十(7)、汽车电源

第七节 汽车电源

汽车上的点火系统及全车电器设备的电源由蓄电池、发电机及其调节器组成，其在汽车电路中的连接关系，两电源并联后与用电设备相连。发动机正常运行时，发电机向点火系统及其他用电设备供电，并同时向蓄电池充电。汽车的用电设备用电量过大，超过发电机的供电能力时，蓄电池和发电机共同向点火系统及其他用电设备供电。发动机起动或低速运行时，发电机不发电或电压很低，起动机、点火系统及其他用电设备所需要的电能，全部由蓄电池供给。

一、蓄电池

蓄电池是一个化学电源。充电时，其内部的化学反应将外接电源的电能转变为化学能储存起来；用电时， 再通过化学反应将储存的化学能转变为电能，输出给用电设备。蓄电池的种类繁多，按电解液成分的不同分为碱性蓄电池和酸性蓄电池。由于酸性蓄电池电极的主要成分是铅，所以也称为铅酸蓄电池，简称铅蓄电池。由于发动机起动时，蓄电池必须能够为起动机提供200～600A的电流，有些大功率柴油机起动机的起动电流高达1000A，且要持续5s以上的时间；在发电机发生故障不能工作时，蓄电池的容量应能维持车辆行驶一定的时间。所以要求汽车用蓄电池有尽可能小的内阻以及足够大的容量。铅蓄电池虽然比能较低，但其内阻小、电压稳定、在短时间内能提供较大的电流，并且结构简单、原料丰富，因而在汽车上得到广泛的应用。(如下左图)

汽车用铅蓄电池又分为普通型、干式荷电型、湿式荷电型和免维护型。干式荷电型蓄电池除具有普通型铅蓄电池的全部功能外，其主要特点是蓄电池内部无电解液贮存，极板是干的，且处于荷电状态，新的蓄电池不必经过长时间的初充电即可投入使用。湿式荷电型蓄电池的极板为荷电状态，蓄电池内部有少量的电解液，大部分电解液被极板和隔板吸收并储存起来。免维护型蓄电池是在汽车合理使用过程中，不需要添加蒸馏水的一种新型蓄电池。免维护蓄电池的电解液，由制造厂一次性加注，并密封在壳体内，因此电解液不会泄漏、不会腐蚀接线柱和机体，在使用中不需加注蒸馏水或补充电解液来调节液面高度，无需保养与维护。(如上右图)

第七节 汽车电源

二、发电机

车用发电机是在发动机的驱动下，将机械能转变为电能的装置。它作为汽车的主要电源，其作用是在发动机怠速以上转速运行时，为电气设备供电且不断地给蓄电池充电。

目前，国内外汽车使用的发电机几乎都是交流发电机。这是因为交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、质量轻、结构简单、维修方便、寿命长、发动机低速时充电性能好、配用的调节器结构简单、产生的无线电干扰信号弱、能节省大量铜材等优点，因此，自诞生后即得到迅速普及。

1.硅整流交流发电机的类型

(1)硅整流发电机按总体结构的不同，分为：

普通交流发电机： 指无特殊装置和特殊功能的汽车交流发电机，如JF132交流发电机。

整体式交流发电机：指内装电子调节器的交流发电机，如一汽大众奥迪、高尔夫、捷达和上海桑塔纳等轿车用JFZ1613Z型交流发电机。

带泵交流发电机：指带真空泵的交流发电机，如JFB1712系列交流发电机。

无刷交流发电机：指无电刷和滑环结构的交流发电机，如JFW1913型交流发电机。

永磁交流发电机：指转子磁极采用永磁材料的交流发电机。

(2)按整流器结构不同，交流发电机又可分为：

六管交流发电机：指整流器是由六只硅整流二极管组成的三相桥式全波整流电路的交流发电机。

八管交流发电机：有些发电机为了利用中性点电压，增加了2个中性点二极管，将发电机中性点电压整流后汇入发电机输出端，可以提高发电机的功率，则其整流器总成有8只二极管。

九管交流发电机：有些发电机为了向励磁绕组供电，还装有3个励磁二极管，与整流器的3个负极二极管形成另一个全波整流电路，因此其整流器有9个二极管，

内搭铁交流发电机：指励磁绕组一端通过发电机外壳直接搭铁，另一端通过调节器接电源的交流发电机，如JF132N交流发电机。

外搭铁交流发电机：指励磁绕组一端直接接电源，另一端通过调节器搭铁的交流发电机，多数采用电子调节器的发电机都是这种类型。

2.硅整流交流发电机的结构

转子用来在发电机工作时建立磁场。它由压装在转子轴上的两块爪形磁极、两块磁极之间的励磁绕组和压装在转子轴上的两个滑环组成。两个滑环彼此绝缘并与轴绝缘。励磁绕组的两端分别焊接在两个滑环上。

定子用来在发电机工作时，与转子的磁场相互作用产生交流电压。它由内圆带槽的硅钢片叠成的铁心和对称地安装在铁心上的三相定子绕组组成。三相定子绕组按星形或按三角形接法连接。按星形接法连接时，三相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相连，三相绕组的尾端连在一起作为发电机的中性点。按三角形接法连接时，将三相绕组中一相绕组的首端与另一相绕组的尾端相连，并将联接点接整流器的硅二极管。

整流器是由6个(8个、9个或11个)硅二极管组成的三相桥式全波整流电路，在发动机工作时将三相定子绕组中产生的交流电转变为直流电。在负极搭铁的发电机中，3个(或4个)二极管的壳体为负极，压装在与发电机机体绝缘的元件板上，并与发电机的输出端(正极)相连，其引线为二极管的正极，称为正极二极管；另外3个(或4个)二极管的壳体为正极，压装在不与机体绝缘的元件板上，或直接压装在电刷端盖上，作为发电机的负极，其引线为负极，称为负极二极管。

驱动端盖和电刷端盖作为发电机的前后支撑。电刷端盖上装有电刷架和两个彼此绝缘的电刷，并通过电刷弹簧，使电刷与转子轴上的两个滑环保持接触，电刷的引线分别与电刷端盖上的两个磁场接线柱相连(外搭铁式交流发电机)，或一个与磁场接线柱相连，另一个在发电机内部搭铁(内搭铁式交流发电机)。发电机的整流器总成也安装在驱动端盖上，以有利于检修。(如下左图)

3.硅整流交流发电机的工作原理

发电机工作时，通过电刷和滑环将直流电压作用于励磁绕组1的两端，则在励磁绕组中有电流通过，并在其周围产生磁场，使转子轴和轴上的两块爪形磁极被磁化，一块为N极，另一块为S极。由于它们的极爪相间排列，便形成了一组交错排列的磁极。当转子旋转时，在定子中间形成旋转的磁场，使安装在定子铁心上的三相定子绕组中感应生成三相交流电，经整流器整流为直流电。(如上右图)

第七节 汽车电源

三、发电机的电压调节器

汽车上的发电机是由发动机通过风扇皮带驱动旋转的，由于发动机工作时的转速在很宽的范围内变化，使发电机的转速随之变化，发电机的电压也将在很宽的范围内变化。汽车用电设备的工作电压和对蓄电池的充电电压是恒定的，一般为12V、24V或6V。为此，要求在发动机工作时，发电机的输出电压也保持恒定，以便保证用电设备和蓄电池正常工作。因此，汽车上使用的发电机，必须配电压调节器，以便在发电机转速变化时，保持发电机端电压恒定。发电机工作时，电压调节器在发电机电压超过一定值以后，通过调节经过励磁绕组的电流强度来调节磁场磁通的方法，在发电机转速变化时，保持其端电压为规定值。发电机的调节电压一般为13.5～14.5V(或13.8～14.8V)。电压调节器有触点振荡式电压调节器、晶体管电压调节器和集成电路电压调节器等多种形式。

2.晶体管电压调节器

晶体管电压调节器利用晶体管的开关作用，控制发电机励磁电路的通、断，调节励磁电流和磁极磁通，在发电机转速超过一定数值以后维持发电机电压恒定。CA1091型汽车发电机上配用的晶体管电压调节器电路原理图。

其工作原理如下：

接通点火开关，蓄电池的电压作用于发电机的磁场接线柱"F"，并经调节器的"+"端作用于分压器 R₁、R₂ 的两端，使稳压管 VS₁ 承受反向电压。由于作用于分压器两端的电压是蓄电池的电压，低于发电机的调节电压，使作用于稳压管 VS₂ 两端的电压也低于它的反向击穿电压，稳压管 VS₂ 截止，三极管 VT₁ 也截止。"b"点的电位接近电源电位，使二极管 VD₂、三极管 VT₂、VT₃ 导通，接通发电机励磁绕组的电路，发电机建立磁场，开始发电。随着发电机转速升高，发电机电压上升，作用于分压器的电压及稳压管两端的反向电压升高。当发电机电压略高于规定的调节电压时，稳压管VS₂被反向击穿而导通，三极管 VT₁ 也导通。VT₁ 导通后，"b"点的电位降低到接近零电位，于是二极管 VD₂ 及三极管 VT₂、VT₃ 截止，切断发电机励磁绕组的电路，发电机的励磁电流中断，磁场迅速消失，发电机电压下降。发电机电压下降到略低于规定的调节电压时，稳压管 VS₂ 已截止，发电机电压又上升，如此反复使发电机转速变化时，发电机电压保持恒定。

可见，晶体管电压调节器在发动机工作时，由电阻 R₁、R₂ 组成的分压器感受发电机电压的变化，利用稳压管和晶体三极管的开关作用控制发电机励磁电路的通断，调节发电机的励磁电流和磁极磁通，在发电机转速超过一定值后保持发电机电压恒定。

3.集成电路电压调节器

集成电路电压调节器的组成和工作原理与晶体管电压调节器相似，但集成电路调节器中的所有元件都制作在同一个半导体基片上，形成一个独立的、相互不可分割的电子电路。集成电路调节器具有体积小、工作可靠、无需维护等特点，在现代汽车上应用十分广泛。由于集成电路调节器体积小巧、外部结构十分简单，它可以安装在发电机的内部或安装在发电机的壳体上，与发电机组成一个完整的充电系统，简化了充电系统的结构。安装在发电机内部的调节器，称为内装式调节器。具有内装式调节器的发电机和调节器安装在发电机壳体上的发电机都称为整体式交流发电机。桑塔纳轿车上采用的整体式交流发电机的结构图

桑塔纳轿车采用JFZ1913Z和JFZ1813Z整体式外搭铁十一管交流发电机，额定功率为1.2kW。发电机共有2个接线柱，输出接线柱直接与蓄电池正极相连对外供电；磁场接线柱通过二极管、充电指示灯、熔断器和点火开关与蓄电池正极连接，为发电机提供它激电流、控制充电指示灯。调节器采用发电机电压检测法，通过3个端子分别与发电机的励磁二极管输出端、电刷和壳体连接。电路原理图。

工作过程如下：

接通点火开关，蓄电池通过点火开关、熔断器、充电指示灯、二极管给发电机提供它激电流和为调节器检测控制部分提供电压。由于蓄电池电压低于调节器的调节电压上限值，调节器使励磁电路接通，同时充电指示灯亮。它激电路和充电指示灯电路为：

蓄电池正极→点火开关→熔断器→充电指示灯→二极管→励磁绕组→调节器→搭铁→蓄电池负极。

随着发动机转速升高，当发电机端电压超过蓄电池的端电压时，发电机开始自激并给负载供电，给蓄电池充电，并为调节器检测控制部分提供电压。充电指示灯因两端的电压几乎为零而熄灭，指示发电机正常工作。如果发电机端电压还未升高到调节器的调节电压上限值，则调节器使励磁电路接通。发电机自励电路为：发电机定子绕组→励磁二极管→励磁绕组→调节器→搭铁→负极管→发电机定子绕组。当发电机端电压高于调节器的调节电压上限值时，调节器使励磁电路断开，发电机磁通减弱，端电压降低；当发电机端电压低于调节器的调节电压下限值时，调节器又使励磁电路接通，发电机电压上升。如此循环，调节器不断控制励磁电路通断，维持发电机端电压不超过调节器调节电压。

与充电指示灯串联的二极管的作用是：在发电机端电压高于蓄电池端电压时，保证发电机不通过励磁二极管和充电指示灯对外供电，以免充电指示灯亮给驾驶人造成错觉，以及励磁二极管过载损坏。