汽车电子电气第02章汽车供电系统

第2章汽车供电系统nn汽车供电系统的功用是向车载各用电设备提供电能，由蓄电池与发电机并联组成。发动机工作时，由发动机带动发电机向汽车用电设备提供电能，并向蓄电池充电。蓄电池的功用1.发动机启动时，向启动机和点火系统供电2.发动机低速运转时，向用电设备和发电机磁场绕组供电。（应用中应避免）3.发动机运转时，将发电机剩余电能转化为化学能储存起来；4.发电机过载时，协助发电机向用电设备供电5.蓄电池相当于一个大电容器，能吸收电路中出现的瞬时过电压，保护电子元件，保持汽车电器系统电压稳定。对蓄电池的要求nnn启动发动机时，蓄电池在5～10S内，要向启动机连续供给强大电流（汽油机200～600A，柴油机800～1000A）。因此，对蓄电池的要求是：容量大、内阻小、有足够的启动能力。能满足发动机起动需要的蓄电池被称之为起动型蓄电池，汽车上使用的就是起动型蓄电池。对发电机的要求(1)由于发动机工作时的转速变化范围很大，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；(2)要求发电机的体积小、重量轻、故障率低、发电效率高、充电性能良好、维护方便或少维护、使用寿命长等，以确保汽车使用性能要求。2.1蓄电池的构造nn蓄电池是一种可逆的低压直流电源，既能将化学能转换为电能，也能将电能转换为化学能。汽车起动用铅酸蓄电池(简称蓄电池)按性能可分为干式荷电蓄电池和免维护蓄电池两类。蓄电池的基本构造图2.1.1极板与极板组nn极板：是蓄电池的基本部件，由它接受充入的电能和向外释放电能。极板分正极板和负极板两种。正极板上的活性物质是二氧化铅，呈棕红色；负极板上的活性物质是海绵状纯铅，呈青灰色。为了增大蓄电池的容量，将多片正极板和负极板各自用横板焊接并联起来，组成正极板组和负极板组。n将正负极板相互嵌合（中间用隔板隔开）的极板组（如下图）置于存有电解液的容器中，就构成了单格电池，单格电池的标称电压为2V。n一个12V的蓄电池就需用6个单格电池串联而成，如右图，12V电系汽车选用一只电池，24V电系汽车选用两只电池。2.1.2隔板nn为了避免相互接触而短路，正负极板之间要用绝缘的隔板隔开。隔板材料应具有多孔性结构，以便电解液自由渗透，而且化学性能应稳定，具有良好的耐酸性和抗氧化性。nn微孔塑料和微孔橡胶隔板的结构如图a所示。免维护蓄电池普遍采用了聚氯乙烯袋式隔板，结构如图b所示。2.1.3电解液（1）电解液的作用是使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应,它由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成。（2）电解液的密度一般为1.24-1.30g/㎝3。（3）电解液纯度是影响蓄电池电气性能和使用寿命的重要因素。因此，蓄电池用电解液必须符合专业标准规定，所用硫酸和蒸馏水也必须符合相应的国家标准和专业标准的规定。由于工业用硫酸和普通水中含铜、铁等杂质较多，会加速蓄电池自放电，所以，不能用于蓄电池。2.1.4壳体nnnn蓄电池外壳为一整体式结构的容器，极板、隔板和电解液均装入外壳内。蓄电池电压一般有6V和12V两种规格，因此，外壳内由间壁分成3个和6个互不相通的单格。外壳应耐酸、耐热、耐寒、抗震动，并具有足够的机械强度。此外，还有联条和加液孔盖等。n干荷电与免维护蓄电池普遍采用穿壁式点焊联接，所用联条尺寸很小，并设制在壳体内部，如图所示。蓄电池的装配过程2.1.5蓄电池技术状态指示器a）指示器结构b）存电充足c）充电不足d）电解液不足1—透明塑料管2—指示器底座（1）蓄电池技术状态指示器又称为内装式密度计，由透明塑料管、底座和颜色不同的两只小球（一只为蓝色、另一只为红色）组成，如图a所示。（2）当蓄电池电量充足、电解液密度大于1.22时，从指示器顶部进行观察，当中心呈红色圆点、周围呈蓝色圆环，表示蓄电池技术状态良好，如图b所示。（3）当蓄电池电量不足、电解液相对密度过低时，蓝色小球下移到极限位置，其观察结果如图c所示，中心呈红色圆点、周围呈无色透明圆环，表示蓄电池亏电严重，必须立即充电。（4）当电解液液面过低时，两只小球都将下移到极限位置，其观察结果如图d所示，中心呈无色透明圆点、周围呈红色圆环，表示电解液不足，说明蓄电池不能继续使用，必须更换蓄电池。如果这种指示器安装在干荷电蓄电池上，则表示必须添加蒸馏水。2.2蓄电池的工作原理nnnnnn双极硫酸盐化理论；蓄电池中参与化学反应的物质，正极板上pbO2；负极板上是pb；电解液是硫酸水溶液；蓄电池放电时，正极板上的pbO2和负极板上的pb都变成pbSO4水溶液；电解液中的H2SO4减少，相对密度下降。蓄电池充电时，则按相反的方向变化。2Na+XSNaS（硫酸铅）（水）（硫酸铅）正极电解液负极正极电解液负极（二氧化铅）（硫酸）（纯铅）放蓄电池充、放电时总的化学反应方程式为:O+PbSO充2.2.1蓄电池静止电动势的建立nnnn蓄电池的电动势是正、负极浸入电解液后产生的。其反应过程见后图所示；负极板：铅溶于电解液中，失电子生成Pb2+；Pb-2e→Pb2+；电子留在负极板上，和Pb2+吸引，使负极具有负电位，为-0.1V。nnnnn正极板：PbO2溶于电解液；PbO2+2H2O→Pb(OH)4；Pb(OH)4→Pb4++4OH-；OH-留在电解液中，Pb4+沉附在正极表面,使正极板有+2.0V；在外电路未接通时，反应达到动态平衡时，静止电动势为：E=2.0－(－0.1)=2.1V2.2.2蓄电池的放电过程nnn将蓄电池的化学能转换成电能的过程称为放电过程。如果将蓄电池与外电路的负荷接通，电子e从负极板经过外电路的负荷流往正极板，使正极板的电位下降，从而破坏了原有的平衡状态。发生电化学反应。从理论上说，蓄电池这种放电过将极板上所有物质全部转变为硫酸铅，但实际转化的只有20-30%。蓄电池放电过程2.2.3蓄电池的充电过程nnnn将电能转换成蓄电池化学能的过程称为充电过程，它是放电反应的逆过程。充电时蓄电池的正负两极接通直流电源。当电源电压高于蓄电池的电动势E时，电流由蓄电池的正极流入，从蓄电池的负极流出，也就是电子由正极板经外电路流往负极板。这时正负极板发生的化学反应正好与放电过程相反，其化学反应过程如下图所示。蓄电池充电过程2.2.4蓄电池的型号n按照原机械工业部部颁标准JB2599－85的规定，铅蓄电池产品型号分为三段：nnnΙ——串联单格电池数，指一个整体壳体内所包含的单格电池数，用阿拉伯数字表示。Ⅱ——蓄电池类型，跟据蓄电池的主要用途划分，用汉语拼音字母表示，起动型蓄电池用字母Q表示。Ⅲ——额定容量，用阿拉伯数字表示，其单位为A.h。Ι串联单格电池数Ⅱ蓄电池类型蓄电池特征Ⅲ蓄电池额定容量东风EQ2102型越野汽车用6-QW-180型蓄电池nnnn由6个单格电池组成；额定电压为12V；额定容量为180A.h；启动型免维护蓄电池。2.3蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性主要包括：1.静止电动势；2.内阻；3.充放电特性；4.容量。2.3.1静止电动势nnnn静止电动势Ej是指蓄电池在静止状态下（不充电也不放电）正负极板之间的电位差（即开路电压）。在电解液密度为1.050~1.300g/㎝3的范围内，静止电动势Ej与电解液密度及温度的关系可由如下的经验公式表示：Ej=0.84+γ25℃γ25℃=γt+0.00075(T-25)式中，γ25℃-温度为25℃时的电解液密度，单位为g/㎝3；γt-实际测得的电解液密度，单位为g/㎝3；T-实际测得的电解液温度，单位为℃。2.3.2蓄电池内阻nn包括极板，隔板，电解液，铅质联条等的内阻。影响因素。2.3.3蓄电池的放电特性nn蓄电池的放电特性是指以恒流If放电时，蓄电池端电压Uf、电动势E和电解液密度r随放电时间的变化规律。下页图是以20h放电率（If=0.05C20,C20指蓄电池额定容量）恒流放电的特性曲线。蓄电池的恒流放电特性曲线从放电特性曲线可知，蓄电池放电终了可由两个参数判断：（1）电解液密度下降至最小的许可值（约为1.11）；（2）单格电池电压下降至放电终止电压（以20h放电率放电，单格终止电压1.75V）。终止电压与放电电流的大小密切相关，放电电流越大，放电的时间就越短，允许放电的终止电压也越低。2.3.4蓄电池的充电特性nn蓄电池的充电特性是指以恒流Ic充电时，蓄电池充电电压Uc、电动势E及电解液密度γ等随充电时间变化的规律。下图是以20h充电率（Ic=0.05C20）恒流充电时的特性曲线。蓄电池恒流充电特性曲线蓄电池充足电的特征：nnn蓄电池的端电压上升至最大值（单格电池电压为2.7V），且2h内不再变化；电解液的密度上升至最大值，且2h内基本不变；电解液大量冒气泡，呈现“沸腾”。2.3.5蓄电池的容量nnn蓄电池的容量指蓄电池在规定条件下（包括放电温度、放电电流、放电终止电压）放出的电量；恒流放电时，蓄电池的容量等于放电电流与放电时间之积；额定容量、储备容量。额定容量C20根据国标GB5008.1—91《起动型蓄电池技术条件》规定：C20是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以20h放电率（If=0.05C）连续放电到单格电池电压降至1.75V（12V蓄电池端电压下降至10.50+0.05V，6V蓄电池下降至5.25+0.02V），蓄电池所输出的电量。储备容量Cmnnnn根据国标GB5008.1-91《起动型蓄电池技术条件》规定：Cm是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以25A电流连续放电到单格电池电压降至1.75V所持续的时间，其单位为min。储备容量与额定容量有如下换算关系：C20=17778+208.3Cm133.3在C20≥200A.h或Cm≥480min时，上式不适用。影响蓄电池容量的因素：nnnn极板的构造；放电电流；电解液的温度；电解液的密度。2.4蓄电池的使用与维护2.4.1蓄电池的正确使用（1）正确使用起动机；（2）定期补充充电；（3）安装固定牢靠；（4）新蓄电池首次使用之前，需要合理选择电解液相对密度。2.4.2蓄电池的维护1.检查蓄电池外壳表面有无电解液漏出或渗出，擦去电池盖上的电解液；2.检查蓄电池在车上安装是否牢靠，导线接头与极柱的连接是否紧固；3.经常性的清除蓄电池盖上的灰尘、泥土和酸垢，清除极柱和导线接头上的氧化物；4.检查加液孔盖或螺塞上的通气孔是否畅通；5.定期检查并调整电解液的密度及液面高度。2.5新型蓄电池nnnn钠硫电池燃料电池锌-空气电池锂合金二硫化铁电池2.5.1钠硫电池nnn在钠硫电池中，阴极的反应物质是溶融的钠，阳极反应物质是带有一定导电物质的硫，电解质为β-氧化铝（NaAl11O7）固体电解质，它既是绝缘体，又能自由传导钠离子。钠硫电池的工作原理这种电池理论上的比能量可达660Wh/kg，效率可达100％（即放电量等于充电量），且充电时间短、无污染、原材料丰富，缺点是硫化钠易燃烧、工作温度高(高达250~300℃)、使用寿命短。钠硫电池原理图1—熔融钠2—氧化铝固体电解质3—熔融硫4—不锈钢壳体2.5.2燃料电池nnn燃料电池由燃料(氢、煤气、天然气等)、氧化剂(氧气、空气、氯气)、电极(多孔烧结镍电极、多孔银电极等)和电解质KOH溶液等组成，利用燃料的氧化反应，将化学能直接转变为电能，只要不断地加入燃料和氧气，就会不断地产生电能，故称燃料电池。氢-氧燃料电池是一种最普通的燃料电池，先把燃料转化为氢气，然后与氧气分别在电池的两极发生氧化和还原反应，从而产生电能。燃料电池的比能量已经达到200~350Wh/kg，为铅蓄电池的4~7倍，且不需充电，只要不断供应燃料就可继续使用，因此适合作为电动汽车的动力源。其缺点是需要贵重金属作催化剂，成本高，且燃料的贮藏和运输都有一定困难，因此有待进一步解决。氢氧燃料电池结构示意图2.5.3锌-空气电池nnn锌-空气电池的比能量可达150～400Wh／kg，正极板是由金属网集电器、活性层等组成的薄空气电极，负极板由纯锌组成，电解液为氢氧化钾水溶液。化学反应过程锌-空气电池具有放电电压稳定、无污