第七節 汽車電源

汽車上的點火系統及全車電器設備的電源由蓄電池、發電機及其調節器組成，其在汽車電路中的連接關系，兩電源并聯后與用電設備相連。發動機正常運行時，發電機向點火系統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，超過發電機的供電能力時，蓄電池和發電機共同向點火系統及其他用電設備供電。發動機起動或低速運行時，發電機不發電或電壓很低，起動機、點火系統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，其內部的化學反應將外接電源的電能轉變為化學能儲存起來；用電時， 再通過化學反應將儲存的化學能轉變為電能，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5s以上的時間；在發電機發生故障不能工作時，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阻以及足夠大的容量。鉛蓄電池雖然比能較低，但其內阻小、電壓穩定、在短時間內能提供較大的電流，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部無電解液貯存，極板是干的，且處于荷電狀態，新的蓄電池不必經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，蓄電池內部有少量的電解液，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，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節液面高度，無需保養與維護。(如上右圖)

第七節 汽車電源

二、發電機

車用發電機是在發動機的驅動下，將機械能轉變為電能的裝置。它作為汽車的主要電源，其作用是在發動機怠速以上轉速運行時，為電氣設備供電且不斷地給蓄電池充電。

目前，國內外汽車使用的發電機幾乎都是交流發電機。這是因為交流發電機與直流發電機相比，具有體積小、質量輕、結構簡單、維修方便、壽命長、發動機低速時充電性能好、配用的調節器結構簡單、產生的無線電干擾信號弱、能節省大量銅材等優點，因此，自誕生后即得到迅速普及。

1.硅整流交流發電機的類型

(1)硅整流發電機按總體結構的不同，分為：

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

整體式交流發電機：指內裝電子調節器的交流發電機，如一汽大眾奧迪、高爾夫、捷達和上海桑塔納等轎車用JFZ1613Z型交流發電機。

帶泵交流發電機：指帶真空泵的交流發電機，如JFB1712系列交流發電機。

無刷交流發電機：指無電刷和滑環結構的交流發電機，如JFW1913型交流發電機。

永磁交流發電機：指轉子磁極采用永磁材料的交流發電機。

(2)按整流器結構不同，交流發電機又可分為：

六管交流發電機：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電機。

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

九管交流發電機：有些發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，

內搭鐵交流發電機：指勵磁繞組一端通過發電機外殼直接搭鐵，另一端通過調節器接電源的交流發電機，如JF132N交流發電機。

外搭鐵交流發電機：指勵磁繞組一端直接接電源，另一端通過調節器搭鐵的交流發電機，多數采用電子調節器的發電機都是這種類型。

2.硅整流交流發電機的結構

轉子用來在發電機工作時建立磁場。它由壓裝在轉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子軸上的兩個滑環組成。兩個滑環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上。

定子用來在發電機工作時，與轉子的磁場相互作用產生交流電壓。它由內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，在發動機工作時將三相定子繞組中產生的交流電轉變為直流電。在負極搭鐵的發電機中，3個(或4個)二極管的殼體為負極，壓裝在與發電機機體絕緣的元件板上，并與發電機的輸出端(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，作為發電機的負極，其引線為負極，稱為負極二極管。

驅動端蓋和電刷端蓋作為發電機的前后支撐。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，使電刷與轉子軸上的兩個滑環保持接觸，電刷的引線分別與電刷端蓋上的兩個磁場接線柱相連(外搭鐵式交流發電機)，或一個與磁場接線柱相連，另一個在發電機內部搭鐵(內搭鐵式交流發電機)。發電機的整流器總成也安裝在驅動端蓋上，以有利于檢修。(如下左圖)

3.硅整流交流發電機的工作原理

發電機工作時，通過電刷和滑環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，并在其周圍產生磁場，使轉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。當轉子旋轉時，在定子中間形成旋轉的磁場，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，經整流器整流為直流電。(如上右圖)

第七節 汽車電源

三、發電機的電壓調節器

汽車上的發電機是由發動機通過風扇皮帶驅動旋轉的，由于發動機工作時的轉速在很寬的范圍內變化，使發電機的轉速隨之變化，發電機的電壓也將在很寬的范圍內變化。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，要求在發動機工作時，發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，汽車上使用的發電機，必須配電壓調節器，以便在發電機轉速變化時，保持發電機端電壓恒定。發電機工作時，電壓調節器在發電機電壓超過一定值以后，通過調節經過勵磁繞組的電流強度來調節磁場磁通的方法，在發電機轉速變化時，保持其端電壓為規定值。發電機的調節電壓一般為13.5～14.5V(或13.8～14.8V)。電壓調節器有觸點振蕩式電壓調節器、晶體管電壓調節器和集成電路電壓調節器等多種形式。

2.晶體管電壓調節器

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

其工作原理如下：

接通點火開關，蓄電池的電壓作用于發電機的磁場接線柱"F"，并經調節器的"+"端作用于分壓器 R₁、R₂ 的兩端，使穩壓管 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，低于發電機的調節電壓，使作用于穩壓管 VS₂ 兩端的電壓也低于它的反向擊穿電壓，穩壓管 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，接通發電機勵磁繞組的電路，發電機建立磁場，開始發電。隨著發電機轉速升高，發電機電壓上升，作用于分壓器的電壓及穩壓管兩端的反向電壓升高。當發電機電壓略高于規定的調節電壓時，穩壓管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，切斷發電機勵磁繞組的電路，發電機的勵磁電流中斷，磁場迅速消失，發電機電壓下降。發電機電壓下降到略低于規定的調節電壓時，穩壓管 VS₂ 已截止，發電機電壓又上升，如此反復使發電機轉速變化時，發電機電壓保持恒定。

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

3.集成電路電壓調節器

集成電路電壓調節器的組成和工作原理與晶體管電壓調節器相似，但集成電路調節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。集成電路調節器具有體積小、工作可靠、無需維護等特點，在現代汽車上應用十分廣泛。由于集成電路調節器體積小巧、外部結構十分簡單，它可以安裝在發電機的內部或安裝在發電機的殼體上，與發電機組成一個完整的充電系統，簡化了充電系統的結構。安裝在發電機內部的調節器，稱為內裝式調節器。具有內裝式調節器的發電機和調節器安裝在發電機殼體上的發電機都稱為整體式交流發電機。桑塔納轎車上采用的整體式交流發電機的結構圖

桑塔納轎車采用JFZ1913Z和JFZ1813Z整體式外搭鐵十一管交流發電機，額定功率為1.2kW。發電機共有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，為發電機提供它激電流、控制充電指示燈。調節器采用發電機電壓檢測法，通過3個端子分別與發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、二極管給發電機提供它激電流和為調節器檢測控制部分提供電壓。由于蓄電池電壓低于調節器的調節電壓上限值，調節器使勵磁電路接通，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→調節器→搭鐵→蓄電池負極。

隨著發動機轉速升高，當發電機端電壓超過蓄電池的端電壓時，發電機開始自激并給負載供電，給蓄電池充電，并為調節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，指示發電機正常工作。如果發電機端電壓還未升高到調節器的調節電壓上限值，則調節器使勵磁電路接通。發電機自勵電路為：發電機定子繞組→勵磁二極管→勵磁繞組→調節器→搭鐵→負極管→發電機定子繞組。當發電機端電壓高于調節器的調節電壓上限值時，調節器使勵磁電路斷開，發電機磁通減弱，端電壓降低；當發電機端電壓低于調節器的調節電壓下限值時，調節器又使勵磁電路接通，發電機電壓上升。如此循環，調節器不斷控制勵磁電路通斷，維持發電機端電壓不超過調節器調節電壓。

與充電指示燈串聯的二極管的作用是：在發電機端電壓高于蓄電池端電壓時，保證發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人造成錯覺，以及勵磁二極管過載損壞。