Как работает система зарядки автомобиля

Для работы зажигания и другого электрооборудования автомобиля требуются большие объемы электроэнергии.

Если бы для питания использовалась обычная батарея, она бы быстро разрядилась. Именно поэтому в автомобилях используются аккумуляторные батареи и системы зарядки, которые их поддерживают.

Батарея состоит из пар свинцовых пластин, погруженных в смесь серной кислоты и дистиллированной воды.

Некоторые из пластин соединены с зажимами. При подаче тока в батарее возникает химическая реакция, в ходе которой на пластинах образуется свинцовый осадок.

Когда батарея отдает заряд, происходит обратный процесс: свинцовый осадок растворяется, и в ходе реакции образуется электрический ток.

В генераторе находится ротор с ременным приводом, который при подаче тока выполняет роль электромагнита. При вращении ротора сила тока в обмотке статора увеличивается.

В современных автомобилях батареи заряжаются от генератора, в старых моделях в качестве зарядного устройства используется динамо-машина. Генератор или динамо-машина работают от ременного привода и получают энергию от двигателя.

Генератор состоит из неподвижной обмотки (статора) и ротора, который вращается внутри нее.

Ротор представляет собой электромагнит, принимающий ток через контактные щетки из углеволокна и вращающиеся металлические кольца.

Вращение магнита в обмотке статора создает сильный ток за пределами этой обмотки.

Получаемый таким образом ток считается переменным, т.к. его направление меняется с каждым поворотом ротора. Для получения постоянного (одностороннего) тока переменный ток необходимо выпрямлять.

Динамо-машина производит постоянный ток, однако его сила ниже, особенно при небольшой частоте оборотов двигателя. Кроме того, такое устройство весит больше, чем генератор.

Если батарея не заряжается (например, потому, что был отключен двигатель), на приборной панели светится лампа аварийной сигнализации.

В некоторых автомобилях предусмотрен амперметр, показывающий силу генерируемого тока, или индикатор состояния батареи, показывающий текущий уровень заряда.

Как работает генератор

Как течет ток в генераторе

При движении магнита через замкнутый контур в обмотке образуется электрический ток. Представим себе виток катушки с магнитом внутри.

Северный полюс магнита направлен к верхней части витка, южный полюс — к нижней. При движении магнита в каждом витке возникает односторонний ток.

При отдалении магнита ток исчезает и появляется, когда южный полюс достигает нижней части витка, а северный — верхней.

При этом ток течет в обратном направлении.

В генераторе автомобиля электромагнит используется для усиления тока.

Как работает динамо-машина

Электромагнит динамо-машины представляет собой обмотку возбуждения, ток генерируется при вращении сердечника.

Магниты динамо-машины, также именуемые обмоткой возбуждения, неподвижны. Ток возникает в сердечнике, который представляет собой обмотанный проволокой вал, вращающийся в обмотке возбуждения.

однако в первом случае ток передается на коллектор — металлическое кольцо, разделенное на сегменты, которые попарно соприкасаются с контактными щетками с пружинными направляющими.

При повороте сердечника направление тока меняется, и щетки меняют свое местоположение, соприкасаясь с другой парой сегментов. Эта пара направляет ток в противоположную сторону, и он всегда течет в одном и том же направлении.

Подача тока на батарею

Ток, получаемый с помощью генератора, выпрямляется с помощью нескольких диодов, пропускающих его только в одном направлении.

Для зарядки батареи требуется определенное напряжение.

Генератор снабжен управляющим элементом на транзисторах. Этот элемент управляет напряжением, увеличивая или уменьшая силу тока по требованию.

Выпрямитель и реостат, как правило, находятся в крышке корпуса генератора, но в некоторых генераторах они крепятся к корпусу снаружи.

Динамо-машине не требуется выпрямитель. Она снабжена регулятором напряжения, который содержится в отдельном корпусе с несколькими переключателями.

Один из переключателей контролирует уровень напряжения путем временного отключения тока в обмотке возбуждения.

Второй переключатель перекрывает избыточный ток, не давая ему повредить батарею.

Третий переключатель предотвращает разрядку батареи, когда динамо-машина работает с недостаточной мощностью.

Принципы построения системы зарядки

Основные принципы

На рисунке показана система зарядки транспортного средства в виде трех узлов:

• генератора переменного тока
• аккумуляторной батареи
• нагрузок транспортного средства

Рис. Система зарядки автомобиля

Когда напряжение электрогенератора меньше, чем напряжение батареи (двигатель работает на малых оборотах или не работает), направление тока — от батареи к потребителям транспортного средства. Диоды генератора «не пускают» ток внутрь генератора. Когда напряжение генератора больше, чем напряжение батареи, ток будет течь от генератора переменного тока к потребителям транспортного средства и к батарее.

Из этого простого примера ясно, что выходное напряжение электрогенератора должно быть больше напряжения батареи всегда, когда двигатель работает. Напряжение в цепи является важной величиной, которая зависит от множества факторов.

Напряжения зарядки

Главный вопрос при выборе напряжения зарядки — напряжение на клеммах батареи, когда она полностью заряжена. Если напряжение системы зарядки настроено на эту величину, тогда нет и не может быть никакого риска перезаряда батареи. Это известно как метод зарядки при постоянном напряжении. Цифра 14,2 ± 0,2 В принята как напряжение зарядки для 12-вольтовых систем. Грузовики, как правило, используют две последовательно соединенные батареи при номинальном напряжении 24 В, поэтому принятое напряжение зарядки удваивается. Это стандартное напряжение питания для всех потребителей транспортного средства.

Другие ситуации, которые следует учитывать при определении напряжения зарядки — любые ожидаемые падения напряжения в кабельных цепях системы зарядки, рабочая температура системы и состояние батареи. Падения напряжения должны быть сведены к минимуму, но важно отметить, что напряжение на выходе генератора переменного тока может быть немного выше приложенного к батарее.

Системы запуска и зарядки автомобиля. Контроль неисправностей, ремонт.

Системы запуска и зарядки автомобиля. Контроль неисправностей, ремонт.
Системы запуска и зарядки автомобиля – наиболее консервативные с точки зрения схемотехнического исполнения узлы автомобиля. Принцип работы стартера и генератора для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания остается неизменным вот уже полвека.

Система запуска двигателя

На стартере обычно расположены три клеммы: клемма 1 – сильнотоковая клемма от аккумулятора, часто через нее идет подключение к генератору. Клемма 2 – сигнальная клемма управления включения стартера на запуск. Клемма 3 – плюсовой вывод электропривода (в некоторых моделях отсутствует, это усложняет поиск неисправностей стартера). В качестве минусовой клеммы используется металлический корпус стартера. Принцип действия стартера прост. На управляющую клемму стартера приходит напряжение +12 В. Срабатывает электромагнитный клапан Кл, который выполняет две функции. Он тянет вилку бендикса (муфта опережения), который вводит в зацепление вал электропривода с маховиком двигателя. Одновременно замыкает пятак включения электропривода М. Такое техническое решение придумано более 70 лет назад и оказалось настолько удачным, что дожило до наших дней.

Стартер, особенно в зимнее время, подвергается ужасным нагрузкам, поэтому система запуска часто отказывает. Здесь возможны следующие варианты:

• Во время поворота ключа зажигания в крайнее положение (на запуск) слышен сильный щелчок из области стартера, но электропривод не крутится (нет бжик-бжик двигателя). Возможно, просто не хватает напряжения аккумулятора для срабатывания пятака (пятак в простонародии круглый медный контакт, который замыкает цепь электропривода). Иногда напряжение меньше семи вольт во время запуска и не хватает энергии для прокрутки двигателя. Достаточно измерить напряжение на аккумуляторе в момент запуска, и если меньше 9 вольт, искать донора на прикуривание.
• Во время поворота ключа зажигания на запуск не слышно ничего. Здесь вариантов больше. Во-первых, надо сперва проверить напряжение на аккумуляторе. Второе, попробовать добраться до тонкого провода на стартере (управляющего). Можно на него подать с плюсовой клеммы аккумулятора напряжение, При исправном стартере двигатель запустится. ТОЛЬКО – снимайте с передачи. В-третьих, если по-прежнему ничего не слышно, а ехать хочется, можно постучать чем-то металлическим по стартеру, но не сильно. Возможно, залипли щетки электропривода, и не срабатывает электромагнитный клапан. Щетки потом придется менять.
• Более худший вариант, когда во время поворота ключа на зажигание слышен посторонний механический шум. Вероятнее всего, полетела вилка, в современных автомобилях она сделана из композиционных сплавов, например жигулевская, рис.2

Если механический шум не прекращается после запуска двигателя, возможно, разрушена шестеренка сцепления с маховиком. Бендикс подлежит замене.

• Отказ системы запуска часто не связан с неисправностью стартера. Необходимо проверить реле стартера (в некоторых автомобилях его нет). Контроль реле проще всего выполняется установкой перемычки силовых контактов реле. Следующий этап – проверка контактной группы замка зажигания. По этому вопросу можно получить консультацию у угонщиков автотранспорта, на крайний случай воспользоваться электросхемой. В новых автомобилях обычная прозвонка контактной группы может не помочь, например в VW контакты замка выполнены из металлизированной резины подобно пультам дистанционного управления. Запуск двигателя может не производиться, если некорректно работает рычаг АКПП (сигнал запуска стартера блокируется блоком управления трансмиссией). Наконец, в некоторых марках автомобилей система может блокироваться иммобилайзером. Особенно часто это случается в сильные морозы, при отключении аккумулятора. Тогда без помощи специалиста точно не обойтись.

Система зарядки аккумулятора

Генератор состоит из возбуждающей обмотки и обмоток статора, выполненных по трехфазной схеме. Переменный сигнал выпрямляется мощными диодами и поступает по клемме В+ на зарядку аккумулятора. Напряжение регулируется током возбуждающей обмотки G посредством реле-регулятора (часто его называют таблеткой или шоколадкой из-за геометрического сходства). На генератор обычно приходит три провода (В+ силовой провод на аккумулятор, 1 — сигнал на контрольную лампу приборной панели, 2 – шина 15 с замка зажигания). Иногда сигнал на тахометр также снимается с генератора.

Неисправность системы зарядки, как правило, контролируют по лампочке на приборной панели, однако хотя бы раз в полгода не мешает проверять напряжение на аккумуляторе на заведенном двигателе. Первой ласточкой неисправности может служить изменение яркости осветительных приборов при различных оборотах двигателя.

Система зарядки автомобиля. Проблемы и решения

Система зарядки автомобиля должна справляться с нагрузками при различных условиях. Задачу определения необходимой выходной мощности осложняют реальные условия эксплуатации.

Один вариант — дорожная пробка холодной ночью под дождем. Возможны длительные периоды, когда двигатель едва крутится, но требуется использовать почти все электрооборудование. Другой вариант — автомобиль припаркован морозной ночью на открытом месте. Двигатель запущен, включена вентиляция салона, обогреватели сидений, заднего стекла (выключаются автоматически приблизительно через 15 минут работы). Несколько минут уходит на прогрев салона и стекол. Затем включаются фары и дворники, и автомобиль полчаса движется в плотном потоке.

Были проведены испытания и моделирование для упомянутых и других вариантов. В конце первого сценария заряд батареи будет приблизительно на 35% меньше первоначального уровня, во втором случае заряд будет еще на 10% меньше. Эти ситуации — худшие сценарии из всех случаев, но, тем не менее, возможные. Если описанные ситуации повторялись бы без других поездок между ними, то батарея очень скоро сказалась неспособной запустить двигатель. Объединение этих режимов с постоянно растущей потребностью в росте мощности генератора делает эту проблему трудноразрешимой. Поскольку блок управления двигателем с оперативной памятью и сигнальными системами потребляют энергию во время стоянки, все более важно гарантировать, что батарея останется полностью заряженной.

Есть много возможных решений, которые могут гарантировать, что батарея останется всегда в состоянии, близком к полному заряду. Чтобы «проглатывать» изменения в электрических нагрузках и эксплуатационных режимах, можно использовать батарею большей емкости, однако физические размеры батареи обуславливают некоторый предел. На рисунке графически представлены пять вариантов модернизации системы электропитания:

• установка более мощного генератора переменного тока;
• работа системы управления мощностью;
• двухступенчатый механизм привода от двигателя или увеличенная скорость генератора переменного тока;
• увеличенная скорость холостого хода двигателя;
• системы с удвоенным напряжением литания.

Рис. Различные методы зарядки в условиях зимней эксплуатации

Каждый из перечисленных пяти методов имеет свои «плюсы» и «минусы», которые не в последнюю очередь обусловлены техническими и экономическими факторами. Что касается автопроизводителей, я бы предсказал, что будущее за комбинацией мощного генератора переменного тока, имеющего высокую скорость вращения с повышенным (или даже удаленным) напряжением. Вероятно, такое решение было бы самым эффективным по затратам и в то же время технически выполнимым. Обсудим каждое из предложений более подробно.

Самое простое решение для получения большей мощности — более мощный генератор, и это, по сути, единственный доступный способ усовершенствовать систему зарядки после покупки автомобиля. Нужно помнить, однако, что мощность, поставляемая генератором переменного тока, берется не из воздуха. Для каждого ватта электроэнергии, произведенной генератором переменного тока, у двигателя будут взяты полтора-два ватта энергии (из-за неидеального процесса преобразования). Увеличение мощности генератора переменного тока будет также влиять на размер приводного ремня от двигателя, связанных шкивов и натяжных приспособлений.

Поскольку электронные компоненты становятся все дешевле, интеллектуальная система управления мощностью может стать финансово привлекательной как никогда раньше.

Эта система позволяет, например, выключать фары и противотуманные фары, когда транспортное средство не движется. Такая система может оказаться дешевле, чем генератор переменного тока повышенной мощности. На рисунке показан принцип действия такой системы. Сигнал датчика скорости через электронные схемы обработки активирует различные реле, отключающие освещение. Для исключительных случаев предусмотрен выключатель, блокирующий работу системы.

Рис. Принцип действия системы управления потреблением мощности

Некоторые преимущества обещает применение двухскоростной передачи, которая использует отношение 5:1 для скоростей двигателя до 1200 об/ мин и обычное отношение 2,5:1 при более высоких скоростях. Однако это заметно усложняет конструкцию привода, в настоящее время такие разработки находятся на стадии опытных образцов. Впрочем, благодаря совершенствованию конструкции современные генераторы способны работать при скоростях до 20000 об/мин. Если предположить максимальные обороты двигателя приблизительно 6000 об/мин, то можно использовать отношение шкивов привода 3,3:1. Это позволит генератору переменного тока вращаться со скоростью порядка 2300 об/мин даже с двигателем, работающим на холостом ходу (700 об/мин).

Увеличение скорости холостого хода двигателя, возможно, окажется непрактичным ввиду увеличения расхода топлива и роста выбросов. Тем не менее, этот выбор может быть оптимальным для дизельных транспортных средств. Некоторые существующие системы управления двигателем получают сигнал от генератора переменного тока, когда требования к мощности системы зарядки слишком велики, и увеличивают обороты холостого хода, чтобы и предотвратить остановку двигателя, и увеличить выходную мощность генератора. На рисунке показана схема соединений для этого случая.

Рис. Схема соединений, обеспечивающая связь системы управления двигателем с генератором переменного тока для контроля холостого хода

Серьезные исследования выполняются в настоящее время по проблемам использования электрических систем с удвоенным напряжением питания. Давно известно, что 24-вольтовые системы выгоднее для больших транспортных средств — в основном из-за больших длин используемых проводов. Удвойте напряжение — и та же самая мощность может быть передана при токе половинной величины (ватты = вольты * амперы). Уменьшение тока приведет к уменьшению падения напряжения в длинном кабеле. Разводка кабельных жгутов, используемых на легковых автомобилях, становится все более и более тяжелой и трудоемкой. Если бы использовалось более высокое напряжение питания, то поперечной сечение индивидуальных кабелей без особых проблем можно было бы уменьшить вдвое. Поскольку электрооборудование тяжелых транспортных средств уже давно работает при напряжении 24 В, большинство компонентов (лампы и т.д.) уже имеются в наличии, и это довод в пользу изменения стратегии изготовителей транспортных средств. Идет дискуссия по поводу применения техники, использующей три шины с напряжениями -12, 0, +12 В. Нагрузка большой мощности может быть подключена между шинами -12 и. -12 (24 В), а нагрузки, которые должны получать 12 В, могут быть равномерно распределены между шинами питания -12,0 и 0, +12. Общая схема такой сети изображена на рисунке. Отметим, однако, что изготовление некоторых ламп (таких как мощные лампы в передних фарах) может стать при этом проблемой, потому что при таком напряжении питания спираль должна быть очень тонкой. Некоторые коммерческие транспортные средства с напряжением бортовой сети 24 В используют фары с питанием 12 В именно по этой причине.

Рис. Схема с двойной шиной электросигнала