汽车上的电是怎么来的?又是如何补充的——说说汽车的充电系统

今日推荐 2年前 (2020-04-14) 66 人围观 0

现在的汽车是一个复杂的机电产品,绝大多数的功能运行都是由电来控制的,比如发动机电控系统、自动变速箱电控系统、车身电控系统、制动与转向电控系统,灯光系统,等等。那么有些人就会感到奇怪了:这汽车上没有外接电源,这些电都是从哪儿来的呢?怎么感觉电能是取之不尽用之不竭的?虽然汽车上有一个蓄电池,不过它所储存的电量应该是有限的,当它的电能消耗殆尽的时候,又是如何补充的呢?

汽车虽然没有外接电源,但是汽车本身是有电源的,可以实现自发电,这就是汽车的充电系统。在汽车上有两个电源,一个是蓄电池,可以储存一定的电能,在发动机没有启动之前,汽车上所有的电能都是由它提供的,比如启动发动机、听音乐、汽车防盗系统等;另一个是发电机,它是汽车上的主电源,当发动机正常运行时,汽车上的所有电能都是由发电机提供的,多余的电能会储存在蓄电池中,当发电机电能不足以应付汽车用电时,蓄电池会提供一部分电能辅助发电机工作。它们二者协同工作,就构成了汽车的电源系统。下面我们就来说说这套系统是如何工作的,电能又是如何相互转化的。

首先说明一下,汽车上的电气系统的特点是直流、低压(12伏或24伏)、负极搭铁,以下所有的论述,都是在这个前提下进行的。

首先来说说蓄电池。汽车上的蓄电池是汽车的辅助电源,绝大多数都是铅酸蓄电池,它是一种低压直流可逆电源,可以让化学能与电能相互转化。它的基本结构是由极板、电解液、隔板、壳体这几大部分组成的,其中极板分为正负极板,正极板上涂敷着二氧化铅,负极板上涂敷着海绵状的纯金属铅,电解液是36%左右的硫酸水溶液。根据极板的形式以及隔板结构的不同,蓄电池大致可以分为普通型蓄电池、免维护蓄电池、干荷电蓄电池以及胶体蓄电池这几大类,现在汽车上最常用的是免维护蓄电池。带有自动启停功能的车型,它的蓄电池是特制的,隔板是玻璃纤维的,电解液被吸附在隔板上,它的充放电速度更快,并且允许多次充放电。如果它损坏了,是不能用普通蓄电池代替的。

一般汽车上只有一个蓄电池,属于12伏电源系统;有些高档汽车会并联安装主-副两个蓄电池,电源电压仍然是12伏;而在柴油发动机上,由于启动力矩较大,一般串联安装两个蓄电池,形成24伏电源系统。那么蓄电池电压为什么都是12伏呢?这就要从蓄电池的电能生成原理说起了。

蓄电池在静止状态下,在正极板处,二氧化铅与硫酸作用生成带正电荷的铅离子沉浮在正极板上,使正极板具有2V的正电位;在负极板处,纯铅电离为铅离子和电子,两个电子留在负极板上,使负极板具有约-0.1V的负电位;这样在正负极之间就形成了大约2.1V的电位差,这就是铅酸蓄电池能够建立起电动势的原理。这样由一对正负极板组成的电池称为一个单格蓄电池,一般蓄电池中有六对单格蓄电池,它们串联安装在一起,就组成了电压为12.6伏的蓄电池,对外标称12伏。但事实上,如果在静止状态下测量蓄电池电压为 12伏,它的电量就所剩无几了,一般充满电的蓄电池电压都在12.6~12.8伏之间。

那么蓄电池又是如何放电的呢?当蓄电池接上负载后,由于有电压的存在,所以会产生电流,驱动电子会从负极板流向正极板,正负极板上的金属铅和二氧化铅就变成了铅离子,然后铅离子与硫酸根结合生成硫酸铅。这个过程循环进行,就会形成持续的放电电流,分子间的化学能就转换成了电能。由于这个过程会消耗电解液中的硫酸,并生成硫酸铅附着在正负极板上,所以随着放电时间的延长,电解液中的硫酸越来越少,附着在极板上的硫酸铅越来越多,硫酸与极板上的金属铅接触的越来越少,反应速度越来越慢,放电电流也随之越来越小,所以蓄电池放电时间长了越来越无力,就是这个缘故。当极板上大部分被硫酸铅覆盖的时候,反应基本就终止了,这时候就是所说的“电放没了”。

由于蓄电池在放电过程中消耗硫酸,生成了水,所以在放电过程中电解液的密度是逐渐下降的,当蓄电池完全没电的时候,电解液的密度也下降到了最低。我们测量电解液的密度就可以大致的知道蓄电池的放电程度,这也是免维护蓄电池电量观察孔的原理。一般充满电的蓄电池电解液密度是1.28g/ml左右,完全没电的蓄电池电解液密度是1.24g/ml左右。并且完全放电的蓄电池电解液冰点会升高,在寒冷的冬季有结冰的危险。

表征蓄电池容电量的参数是额定容量。所谓的额定容量,就是把充满电的新电瓶在平均温度为30°C的条件下,以20h放电率连续放电,直到电瓶电压降低到10.5V为止,电瓶所输出的容量。比如说我们汽车上常用的蓄电池型环球信息报号是6-QA-60,其中的“60”就是额定容量,是以3A的电流持续放电20小时,电瓶电压下降到10.5V所得到的。一般容电量越高的蓄电池,内部的正负极板、电解液等活性物质越多,体积越大,成本也越高。现在的汽车为了降低成本,通常会使用更小的蓄电池,比如把6-QA-60换成6-QA-45的,蓄电池的体积和额定容量都降低了,成本也降低了,但是这样的蓄电池很不耐用,连续启动几次发动机,或者发动机熄火听音乐,蓄电池很快就亏电了。

再来说说汽车发电机。汽车发电机是汽车上的主电源,在发动机正常运行时,汽车上所有的电能都是由发电机提供的,剩余的电能还会给蓄电池充电。现在汽车上所用的发电机大多为硅整流三相交流发电机,它的主要结构是由转子、定子、电刷与滑环机构、三相桥式整流器、轴承、风扇和前后端盖等组成。

那么发电机又是如何发电的呢?当点火开关打开之后,蓄电池给发电机转子线圈通电,产生一个磁场,这个过程称为“励磁”。在发电机运转初期,这个励磁电流是由蓄电池提供的,称为“他励”;当发电机正常运转后,发出的电量足够多了,这个励磁电流就由发电机自身提供,称为“自励”。然后发电机转子在发动机曲轴的带动下高速旋转,定子线圈就会切割转子线圈的磁力线,根据楞次定律,运动的导体切割磁力线就会产生电流,所以在定子线圈中就会产生电流,发电机就是这样发电的。不过这样发出来的电是三相交流电,是不能直接在汽车上使用的,必须将其整流为直流电。这个工作由安装在发电机后端盖上的整流器来完成,它是由六个二极管组成的一个桥式整流电路,可以将三相交流电转变成直流脉动电压。

从这里我们可以看出,发电机发电的根本原因是转子高速旋转产生的旋转磁场。如果没有这个旋转磁场,是不可能发出电能的。而通电的导体在磁场中运动就会受到力的作用,所以发电机转子运转时是会受到很大的阻力的。这个阻力反作用于发动机曲轴,对发动机的运转产生阻滞作用。所以,发电机也是要消耗发动机功率的,从最根本的因素谈起,汽车上的电能都是由燃油转化而来的,所以耗电也就是耗油,发电机相当于一个把燃油的化学能转化为电能的一个工具,发电量越高,自然消耗的燃油也越多。一般来说,发电机的功率在0.8~1.5千瓦之间,足以满足汽车上所有的用电器同时工作所消耗的电能,并且还会有剩余的电能给蓄电池充电。如果在某些特殊情况下,发电机发电量不足,蓄电池会协助供电。

一般汽车发动机与发电机的转速比为1:2.5,也就是说,当发动机以800转/分钟运转时,即发动机怠速运转,发电机可以2000转/分钟的转速运转,此时足以使发电机发出足够的电量了。并且随着发动机转速的升高,发电机的发电电压和电流都随之增大。为了避免电压过高,在发电机上安装了一个调节器,用来接通和切断励磁电流。当发电机发电量过大时,励磁电流切断,发电机就不发电了。等电压降低后,励磁电流重新接通,发电机恢复发电。

那么发电机又是如何给蓄电池充电的呢?在汽车电气系统中,发电机和蓄电池是并联的,当发电机正常工作时,它发出的电压一般在13.5~14.5伏之间,高于蓄电池的12伏电压,在这种情况下,蓄电池是以负载的形式存在的,相当于发电机给蓄电池供电,也就是发电机给蓄电池充电。

那么电能又是如何储存在蓄电池中呢?蓄电池在充电时,在外界电源的作用下,有大量的电子从正极板返回负极板,使极板上的硫酸铅还原为纯铅和二氧化铅,硫酸根重新与水分子的氢根结合生成硫酸,这样就相当于把电能转化成了化学能储存在蓄电池中。当硫酸铅全部还原为纯铅和二氧化铅之时,蓄电池就充满电了。如果在此时继续充电,这些电能就会分解水,生成了氢气和氧气。有时候蓄电池在补充充电时会“冒泡”,其实就是电解的氢气和氧气逸出来了。在充电过程中,由于电解液中的硫酸越来越多,电解液的密度是逐渐增加的,充电越足,电解液的密度越高;当极板上的硫酸铅全部转化完后,电解液的密度也达到了最高值。

以上就是汽车上电力的来源以及蓄电池与发电机电量的相互转换过程。在这个过程中,以发电机供电为主,蓄电池只是在发动机熄火以及启动初期提供电能。在发动机正常运行时,如果发电机电量不足以应付汽车电力需求时,蓄电池也会辅助发电机供电。比如一些小排量的发动机,在低速运转时,如果同时开启了大灯等大功率电器,发电机负荷过大,运转阻力过大,就会反作用于发动机,发动机就会抖动严重。此时蓄电池就会参与供电,避免发电机超负荷和发动机熄火。此外,如果汽车经常短距离低速行驶,蓄电池的电能得不到足够的补充,也会亏电,这时候就需要用外接电源来给蓄电池补充充电。


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