汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法第一講傳統(tǒng)汽車電源系統(tǒng)

1、第一講 傳統(tǒng)汽車電源系統(tǒng),一.概述,目前，汽車的電源系統(tǒng)采用14V電壓供電（12V的蓄電池），功率普遍為12KW。具體結(jié)構(gòu)如圖1示：,圖1. 汽車電源系統(tǒng),該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是： 采用交流同步發(fā)電機(jī)； 三相整流器將交流電壓整成直流電壓； 單一的14V電源總線 電源負(fù)極搭鐵（接地）。,一.概述,其中，用電器主要有： 起動(dòng)電機(jī)； 檔風(fēng)玻璃加熱器； 各種車內(nèi)照明； 各種信號(hào)裝置； 各種控制器； 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置等。,存在問(wèn)題：電流大，擴(kuò)大容量比較困難。,動(dòng)力蓄電池,蓄電池的主要技術(shù)參數(shù)： 1.電池的容量； 2.電池的使用壽命； 3.電池的功率密度； 4.電池的能量密度； 5.電池的溫升特性；,二.蓄電池,首先

2、，來(lái)講一下蓄電池（即鉛酸電池）。 蓄電池每個(gè)單格的標(biāo)稱電壓為2V，由若干單格電 池組成蓄電池總成，以滿足汽車用電設(shè)備的需要。蓄電池主要由極板組、隔板、殼體、聯(lián)條、加液孔蓋、和電解液組成。 蓄電池的正極板為 ，負(fù)極板為 ，電解液為 的水溶液，蓄電池充放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。根據(jù)蓄電池的充放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，可以得出如下結(jié)論： 蓄電池在充放電過(guò)程中，其內(nèi)部活性物質(zhì)是處于化合和分解的矛盾運(yùn)動(dòng)中，略去中間的化學(xué)反應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可表示為：,二.蓄電池,由此可以看出：蓄電池在放電時(shí)，電解液中的硫酸逐漸減少而水增多，電解液比重下降，充電時(shí)，恰好相反，故可通過(guò)測(cè)量電解液比重來(lái)判斷蓄電池的充放電程度。

3、在充放電時(shí)，電解液比重發(fā)生變化，主要是由于正極板處活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，因而要求正極板處電解液的流動(dòng)性要好，隔板的結(jié)構(gòu)和安裝應(yīng)特別注意。 蓄電池放電終了時(shí)，實(shí)際上只有少部分活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U。因此，要減輕蓄電池重量，提高其供電能力，應(yīng)設(shè)法提高極板的孔隙度，減小極板厚度，以提高活性物質(zhì)的利用率。 蓄電池的工作特性 要使蓄電池得到合理使用，必須掌握它的工作特性，即蓄電池的電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、充放電特性和容量等變化規(guī)律。,二.蓄電池,電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻 在蓄電池內(nèi)部工作物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)處于暫時(shí)的平靜狀態(tài)時(shí)，蓄電池的電動(dòng)勢(shì)稱為靜止電動(dòng)勢(shì)，其大小取決于電解液的比重和溫度，靜止電動(dòng)勢(shì) ，在15時(shí)和電解液的比重關(guān)系可近似

4、表示為： 其中， 式中 15時(shí)電解液的比重。 蓄電池的內(nèi)阻包括極板、隔板、電解液、聯(lián)條和極樁等的電阻。 電解液的電阻與電解液的溫度和比重有關(guān)，比重為1.2時(shí)，硫酸的電離最好，粘度較小，電阻也最小，所以適當(dāng)采用低比重和提高溫度，對(duì)降低蓄電池的內(nèi)阻是很有意義的，尤其是冬季。總之，鉛酸電池的內(nèi)阻是很小的，因此可以獲得較大的輸出電流，,二.蓄電池,適應(yīng)起動(dòng)需要。 蓄電池的充電特性 蓄電池的充放電特性是指在恒流充電過(guò)程中蓄電池的端電壓 ，電動(dòng)勢(shì)E 和電解液比重隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2示。 可以看到：在充電過(guò)程中，蓄電池電解液比重和靜止電動(dòng)勢(shì)與充電時(shí)間成直線關(guān)系增長(zhǎng)，端電壓不斷上升，并且總大于電動(dòng)勢(shì)E。因?yàn)?/p>

5、加在正負(fù)極上的端電壓,圖2 蓄電池充電特性,二.蓄電池,樁上的端電壓，必須克服電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻壓降 ，電流才能通過(guò)。即 由上述和圖2可知，判斷蓄電池充足電的現(xiàn)象是： 1) 端電壓升到最大值，且兩個(gè)小時(shí)內(nèi)不再增加； 2) 電解液比重上升到最大值，且兩個(gè)小時(shí)內(nèi)不再增加； 3) 蓄電池激烈地放出大量氣泡，電解液沸騰。 蓄電池的放電特性 蓄電池的放電特性是指在恒流放電過(guò)程中，蓄電池端電壓 ，電動(dòng)勢(shì)E和 電解液比重 隨放電時(shí)間的變化規(guī)律。如圖3所示。 在放電過(guò)程中，電解液比重是直線下降的，從1.27降至1.11，這是因?yàn)椋?在恒流放電時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，蓄電池內(nèi)部活性物質(zhì)與電解液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的速度時(shí)一定的，

6、這時(shí)所消耗的硫酸和生成的水與放電時(shí)間成正比。因而可用測(cè)量電解液比重來(lái)判斷蓄電池的放電程度，一般 每下降0.04，則蓄電池約放電25。 因靜止電動(dòng)勢(shì) 與成正比，故 也成直線下降。,二.蓄電池,圖3 蓄電池放電特性,二.蓄電池,在放電時(shí)， 總是小于E，即 從而，蓄電池是否放完電，通常可以由兩個(gè)參數(shù)來(lái)判斷： 1）單格電池電壓降到放電終止電壓； 2）電解液比重降到最小許可值，約為1.11。 容許的放電終止電壓與放電的電流強(qiáng)度有關(guān)，放電電流越大，則放完電的時(shí)間越短，允許的放電終止電壓也越低 ，如表1示。（Qe為蓄電池的額定容量）,二.蓄電池,蓄電池容量 蓄電池的容量是指在放電允許的范圍內(nèi)蓄電池輸出的電量

7、，即容量Q等于放電電流與放電時(shí)間的乘積 蓄電池的容量與放電電流的大小及電解液的溫度有關(guān)，因此，蓄電池廠規(guī)定的標(biāo)稱容量，是在一定的放電電流，一定的終止電壓和一定的電解液溫度下取得的，標(biāo)稱容量有兩種： 1）額定容量Qe 額定容量是指完全充足的蓄電池，在電解液平均溫度為30 的情況下，以20h放電率放電至單格電壓降至1.75V時(shí)，所輸出的電量。 2）起動(dòng)容量 起動(dòng)容量是表征蓄電池在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)供電能力，一般分為常溫和,二.蓄電池,低溫兩種。 a）常溫起動(dòng)容量，即電解液平均溫度為30 時(shí)，以5min放電率的電流（即3Qe電流）放電至單格電壓下降到1.5V時(shí)所輸出的電量。 b）低溫起動(dòng)容量，即電解液平均

8、溫度為18 時(shí)，以3Qe電流放電至單格電壓下降至1V時(shí)所輸出的電量。 蓄電池的容量越大，可提供的電能就越多，因此它是檢驗(yàn)蓄電池質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。 影響蓄電池容量的因素 1）放電電流 隨著放電電流的加大，蓄電池的容量和端電壓將隨之減小。這是因?yàn)榉烹姇r(shí)，正負(fù)極板的PbO2，Pb都轉(zhuǎn)變?yōu)镻bSO4比重較小，因此隨著PbSO4的析出，極板孔隙逐漸縮小，使容器中的硫酸滲入困難，且當(dāng)放電電流增大時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度加快，PbSO4堵塞孔隙的速度也加快。由于孔隙中電解液比重迅速下降，使極板內(nèi)部的大量活性 物質(zhì)不能參與化學(xué)反應(yīng)，蓄電池的實(shí)際輸出容量減小。,由此可見(jiàn)，如果長(zhǎng)時(shí)間接通起動(dòng)機(jī)，就會(huì)使蓄電池的端電壓急速

9、下降至終止電壓，輸出容量減小，且使蓄電池過(guò)早損壞。因此，在使用中接通起動(dòng)機(jī)的時(shí)間不允許超過(guò)5s，兩次起動(dòng)時(shí)間要間隔15s以上，使電解液充分滲入極板內(nèi)層，以提高蓄電池的使用壽命。 2）電解液溫度 在一定的放電電流下，溫度低則容量減少。這是由于溫度降低時(shí)，電解液的粘度增加，滲入極板內(nèi)部困難，同時(shí)電阻增大，蓄電池端電壓降低，因此容量減少。 蓄電池的額定容量是在30 時(shí)的容量，溫度每降低1 ，緩慢放電時(shí)的容量越減少1，迅速放電時(shí)越減少2，不同溫度下的容量換算可用下式換算成30 時(shí)的容量,二.蓄電池,二.蓄電池,式中Qt電解液平均為t度時(shí)的實(shí)測(cè)容量（Ah）。 由于溫度對(duì)蓄電池容量和端電壓有很大的影響，所

10、以在寒冷地區(qū)冬季，會(huì)給停車帶來(lái)一定的困難，特別是起動(dòng)時(shí)，由于低溫和強(qiáng)電流放電，蓄電池端電壓下降較多，容易造成點(diǎn)火困難，故應(yīng)裝蓄電池保溫裝置。 3）電解液比重 提高電解液比重，可以提高鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)和容量。但電解液比重過(guò)大，又將導(dǎo)致粘度增加和內(nèi)阻增加，反而會(huì)使蓄電池容量減小。實(shí)踐證明，電解液比重偏低，有利于提高放電電流，有利于延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，冬季在不使電解液結(jié)冰的前提下，也盡可能采用稍低的電解液比重。,三.發(fā)電機(jī),前面已經(jīng)講過(guò)，汽車上使用的電源，除蓄電池外，還有發(fā)電機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，汽車的用電設(shè)備，主要靠發(fā)電機(jī)供電，而且當(dāng)蓄電池存電不足時(shí)，發(fā)電機(jī)還給蓄電池充電?，F(xiàn)代汽車的各

11、種設(shè)施越來(lái)越完善，用電設(shè)備的數(shù)量也越來(lái)越多。因此，要求發(fā)電機(jī)有較大的功率輸出。傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)已不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求而被交流發(fā)電機(jī)取代。所以下面簡(jiǎn)單介紹一下交流發(fā)電機(jī)。 汽車用交流發(fā)電機(jī)，多采用三相同步交流發(fā)電機(jī)，由6只二極管構(gòu)成三相全橋整流器。,三.發(fā)電機(jī),各國(guó)生產(chǎn)的交流發(fā)電機(jī)都大同小異，主要由定子、轉(zhuǎn)子、滑環(huán)、電刷、整流二極管、前后端蓋、風(fēng)扇及皮帶輪等組成。有的還將調(diào)節(jié)器與發(fā)電機(jī)裝在一起。 交流發(fā)電機(jī)工作原理 1）發(fā)電原理 交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁力線和定子繞組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在三相繞組中產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)，其頻率f為,三.發(fā)電機(jī),式中 p磁極對(duì)數(shù)； n發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 在汽車交流發(fā)電機(jī)中

12、，由于轉(zhuǎn)子磁極呈鳥(niǎo)嘴行，其磁場(chǎng)分布近似于正弦規(guī)律，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也近似于正弦波形。三相繞組在定子槽中時(shí)對(duì)稱繞制的，因此，三相電動(dòng)勢(shì)大小相等，相位差為120度電角度。 發(fā)電機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E為 式中 K繞組系數(shù)（交流發(fā)電機(jī)采用整距集中繞組時(shí)K1）； f感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率；,三.發(fā)電機(jī),N每相繞組匝數(shù)； 每極磁通。 2）整流過(guò)程 利用二極管的單向?qū)щ娦跃湍芙M成各種形式的整流電路，把交流電整成直流電。 一般采用三相橋式整流電路。 3）激磁方法 汽車用硅整流發(fā)電機(jī)，在不外接電源時(shí)，本身也可能利用剩磁自激發(fā)電，但一方面由于轉(zhuǎn)子剩磁較弱，所能感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)較低；另一方面，硅二極管由約0.6V的門檻電壓。在

13、電壓低于門檻電壓時(shí)，二極管處于截至狀態(tài)，所以交流發(fā)電機(jī)只有在較高轉(zhuǎn)速下，才可能自激發(fā)電，但這不能滿足汽車,三.發(fā)電機(jī),使用要求。因此汽車上用的交流發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，是采用他激方式，即蓄電池供給激磁繞組電流，以增強(qiáng)磁場(chǎng)，使電壓很快上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，即發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓達(dá)到蓄電池充電電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)才自激，即利用定子繞組產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)整流的直流電供給激磁繞組。 4）交流發(fā)電機(jī)的特性 a）輸出特性 輸出特性是指發(fā)電機(jī)端電壓不變，即U常數(shù)的情況下，輸出電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即If（n）的函數(shù)關(guān)系，如圖4所示。 值得注意的是，交流發(fā)電機(jī)能自動(dòng)限制最大輸出電流。原因如下：,三.發(fā)電機(jī),圖4 交流發(fā)電

14、機(jī)輸出特性,三.發(fā)電機(jī),i. 定子繞組具有一定的感抗XL，因此其阻抗Z為 式中 r相繞組的電阻值。 在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，r比XL小得多，而可以忽略不計(jì)。即阻抗Z約等于感抗XL，所以轉(zhuǎn)速升高時(shí)，阻抗隨之增大，產(chǎn)生較大的內(nèi)阻壓降，端電壓有所下降。 ii.定子電流增加時(shí)，電樞反應(yīng)增強(qiáng)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)下降。 由于以上兩個(gè)方面的原因，就可使輸出電流的最大值受到限制，所以交流發(fā)電機(jī)，可以不需另加電流限制器，而具有自我保護(hù)能力。,三.發(fā)電機(jī),b）空載特性 空載特性是指發(fā)電機(jī)空載時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即I0時(shí)，Uf（n）的函數(shù)關(guān)系，如圖5所示。 c）外特性 外特性是指轉(zhuǎn)速一定時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與輸出電流

15、之間的關(guān)系，即n常數(shù)時(shí)，Uf（I）的函數(shù)關(guān),圖5發(fā)電機(jī)空載特性,三.發(fā)電機(jī),系。有圖6可知，隨著輸出電流的增加，發(fā)電機(jī)的端電壓下降較大。因此當(dāng)發(fā)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果突然失去負(fù)載，則其端電壓急劇升高，這時(shí)發(fā)電機(jī)中的二極管以及調(diào)節(jié)器中的電子元件將有被擊穿的危險(xiǎn)。,圖6 發(fā)電機(jī)外特性,四.電壓調(diào)節(jié)器,由前所述，交流發(fā)電機(jī)的硅二極管具有單向?qū)щ娦?，有阻止反向電流的作用，所以不需要設(shè)電流截流繼電器。另外，交流發(fā)電機(jī)具有自動(dòng)限制最大電流的能力，也不需要電流限制繼電器，只需一個(gè)電壓調(diào)節(jié)繼電器。現(xiàn)在汽車上用的電壓調(diào)節(jié)器有電磁振動(dòng)式、晶體管式和集成電路等多種。 下面主要介紹一下晶體管式電壓調(diào)節(jié)器。,四.電壓調(diào)節(jié)器,晶體管式電壓調(diào)節(jié)器以開(kāi)關(guān)代替