jī)，使用時需要配裝電壓調(diào)節(jié)器)、整體式交流發(fā)電機(jī)(發(fā)電機(jī)和調(diào)節(jié)器制成一個整體的發(fā)電機(jī))、帶泵交流發(fā)電機(jī)、無刷交流發(fā)電機(jī)、永磁交流發(fā)電機(jī)等幾種；按整流器結(jié)構(gòu)可分為六管交流發(fā)電機(jī)(JF1522，東風(fēng)汽車用)、八管交流發(fā)電機(jī)(JFZ1542，夏利汽車用)、九管交流發(fā)電機(jī)(日產(chǎn)、三菱、馬自達(dá)汽車用)、十一管交流發(fā)電機(jī)(JFZ1913Z，奧迪、桑塔納汽車用)；按磁場繞組搭鐵形式可分為內(nèi)搭鐵型交流發(fā)電機(jī)(磁場繞組的一端直接搭鐵)、外搭鐵型交流發(fā)電機(jī)(磁場繞組的一端接入調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)器后再搭鐵)兩類，其中內(nèi)搭鐵型使用最為普遍。
　　發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的作用是在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化時使發(fā)電機(jī)的電壓仍保持穩(wěn)定。交流發(fā)電機(jī)最初所配用的是觸點式調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在已被電子式調(diào)節(jié)器所替代。電子調(diào)節(jié)器有分立元件和集成電路兩種類型，現(xiàn)在基本上都采用集成電路式電子調(diào)節(jié)器，分立元件式電子調(diào)節(jié)器已很少見。
3．汽車車載電源電壓
　　現(xiàn)代汽車電器系統(tǒng)普遍采用12V系統(tǒng)，只有部分大型柴油車的起動系統(tǒng)采用24V系統(tǒng)。隨著汽車電子控制設(shè)備的應(yīng)用越來越多，如仍采用12V低壓電源供電系統(tǒng)，會使電源承受巨大的壓力。為保證車載電器正常工作，必然要增加線束的截面面積，這會使汽車成本增加，不利于設(shè)備優(yōu)化。為此，世界各國正在研究42V或48V電源系統(tǒng)。從理論上講，電壓提高3倍，電流會減小65%，同時線束截面面積也大為減少。但電壓升級又帶來新的問題，就是要研制新型蓄電池和發(fā)電機(jī)，并且汽車上相應(yīng)的電氣設(shè)備和電子裝置也應(yīng)升級，這顯然會對目前的車載電源系統(tǒng)和電氣設(shè)備產(chǎn)生極大沖擊。
1.2 蓄電池的構(gòu)造、工作原理和工作特性
1.2.1 蓄電池的構(gòu)造
　　普通鉛酸蓄電池主要由極板、隔板、電解液、殼體、聯(lián)條、極樁等主要部件組成，如圖1-2所示。


圖1-2 蓄電池的構(gòu)造
1-正極板；2-負(fù)極板；3-隔板；4-極樁；5-加液孔蓋；6-聯(lián)條；7-外殼
1．極板與極板組
　　極板是蓄電池的核心部分，蓄電池的充、放電過程就是依靠極板上的活性物質(zhì)和電解液中硫酸的化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的。極板分為正極板和負(fù)極板兩種，均由柵架和填充在其上的活性物質(zhì)構(gòu)成，如圖1-3所示。柵架的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，呈深棕色；負(fù)極板上的活性物質(zhì)是海綿狀純鉛(Pb)，呈青灰色。一般負(fù)極厚度為1.8mm，現(xiàn)在有一種薄型極板，厚度為1.1～1.5mm，薄型極板對提高蓄電池的比容量和改善起動性能都是很有利的。




圖1-3 極板
1-柵架；2-活性物質(zhì)
圖1-4 柵架的結(jié)構(gòu)
　　把正負(fù)極板各一片浸入電解液中，就可獲得電動勢，但是為了增大蓄電池的容量，常做成正負(fù)極板組，裝在單格電池內(nèi)，如圖1-5所示。每個單格電池的標(biāo)稱電壓為2V，因此，12V的蓄電池由6個單格電池串聯(lián)而成。負(fù)極板組比正極板組多一片，使正極板處于負(fù)極板之間，兩側(cè)放電均勻，否則，正極板單面工作會使兩側(cè)活性物質(zhì)體積變化不一致而造成極板拱曲，活性物質(zhì)易脫落。


圖1-5 蓄電池極板組結(jié)構(gòu)
1-極板組總成；2-極板聯(lián)條；3-負(fù)極板；4-隔板；5-正極板