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第1章车载电源2015

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  汽车电器与电子技术 第1章 车载电源 主讲:贠海涛 院系:汽车与交通学院 Email: 本章主要内容 ?掌握汽车电源的组成及要求 ?掌握蓄电池的功用、分类 ?了解蓄电池的结构、工作原理 ?了解蓄电池的使用和维护的基本方法 ?掌握交流发电机的作用 ?了解交流发电机的分类、结构、工作原理 ?了解交流发电机的整流原理 ?掌握交流发电机的厉磁方式 ?掌握电子式电压调节器的作用及工作原理 青岛理工大学汽车与交通学院 学习重点及难点 1、重点: ?汽车电源的组成 ?蓄电池、交流发电机的作用 ?电子式电压调节器的作用及工作原理 2、难点 ?铅酸蓄电池的基本原理 ?交流发电机的整流原理 ?交流发电机的厉磁方式 ?电子式电压调节器的工作原理 青岛理工大学汽车与交通学院 汽车电源的组成与要求 1、汽车电源的组成 青岛理工大学汽车与交通学院 汽车电源的组成与要求 2、对汽车电源的要求 ? 要求蓄电池的内阻要小,大电流输出时的电压稳定,以保证有良 好的起动性能。 ? 要求蓄电池的充电性能良好、使用寿命长、维护方便或少维护, 以满足汽车使用性能要求。 ? 要求发电机在发动机转速变化范围内都能正常发电且电压稳定, 以满足用电设备的用电需求。 ? 要求发电机的体积小、重量轻、故障率低、发电效率高、使用寿 命长等,以确保汽车使用性能要求。 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9 1.2.10 1.2.11 蓄电池主要作用 车载蓄电池的分类 车用蓄电池类型及其特点 铅蓄电池的分类及其特点 蓄电池的构造 蓄电池的基本原理 蓄电池的型号 蓄电池的容量 蓄电池的使用与维护 免维护铅酸蓄电池 蓄电池常见的故障 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.1、蓄电池主要作用 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.1、蓄电池主要作用 ① 在发电机电压低或不发电(发动机处于起动、停转状态)时,向车载用电 设备供电。 ② 当汽车上同时启用的用电设备功率超过了发电机的额定功率时,协助 发电机供电。 ③ 在其存电不足及发电机负载不多时,将发电机的电能转换为化学能储 存起来。 ④ 蓄电池相当于一个大电容,可以吸收电路中的瞬变电压脉冲,对汽车 上的电气设备及电子元件起到了保护作用。 ⑤ 对汽车电子控制系统来说,蓄电池也是电子控制装置内存的不间断电 源。 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.2 车载蓄电池的分类 (1)酸性蓄电池 铅酸蓄电池。 (2)碱性蓄电池 镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、锌空气蓄电池、铁镍蓄电 池、铁空气蓄电池、铁电池等。 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.3 车用蓄电池类型及其特点 类 型 铅酸蓄 电池 优 点 缺 点 适 用 车 辆 结构简单;价格便宜;内阻小;比容量、比能量小;一般车辆 电压稳定;可以短时间供给起 使用寿命相对较短 动机强大的起动电流 容量大;使用寿命长;维护简 活性物质导电性差;使用时间长、可靠 单;能承受大电流放电而不易 价格较高 性高的车辆 损坏 比容量大;无污染;充、放电 结构复杂;成本高 性能好;使用寿命长 电动汽车 碱性蓄 电池 锂离子 蓄电池 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.4 铅蓄电池的分类及其特点 类 型 特 点 普通铅蓄电 池 新蓄电池的极板不带电,使用前需按规定加注电解液并进行初充电, 初充电的时间较长,使用中需要定期维护。 干荷电铅蓄 电池 新蓄电池的极板处于干燥的已充电状态,电池内部无电解液。在规定 的保存期内,如需使用,只需按规定加入电解液,静置20~30min即可 使用,使用中需要定期维护。 新蓄电池的极板处于已充电状态,蓄电池内部带有少量电解液。在规 定的保存期内,如需使用,只需按规定加入电解液,静置20~30min即 可使用,使用中需要定期维护。 使用中不需维护,可用3~4年不需补加蒸馏水,极桩腐蚀极少,自放 电少。 湿荷电铅蓄 电池 免维护蓄电 池 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.5 蓄电池的构造 ? 铅蓄电池一般由3个或6个 单格电池串联而成,外形 结构如图所示。 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.5 蓄电池的构造 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1-负极柱 2-加液孔盖 3-正极柱 4-穿壁连接 5-汇流条 6-外壳 7-负极板 8-隔板 9-正极板 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.6 蓄电池的基本原理 1.静止电动势的建立 ? 将铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中,正、负极板与电解 液相互作用,在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势。 ? 正极板处PbO2溶解、电离后有四价的铅离子(Pb4+)沉附于 正极板: PbO2+2H2O→Pb(OH)4 Pb(OH)4→Pb4++OH ? 负极板处Pb溶解后有电子e留在负极板: Pb→Pb2++2e 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.6 蓄电池的基本原理 2.蓄电池的放电过程 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.6 蓄电池的基本原理 3.蓄电池的充电过程 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.7 蓄电池的型号 标准:机械工业部《铅蓄电池产品型号编制方法》,1993 例:6-QA-60 第一部分 第二部分 第三部分 串联的单格 电池数 蓄电池的类型 蓄电池的特征 用大写的汉语拼音字母表示 如:A--干荷电铅蓄电池 H--湿荷电铅蓄电池 W--免维护铅蓄电池 B--薄型极板 无字母--普通铅蓄电池 蓄电池的 额定容量 20h率放电 率的额定 容量,单 位为A· h, 单位略去 不写。 蓄电池的特殊性 能 用大写的汉语拼 音字母表示 如:G--高起动率 D--低温性能好 S--塑料槽蓄电池 用阿拉伯数 用 大 写 的 汉 语 拼 音 字表示 字母表示 如: Q--起动用铅蓄 电池 N--内燃机车用蓄电 池 M--摩托车用蓄电池 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.8 蓄电池的容量 1.蓄电池的容量 ? 蓄电池容量C等于放电电流If与放电时间tf的乘积: C=If · tf (1)额定容量 ? 据国标GB5008.1- 91《起动用铅酸蓄电池技术条件》规定, 将充足电的新蓄电池,在电解液温度为 25±5℃的条件下,以 20小时率的放电电流(即0.05C20安培)连续放电至单池平均电 压降到 1.75V 时,输出的电量称为蓄电池的额定容量,用C20表 示。单位为A· h。 ? 6-Q-60型蓄电池以 3A ( 0.05C20= 0.05×60= 3A )的电流连 续放电至单电池平均电压降到 1.75V 时,若放电时间大于等于 20h,则其容量C=If· tf≥60A· h,达到了额定容量,为合格产品; 若放电时间小于20h,则其容量低于额定容量,为不合格产品。 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.9 蓄电池工作特性 蓄电池的放电特性 蓄电池的放电特 性是指以恒定的 电流If放电时, 蓄电池端电压Uf、 电动势E和电解 液密度?随放电时 间的变化规律。 1.2 车载蓄电池 1.2.9 蓄电池的充电 特性 蓄电池的充电特 性是指以恒定的 电流Ic充电时, 蓄电池充电电压 Uc、电动势E及 电解液密度?等随 充电时间变化的 规律。 右图以20h充电 率(Ic = 0.05C20)恒电 流充电时的特性 曲线。 蓄电池工作特性 1.2 车载蓄电池 1.2.10 蓄电池的使用与维护 ? (1)定期进行蓄电池的外部检查 ? (3)定期检查蓄电池的放电程度 ? (2)及时检查电解液的液面高度 ? (4)定期对蓄电池进行补充充电 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.11 免维护铅酸蓄电池 ? 在蓄电池的使用寿命期内无需进行日常维护的蓄电池称之为免维护蓄电 池。免维护蓄电池的突出优点是:在汽车合理使用过程中无需添加蒸馏 水,蓄电池自放电小,仅为普通蓄电池的1/6~1/8,在使用期内一般 无需进行补充充电;极桩腐蚀小或无腐蚀,使用寿命长,内阻小,起动 性能好。 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.11 免维护铅酸蓄电池 1-绿色(充电程度为65%或更高) 2-黑色(充电程度 低于65%) 3-浅黄色(蓄电池有故障)4-蓄电池盖 5-观察窗 6-光学的荷电状况指示器 7-绿色小球 青岛理工大学汽车与交通学院 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.12 蓄电池常见的故障 1.极板硫化 故障 特征 极板上生成一层白色粗晶粒的PbSO4,在正常充电时不能转化为PbO2和Pb的现象。 (1)硫化的电池放电时,电压急剧降低,过早降至终止电压,电池容量减小。 (2)蓄电池充电时单格电压上升过快,电解液温度迅速升高,但密度增加缓慢,过早 产生气泡,甚至一充电就有气泡。 (1)蓄电池长期充电不足或放电后没有及时充电,导致极板上的PbSO4有一部分溶解于 电解液中,环境温度越高,溶解度越大。当环境温度降低时,溶解度减小,溶解的 PbSO4就会重新析出,在极板上再次结晶,形成硫化。 (2)电解液液面过低,使极板上部与空气接触而被氧化,在行车中,电解液上下波动 与极板的氧化部分接触,会生成大晶粒PbSO4硬化层,使极板上部硫化。 (3)长期过量放电或小电流深度放电,使极板深处活性物质的孔隙内生成PbSO4。 (4)新蓄电池初充电不彻底,活性物质未得到充分还原。 (5)电解液密度过高、成分不纯,外部气温变化剧烈。 轻度硫化的蓄电池,可用小电流长时间充电的方法予以排除;硫化较严重者采用去硫 化充电方法消除硫化;硫化特别严重的蓄电池应报废。 故障 原因 排除 方法 青岛理工大学汽车与交通学院 1.2 车载蓄电池 1.2.12 蓄电池常见的故障 2.活性物质脱落 故障 特征 主要指正极板上的活性物质PbO2的脱落。 蓄电池容量减小,充电时从加液孔中可看到有褐色物质,电解液浑浊。 故障 原因 (1)蓄电池充电电流过大,电解液温度过高,使活性物质膨胀、松软而易于脱落。 (2)蓄电池经常过充电,极板孔隙中逸出大量气体,在极板孔隙中造成压力,而使活性物 质脱落。 (3)经常低温大电流放电使极板弯曲变形,导致活性物质脱落。 (4)汽车行驶中的颠簸振动。 对于活性物质脱落的铅蓄电池,若沉积物较少时,可清除后继续使用;若沉积物较多时, 应更换新极板和电解液。 排除 方法 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.12 蓄电池常见的故障 3.极板栅架腐蚀 故障 特征 故障 原因 主要是正极板栅架腐蚀,极板呈腐烂状态,活性物质以块状堆积在隔板之间,蓄电池输出容 量降低。 (1)蓄电池经常过充电,正极板处产生的O2使栅架氧化。 (2)电解液密度、温度过高、充电时间过长,会加速极板腐蚀。 (3)电解液不纯。 腐蚀较轻的蓄电池,电解液中如果有杂质,应倒出电解液,并反复用蒸馏水清洗,然后加入 新的电解液,充电后即可使用; 腐蚀较严重的蓄电池,如果是电解液密度过高,可将其调整到规定值,在不充电的情况下继 续使用; 腐蚀严重的蓄电池,如栅架断裂、活性物质成块脱落等,则需更换极板。 排除 方法 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.12 蓄电池常见的故障 4.极板短路 故 障 特 征 故 障 原 因 蓄电池正、负极板直接接触或被其它导电物质搭接称为极板短路。 极板短路的蓄电池充电时充电电压很低或为零,电解液温度迅速升高,密度上升很慢,充电末期 气泡很少。 (1)隔板破损使正、负极板直接接触。 (2)活性物质大量脱落,沉积后将正、负极板连通。 (3)极板组弯曲。 (4)导电物体落入池内。 出现极板短路时,必须将蓄电池拆开检查。 更换破损的隔板,消除沉积的活性物质,校正或更换弯曲的极板组等。 排 除 方 法 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.12 蓄电池常见的故障 5.自放电 故障 特征 蓄电池在无负载的状态下,电量自动消失的现象称为自放电。 如果充足电的蓄电池在30天之内每昼夜容量降低超过2%,称为故障性自放电。 故障 原因 (1)电解液不纯,杂质与极板之间以及沉附于极板上的不同杂质之间形成电位差,通过电 解液产生局部放电。 (2)蓄电池长期存放,硫酸下沉,使极板上、下部产生电位差引起自放电。 (3)蓄电池溢出的电解液堆积在电池盖的表面,使正、负极柱形成通路。 (4)极板活性物质脱落,下部沉积物过多使极板短路。 自放电较轻的蓄电池,可将其正常放完电后,倒出电解液,用蒸馏水反复清洗干净,再加 入新电解液,充足电后即可使用;自放电较为严重时,应将电池完全放电,倒出电解液, 取出极板组,抽出隔板,用蒸馏水冲洗之后重新组装,加入新的电解液重新充电后使用。 排除 方法 青岛理工大学汽车与交通学院 车载蓄电池 1.2.12 蓄电池常见的故障 6.单格电池极性颠倒 故 障 特 征 故 障 原 因 排 除 方 法 单格电池原来的正极板变成负极板,负极板变成正极板。此时,蓄电池电压迅速下降, 不能继续使用。 没有及时发现有故障的单格电池(如极板短路、活性物质脱落等),当蓄电池放电时, 该单格电池由于容量小,首先放电至零,再继续放电时,其他单格电池的放电电流对它 进行充电,使其极性颠倒。 对极性颠倒的单格电池应更换新极板。 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 知识点及要求: ? 掌握交流发电机的作用; ? 了解交流发电机的分类、结构、工作原理 ? 了解交流发电机的整流原理; ? 掌握交流发电机的厉磁方式; ? 掌握电子式电压调节器的作用及工作原理。 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.1 交流发电机的作用 ? 发电机是汽车的主要电源,其功用是在发动机正常运转时,向所有用 电设备(启动机除外)供电,同时给蓄电池充电。 ? 汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机,由于交流发电机的性 能在许多方面优于直流发电机,直流发电机已被淘汰。目前汽车采用 三相交流发电机,内部带有二极管整流电路,将交流电整流为直流电, 所以,汽车交流发电机输出的是直流电。 ? 交流发电机必须配装电压调节器,电压调节器对发电机的输出电压进 行控制,使其保持基本恒定,以满足汽车电器的需求。 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.2 交流发电机工作原理 1.整流原理 2.交流发电机的励磁 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.2 1.整流原理 交流发电机工作原理 a) 整流电路图 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机整流原理 b) 三相绕组电压波形图 c) 整流后发电机输出波形图 整流原理 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.2 交流发电机工作原理 2.励磁方式 ? 除了永磁式交流发电机不需要励磁以外,其他形式的交流发电机都 需要励磁,因为它们的磁场都是电磁场,必须给励磁绕组通电才会 有磁场产生而发电,否则发电机将不能发电。 ? 将电流引入到励磁绕组使之产生磁场称为励磁。交流发电机励磁方 式有自励和他励两种。 他励 ? 在发电机转速较低时(发动机未达到怠速转速),自身不能发电, 需要蓄电池供给发电机励磁绕组电流,使励磁绕组产生磁场来发电。 这种由蓄电池供给磁场电流发电的方式称为他励发电。 青岛理工大学汽车与交通学院 他励 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.2 交流发电机工作原理 (2)自励 ? 随着转速的提高(一般在发动机达到怠速时),发电机定子绕组的电动 势逐渐升高并能使整流器二极管导通,当发电机的输出电压UB大于蓄电 池电压时,发电机就能对外供电了。当发电机能对外供电时,就可以把 自身发的电供给励磁绕组,这种自身供给磁场电流发电的方式称为自励 发电。 ? 交流发电机励磁过程是先他励后自励。当发动机达到正常怠速转速时, 发电机的输出电压一般高出蓄电池电压 1~2V以便对蓄电池充电,此时, 由发电机自励发电。 青岛理工大学汽车与交通学院 自励 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.3 交流发电机的分类 1.按总体结构分 ? (1)普通交流发电机。这种发电机即无特殊装置,也无特殊功能特 点,使用时需要配装电压调节器。 ? (2)整体式交流发电机,发电机和调节器制成一个整体的发电机。 ? (3)带泵的交流发电机。发电机和汽车制动系统用真空助力泵安装 在一起的发电机。 ? (4)无刷交流发电机,不需要电刷的发电机。 ? (5)永磁交流发电机,转子磁极为永磁铁制成的发电机。 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.3 交流发电机的分类 图3.19 交流发电机结构外型 a) JF1522A型交流发电机 b) 捷达JFZ1813型交流发电机 c)JFB1712型交流发电机 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.4 调节器的作用与原理 1.交流发电机调节器的作用 从发电机各电枢绕组电动势与发电机的转速和磁极的磁通成 正比可推出: E = Ce?n 式中E——交流发电机的等效电动势; Ce——交流发电机的结构常数; ?——交流发电机磁极磁通; n——交流发电机的转速。 忽略发电机内阻电压降,就有: U? E = Ce?n 青岛理工大学汽车与交通学院 交流发电机与调节器 1.3.4 调节器的作用与原理 2.调节器的基本原理 青岛理工大学汽车与交通学院 电子式调节器的基本工作原理 青岛理工大学汽车与交通学院 思考题——课下作业 ? 1、简述车载蓄电池的分类及型号定义,例如6-Q-60。 ? 2、简述免维护蓄电池状态的简易判断方法。 ? 3、汽车电源主要由什么组成? ? 4、蓄电池的功用是什么? ? 5、铅酸蓄电池的特点有哪些? ? 6、概念:自励、他励。 ? 7、交流发电机的功用。 ? 8、简述电子式电压调节器的基本原理。 ? 9、简述交流发电机的整流原理。 课程网站:网络课堂/作业习题 青岛理工大学汽车与交通学院