第七節(jié) 汽車電源

汽車上的點火系統(tǒng)及全車電器設備的電源由蓄電池、發(fā)電機及其調(diào)節(jié)器組成，其在汽車電路中的連接關系，兩電源并聯(lián)后與用電設備相連。發(fā)動機正常運行時，發(fā)電機向點火系統(tǒng)及其他用電設備供電，并同時向蓄電池充電。汽車的用電設備用電量過大，超過發(fā)電機的供電能力時，蓄電池和發(fā)電機共同向點火系統(tǒng)及其他用電設備供電。發(fā)動機起動或低速運行時，發(fā)電機不發(fā)電或電壓很低，起動機、點火系統(tǒng)及其他用電設備所需要的電能，全部由蓄電池供給。

一、蓄電池

蓄電池是一個化學電源。充電時，其內(nèi)部的化學反應將外接電源的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存起來；用電時， 再通過化學反應將儲存的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，輸出給用電設備。蓄電池的種類繁多，按電解液成分的不同分為堿性蓄電池和酸性蓄電池。由于酸性蓄電池電極的主要成分是鉛，所以也稱為鉛酸蓄電池，簡稱鉛蓄電池。由于發(fā)動機起動時，蓄電池必須能夠為起動機提供200～600A的電流，有些大功率柴油機起動機的起動電流高達1000A，且要持續(xù)5s以上的時間；在發(fā)電機發(fā)生故障不能工作時，蓄電池的容量應能維持車輛行駛一定的時間。所以要求汽車用蓄電池有盡可能小的內(nèi)阻以及足夠大的容量。鉛蓄電池雖然比能較低，但其內(nèi)阻小、電壓穩(wěn)定、在短時間內(nèi)能提供較大的電流，并且結構簡單、原料豐富，因而在汽車上得到廣泛的應用。(如下左圖)

汽車用鉛蓄電池又分為普通型、干式荷電型、濕式荷電型和免維護型。干式荷電型蓄電池除具有普通型鉛蓄電池的全部功能外，其主要特點是蓄電池內(nèi)部無電解液貯存，極板是干的，且處于荷電狀態(tài)，新的蓄電池不必經(jīng)過長時間的初充電即可投入使用。濕式荷電型蓄電池的極板為荷電狀態(tài)，蓄電池內(nèi)部有少量的電解液，大部分電解液被極板和隔板吸收并儲存起來。免維護型蓄電池是在汽車合理使用過程中，不需要添加蒸餾水的一種新型蓄電池。免維護蓄電池的電解液，由制造廠一次性加注，并密封在殼體內(nèi)，因此電解液不會泄漏、不會腐蝕接線柱和機體，在使用中不需加注蒸餾水或補充電解液來調(diào)節(jié)液面高度，無需保養(yǎng)與維護。(如上右圖)

第七節(jié) 汽車電源

二、發(fā)電機

車用發(fā)電機是在發(fā)動機的驅(qū)動下，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它作為汽車的主要電源，其作用是在發(fā)動機怠速以上轉(zhuǎn)速運行時，為電氣設備供電且不斷地給蓄電池充電。

目前，國內(nèi)外汽車使用的發(fā)電機幾乎都是交流發(fā)電機。這是因為交流發(fā)電機與直流發(fā)電機相比，具有體積小、質(zhì)量輕、結構簡單、維修方便、壽命長、發(fā)動機低速時充電性能好、配用的調(diào)節(jié)器結構簡單、產(chǎn)生的無線電干擾信號弱、能節(jié)省大量銅材等優(yōu)點，因此，自誕生后即得到迅速普及。

1.硅整流交流發(fā)電機的類型

(1)硅整流發(fā)電機按總體結構的不同，分為：

普通交流發(fā)電機： 指無特殊裝置和特殊功能的汽車交流發(fā)電機，如JF132交流發(fā)電機。

整體式交流發(fā)電機：指內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器的交流發(fā)電機，如一汽大眾奧迪、高爾夫、捷達和上海桑塔納等轎車用JFZ1613Z型交流發(fā)電機。

帶泵交流發(fā)電機：指帶真空泵的交流發(fā)電機，如JFB1712系列交流發(fā)電機。

無刷交流發(fā)電機：指無電刷和滑環(huán)結構的交流發(fā)電機，如JFW1913型交流發(fā)電機。

永磁交流發(fā)電機：指轉(zhuǎn)子磁極采用永磁材料的交流發(fā)電機。

(2)按整流器結構不同，交流發(fā)電機又可分為：

六管交流發(fā)電機：指整流器是由六只硅整流二極管組成的三相橋式全波整流電路的交流發(fā)電機。

八管交流發(fā)電機：有些發(fā)電機為了利用中性點電壓，增加了2個中性點二極管，將發(fā)電機中性點電壓整流后匯入發(fā)電機輸出端，可以提高發(fā)電機的功率，則其整流器總成有8只二極管。

九管交流發(fā)電機：有些發(fā)電機為了向勵磁繞組供電，還裝有3個勵磁二極管，與整流器的3個負極二極管形成另一個全波整流電路，因此其整流器有9個二極管，

內(nèi)搭鐵交流發(fā)電機：指勵磁繞組一端通過發(fā)電機外殼直接搭鐵，另一端通過調(diào)節(jié)器接電源的交流發(fā)電機，如JF132N交流發(fā)電機。

外搭鐵交流發(fā)電機：指勵磁繞組一端直接接電源，另一端通過調(diào)節(jié)器搭鐵的交流發(fā)電機，多數(shù)采用電子調(diào)節(jié)器的發(fā)電機都是這種類型。

2.硅整流交流發(fā)電機的結構

轉(zhuǎn)子用來在發(fā)電機工作時建立磁場。它由壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩塊爪形磁極、兩塊磁極之間的勵磁繞組和壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩個滑環(huán)組成。兩個滑環(huán)彼此絕緣并與軸絕緣。勵磁繞組的兩端分別焊接在兩個滑環(huán)上。

定子用來在發(fā)電機工作時，與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用產(chǎn)生交流電壓。它由內(nèi)圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心和對稱地安裝在鐵心上的三相定子繞組組成。三相定子繞組按星形或按三角形接法連接。按星形接法連接時，三相繞組的首端分別與整流器的硅二極管相連，三相繞組的尾端連在一起作為發(fā)電機的中性點。按三角形接法連接時，將三相繞組中一相繞組的首端與另一相繞組的尾端相連，并將聯(lián)接點接整流器的硅二極管。

整流器是由6個(8個、9個或11個)硅二極管組成的三相橋式全波整流電路，在發(fā)動機工作時將三相定子繞組中產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。在負極搭鐵的發(fā)電機中，3個(或4個)二極管的殼體為負極，壓裝在與發(fā)電機機體絕緣的元件板上，并與發(fā)電機的輸出端(正極)相連，其引線為二極管的正極，稱為正極二極管；另外3個(或4個)二極管的殼體為正極，壓裝在不與機體絕緣的元件板上，或直接壓裝在電刷端蓋上，作為發(fā)電機的負極，其引線為負極，稱為負極二極管。

驅(qū)動端蓋和電刷端蓋作為發(fā)電機的前后支撐。電刷端蓋上裝有電刷架和兩個彼此絕緣的電刷，并通過電刷彈簧，使電刷與轉(zhuǎn)子軸上的兩個滑環(huán)保持接觸，電刷的引線分別與電刷端蓋上的兩個磁場接線柱相連(外搭鐵式交流發(fā)電機)，或一個與磁場接線柱相連，另一個在發(fā)電機內(nèi)部搭鐵(內(nèi)搭鐵式交流發(fā)電機)。發(fā)電機的整流器總成也安裝在驅(qū)動端蓋上，以有利于檢修。(如下左圖)

3.硅整流交流發(fā)電機的工作原理

發(fā)電機工作時，通過電刷和滑環(huán)將直流電壓作用于勵磁繞組1的兩端，則在勵磁繞組中有電流通過，并在其周圍產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子軸和軸上的兩塊爪形磁極被磁化，一塊為N極，另一塊為S極。由于它們的極爪相間排列，便形成了一組交錯排列的磁極。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子中間形成旋轉(zhuǎn)的磁場，使安裝在定子鐵心上的三相定子繞組中感應生成三相交流電，經(jīng)整流器整流為直流電。(如上右圖)

第七節(jié) 汽車電源

三、發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器

汽車上的發(fā)電機是由發(fā)動機通過風扇皮帶驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的，由于發(fā)動機工作時的轉(zhuǎn)速在很寬的范圍內(nèi)變化，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機的電壓也將在很寬的范圍內(nèi)變化。汽車用電設備的工作電壓和對蓄電池的充電電壓是恒定的，一般為12V、24V或6V。為此，要求在發(fā)動機工作時，發(fā)電機的輸出電壓也保持恒定，以便保證用電設備和蓄電池正常工作。因此，汽車上使用的發(fā)電機，必須配電壓調(diào)節(jié)器，以便在發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，保持發(fā)電機端電壓恒定。發(fā)電機工作時，電壓調(diào)節(jié)器在發(fā)電機電壓超過一定值以后，通過調(diào)節(jié)經(jīng)過勵磁繞組的電流強度來調(diào)節(jié)磁場磁通的方法，在發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，保持其端電壓為規(guī)定值。發(fā)電機的調(diào)節(jié)電壓一般為13.5～14.5V(或13.8～14.8V)。電壓調(diào)節(jié)器有觸點振蕩式電壓調(diào)節(jié)器、晶體管電壓調(diào)節(jié)器和集成電路電壓調(diào)節(jié)器等多種形式。

2.晶體管電壓調(diào)節(jié)器

晶體管電壓調(diào)節(jié)器利用晶體管的開關作用，控制發(fā)電機勵磁電路的通、斷，調(diào)節(jié)勵磁電流和磁極磁通，在發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值以后維持發(fā)電機電壓恒定。CA1091型汽車發(fā)電機上配用的晶體管電壓調(diào)節(jié)器電路原理圖。

其工作原理如下：

接通點火開關，蓄電池的電壓作用于發(fā)電機的磁場接線柱"F"，并經(jīng)調(diào)節(jié)器的"+"端作用于分壓器 R₁、R₂ 的兩端，使穩(wěn)壓管 VS₁ 承受反向電壓。由于作用于分壓器兩端的電壓是蓄電池的電壓，低于發(fā)電機的調(diào)節(jié)電壓，使作用于穩(wěn)壓管 VS₂ 兩端的電壓也低于它的反向擊穿電壓，穩(wěn)壓管 VS₂ 截止，三極管 VT₁ 也截止。"b"點的電位接近電源電位，使二極管 VD₂、三極管 VT₂、VT₃ 導通，接通發(fā)電機勵磁繞組的電路，發(fā)電機建立磁場，開始發(fā)電。隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機電壓上升，作用于分壓器的電壓及穩(wěn)壓管兩端的反向電壓升高。當發(fā)電機電壓略高于規(guī)定的調(diào)節(jié)電壓時，穩(wěn)壓管VS₂被反向擊穿而導通，三極管 VT₁ 也導通。VT₁ 導通后，"b"點的電位降低到接近零電位，于是二極管 VD₂ 及三極管 VT₂、VT₃ 截止，切斷發(fā)電機勵磁繞組的電路，發(fā)電機的勵磁電流中斷，磁場迅速消失，發(fā)電機電壓下降。發(fā)電機電壓下降到略低于規(guī)定的調(diào)節(jié)電壓時，穩(wěn)壓管 VS₂ 已截止，發(fā)電機電壓又上升，如此反復使發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，發(fā)電機電壓保持恒定。

可見，晶體管電壓調(diào)節(jié)器在發(fā)動機工作時，由電阻 R₁、R₂ 組成的分壓器感受發(fā)電機電壓的變化，利用穩(wěn)壓管和晶體三極管的開關作用控制發(fā)電機勵磁電路的通斷，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流和磁極磁通，在發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過一定值后保持發(fā)電機電壓恒定。

3.集成電路電壓調(diào)節(jié)器

集成電路電壓調(diào)節(jié)器的組成和工作原理與晶體管電壓調(diào)節(jié)器相似，但集成電路調(diào)節(jié)器中的所有元件都制作在同一個半導體基片上，形成一個獨立的、相互不可分割的電子電路。集成電路調(diào)節(jié)器具有體積小、工作可靠、無需維護等特點，在現(xiàn)代汽車上應用十分廣泛。由于集成電路調(diào)節(jié)器體積小巧、外部結構十分簡單，它可以安裝在發(fā)電機的內(nèi)部或安裝在發(fā)電機的殼體上，與發(fā)電機組成一個完整的充電系統(tǒng)，簡化了充電系統(tǒng)的結構。安裝在發(fā)電機內(nèi)部的調(diào)節(jié)器，稱為內(nèi)裝式調(diào)節(jié)器。具有內(nèi)裝式調(diào)節(jié)器的發(fā)電機和調(diào)節(jié)器安裝在發(fā)電機殼體上的發(fā)電機都稱為整體式交流發(fā)電機。桑塔納轎車上采用的整體式交流發(fā)電機的結構圖

桑塔納轎車采用JFZ1913Z和JFZ1813Z整體式外搭鐵十一管交流發(fā)電機，額定功率為1.2kW。發(fā)電機共有2個接線柱，輸出接線柱直接與蓄電池正極相連對外供電；磁場接線柱通過二極管、充電指示燈、熔斷器和點火開關與蓄電池正極連接，為發(fā)電機提供它激電流、控制充電指示燈。調(diào)節(jié)器采用發(fā)電機電壓檢測法，通過3個端子分別與發(fā)電機的勵磁二極管輸出端、電刷和殼體連接。電路原理圖。

工作過程如下：

接通點火開關，蓄電池通過點火開關、熔斷器、充電指示燈、二極管給發(fā)電機提供它激電流和為調(diào)節(jié)器檢測控制部分提供電壓。由于蓄電池電壓低于調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓上限值，調(diào)節(jié)器使勵磁電路接通，同時充電指示燈亮。它激電路和充電指示燈電路為：

蓄電池正極→點火開關→熔斷器→充電指示燈→二極管→勵磁繞組→調(diào)節(jié)器→搭鐵→蓄電池負極。

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，當發(fā)電機端電壓超過蓄電池的端電壓時，發(fā)電機開始自激并給負載供電，給蓄電池充電，并為調(diào)節(jié)器檢測控制部分提供電壓。充電指示燈因兩端的電壓幾乎為零而熄滅，指示發(fā)電機正常工作。如果發(fā)電機端電壓還未升高到調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓上限值，則調(diào)節(jié)器使勵磁電路接通。發(fā)電機自勵電路為：發(fā)電機定子繞組→勵磁二極管→勵磁繞組→調(diào)節(jié)器→搭鐵→負極管→發(fā)電機定子繞組。當發(fā)電機端電壓高于調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓上限值時，調(diào)節(jié)器使勵磁電路斷開，發(fā)電機磁通減弱，端電壓降低；當發(fā)電機端電壓低于調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓下限值時，調(diào)節(jié)器又使勵磁電路接通，發(fā)電機電壓上升。如此循環(huán)，調(diào)節(jié)器不斷控制勵磁電路通斷，維持發(fā)電機端電壓不超過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓。

與充電指示燈串聯(lián)的二極管的作用是：在發(fā)電機端電壓高于蓄電池端電壓時，保證發(fā)電機不通過勵磁二極管和充電指示燈對外供電，以免充電指示燈亮給駕駛?cè)嗽斐慑e覺，以及勵磁二極管過載損壞。