汽车电源系统

一、传统电器设备传统电器设备的组成1、充电系统〔电源系统〕2、起动系统3、点火系统4、照明信号系统5、仪表系统6、其他辅助电器1、汽车电器设备的组成〔1〕充电系——有发电机、调节器、蓄电池等，汽车用电设备的电源；〔2〕起动系——主要指起动机，其任务是起动发动机；〔3〕点火系——分电器、点火线圈、火花塞等，其功能是产生电火花，点燃气缸内的可燃混合气；〔4〕照明信号设备——包括各种照明灯和信号灯以及喇叭、蜂鸣器等。其任务是保证各种运条件是的人车平安；照明信号系统头灯〔前照灯〕〔HeadLamp〕雾灯〔FogLamp〕倒车灯〔BackUpLamp〕室内灯〔RoomLamp〕仪表灯〔MeterLamp〕

车幅灯〔ClearanceLamp〕驻车灯〔ParkingLamp〕牌照灯〔LicensePlateLamp〕指示用尾灯〔TailLamp〕方向指示灯〔TurnSignalLamp〕刹车灯〔BrakeLamp〕照明用警告灯油压警告灯〔OilPressureWarningLamp〕充电警告灯〔ChargeWarningLamp〕油量警告灯〔FuelLevelWarningLamp〕远光指示灯〔HighBeamIndicator〕驻车刹车使用灯〔ParkingBrakeLamp〕冷却水温警告灯〔WaterTemperatureLamp〕阻风门使用灯〔ChockLamp〕〔5〕仪表——燃油表、机油压力表、水温表、车速表；燃油表水温表车速表发动机速度表〔6〕辅助设备——电动刮水器、挡风玻璃洗涤设备、防无线电干扰设备等。2、汽车电器设备的特点〔1〕低电压——汽车用电源电压有6V、12V和24V三种，以12V和24V居多；〔2〕直流电源——主要从蓄电池从充电角度来考虑；〔3〕单线制——汽车上所有用电设备是并联的，汽车发动机、底盘等金属机体，作为各种电器的公用电路，由用电器到电源只需一条导线；〔4〕负极搭铁——我国JB515-64《汽车、拖拉机用电设备技术条件》中规定的。3、汽车电子信号的五大类型(1)直流(DC)信号在汽车中产生直流(DC)信号的传感器或电源装置有--蓄电池电压或控制电脑(PCM)输出的传感器参号电压。模拟传感器信号--发动机冷却水温度传感器、燃油温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、废气温再循环压强和位置，翼板式或热丝式空气流量计、真空和节气门开关，以及通用汽车、克莱斯勒汽车和亚洲汽车的进气压力传感器。(2)交流(AC)信号在汽车中产生交流(AC)信号的传感器和装置有：车速传感器(VSS)、防滑制动轮速传感器、磁电式曲轴转角(CKP)和凸轮轴(CMP)传感器、从模拟压力传感器(MAP)信号得到的发动机真空平衡波形、爆震传感器(KS)。(3)频率调制信号在汽车中产生可变频率信号的传感器和装置有：数字式空气流量计、福特数字式进气压力传感器、光电式车速传感器(VSS)、霍尔式车速传感器(VSS)、光电式凸轮轴和曲轴转角(CKP)传感器、霍尔式凸轮轴(CAM)和曲轴转角(CKP)传感器。(4)脉宽调制信号在汽车中产生脉宽调制信号的电路或装置有：初级点火线圈、电子点火正时电路、废气再循环控制(EGR)、净化、涡轮增压和其它控制电磁阀、喷油嘴、怠速控制马达和电磁阀。(5)串行数据(多路)信号假设汽车中具备有自诊断能力和其它串行数据送给能力的控制模块，那么串行数据是由发动机控制电脑(PCM)，车身控制电脑(BCM)和防滑制动系统(ABS)或其控制模块产生第一讲电源系统为了能平安和舒适的驾驶，车辆装有许多电气装置。车辆不但在行驶时要用电，停车时也用电。因此汽车电源系统有蓄电池作为电源，并有充电系统，通过发动机运行来发电。充电系统向所有的电器设备供电并对蓄电池充电电源系统整体图汽车电源系统发电机调节器〔装在发电机内〕蓄电池放电警告灯点火开关等。作用蓄电池、发电机与汽车用电设备都是并联的。在发动机正常工作时，发电机向用电设备供电和向蓄电池充电；起动时，蓄电池向起动机供电；放电警告灯用来指示蓄电池的充放电状况；调节器的作用是使发电机在转速变化时，能保持其输出电压恒定电源系统电路示意图第一章蓄电池汽车蓄电池是一种储存电能的装置。一旦连接外部负载或接通充电电路，它便开始了能量转换过程，在放电过程中，蓄电池中的化学能转变成电能。在充电过程中，电能被转变成化学能。第一节蓄电池的作用、构造与型号一、蓄电池的作用一、铅酸蓄电池的作用(1)发动机起动时，向起动机和点火系供电；(2)在发电机不发电或电压较低时，向用电设备供电；(3)当用设备同时接入较多，发电机超载时，协助发电机供电；(4)蓄电池存电缺乏，而发电机负载又较少时，将发电机的电能转变为化学能储存起来〔充电〕。(5〕蓄电池相当于一个大容量电容器，起到了整车电气系统的电压稳定器的作用，能够缓和电气系统中的冲击电压，保护汽车上的电子设备；二、蓄电池的构造1、极板组2、隔板3、壳体4、联条5、加液孔盖6、电解液加液孔盖加液孔盖壳体极柱观察区观察区隔板极板组蓄电池外壳加液孔盖联条电解液电解液是用专用硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成，一般比重为1.24~1.30。电解液比重对蓄电池的影响电解液比重小，易结冰，蓄电池的容量小电解液比重过大，由于其粘度增加，其容量反而下降，而且缩短其寿命。电解液的密度应根据地区、气候条件和制造厂的要求而定。电解液比重对蓄电池的工作影响很大不同地区和气温条件下的电解液比重气候条件全充电蓄电池15℃度时的比重冬季夏季冬季温度低于-40℃的地区1.3101.250冬季温度高于-40℃的地区1.2901.250冬季温度高于-30℃的地区1.2801.250冬季温度低于-20℃的地区1.2701.240冬季温度低于0℃的地区1.2401.240蓄电池一般分隔为三个或六个单格，每个单格电池的标称电压为2V，将三个或六个单格电池串联后制成一只6V或12V蓄电池总成。目前装有汽油发动机的汽车上使用的是有6个单格电池组成的12伏蓄电池，装有柴油发动机的汽车上使用的是有两个12伏蓄电池串联而成的24伏电源电池。随着汽车上用电设备的增加目前汽车电源电压有升高的趋势，可能会是36伏或那么48伏三、蓄电池的参数类型与编号电池的参数常用以表征其性能的指标有：电性能、机械性能、贮存性能等，有时还包括使用性能和经济本钱1、电压电压分电动势，额定电压、开路电压、放电电压和终止电压等工作电压系指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围。例如，铅酸蓄电池的工作电压在2V～1.8V；镍氢电池的工作电压在1.5V～1.1V；锂离子电池的工作电压在3.6V～2.75V。。5额定电压额定电压(或公称电压)，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸蓄电池为2V6终止电压系指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例：电动势为2.1V，额定电压为2V，开路电压接近2.1V，工作电压为2V～1.8V，放电终止电压为1.8V～1.5V(放电终止电压根据放电率的不同，其终止电压也不同)。7充电电压系指外电路直流电压对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内。例如，镍镉电池的充电压在1.45V～1.5V；锂离子电池的充电压在4.1V～4.2V；铅酸蓄电池的充电压在2.25V～2.7V。8电压效率电压效率是指电池的工作电压与电池电动势的比值。电池放电，由于存在电化学极化、浓差极化和欧姆压降，使电池的工作电压小于电动势。改进电极结构(包括真实外表积、孔率、孔径分布、活性物质粒子的大小等)和参加添加剂(包括导电物质、膨胀剂、催化剂、疏水剂、掺杂等)是提高电池电压效率的两个重要途径。2内阻内阻大小决定了电池的使用效率。包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等。

1正负极板电阻

目前普遍使用的铅酸蓄电池正、负极板为涂膏式，由铅锑合金或铅钙合金板栅架和活性物质两局部构成。因此，极板电阻也由板栅电阻和活性物质电阻组成。板栅在活性物质内层，充放电时，不会发生化学变化，所以它的电阻是板栅的固有电阻。活性物质的电阻是随着电池充放电状态的不同而变化的。

当电池放电时，极板的活性物质转变为硫酸铅，硫酸铅含量越大其电阻越大。而电池充电时将硫酸铅复原为铅，硫酸铅含量越小其电阻越小。

2电解液电阻

电解液的电阻视其浓度不同而异。在规定的浓度范围内一旦选定某一浓度后，电解液电阻将随充放电程度而变。电池充电时，在极板活性物质复原的同时电解液浓度增加，其电阻下降；电池放电时，在极板活性物质硫酸化的同时电解液浓度下降，其电阻增加。

3隔板电阻

隔板的电阻视其孔率而异，新电池的隔板电阻是趋于一个固定值，但随电池运行时间的延长，其电阻有所增加。因为，电池在运行过程中有些铅渣和其他沉积物在隔板上，使得隔板孔率有所下降而增加了电阻。

4连接体电阻

连接体包括单体电池串联时连接条等金属的固有电阻，电池极板间的连接电阻，以及正、负极板组成极群的连接体的金属电阻，假设焊接和连接接触良好，连接体电阻可视为一固定电阻。每只电池所呈现的内阻就是上述物体电阻的总和。电池的内阻在放电过程中会逐渐增加，而在充电过程中那么逐渐减小。同批电池，内阻过大或过小者都不正常，内阻过小可能意味微短路，内阻太大又可能是极板老化、活性物质丧失、容量衰减，内阻变化可以作为电池裂化的充分性参考依据之一。3能量电池的能量是指在一定放电制度下．电池所能输出的电能，通常用瓦时(Wh)表示。电池的能量反映了电池做功能力的大小，也是电池放电过程中能量转换的量度。他影响电动汽车的行驶距离3比能量比能量分为质量比能量和体积比能量。质量比能量是指单位质量电池所能输出的能量，单位常用Wh/Kg。体积比能量是指单位体积电池所能输出的能量，也称能量密度，单位常用Wh/L。常用比能量来比较不同的电池系列，比能量也分为理论比能量和实际比能量。电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响电动汽车的，整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。4功率与比功率电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内输出的能量，单位为瓦(w)或千瓦(kw)。单位质量或单位体积电池输出的功率称为比功率，单位为W/kg或W/L，如果一个电池的比功率较大，那么说明在单位时间内，单位重量或单位体积中给出的能量较多，即表示此电池能用较大的电流放电。因此，电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。6放电电流和放电深度1放电率：指放电时的速率，常用“时率〞和“倍率〞表示。时率是指以放电时间(h)表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的时间。倍率，指电池在规定时间内放出额定容量所输出的电流值，数值上等于额定容量的倍数。例如2“倍率〞放电，表示放电电流数值为额定容量的2倍，假设电池容量为3Ah，那么放电电流应为2×3=6A，也就是2“倍率〞放电。2放电深度表示放电程度的一种量度，为放电容量与总放电容量的百分比，简称DOD(depthofdischarge)。放电深度的上下和二次电池的充电寿命有很深的关系：二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量防止深度放电。7荷电电池还有多少电量，又称剩余电量，常取其与额定容量或实际容量的比值，称荷电程度。荷电是人们在使用中最关心的、也是最不易获得的参数数据，人们试图通过测量内阻、电压电流的变化等推算荷电量，做了许多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，指示的荷电程度总是非线性变化。8自放电对于所有化学电源，即使在与外电路没有接触的条件下开路放置，容量也会自然衰减，这种现象称为自放电，也称荷电保持能力。电池自放电的大小，用自放电率来衡量，一般用单位时间内容量减少的百分比表示：

自放电率=(贮存前电池容量-贮存后电池容量)/贮存前电池容量×100%电池的自放电主要是由电极材料、制造工艺、储存条件等多方面因素决定的。影响自放电率的因素主要是电池储存的温度和湿度条件等。温度升高使自放电反响速率大大提高。湿度的影响与温度条件相似，环境湿度太高也会加快自放电反响。一般来说，低温和低湿的环境条件下，电池的自放电率低，有利于电池的储存。但是温度太低也可能造成电极材料的不可逆变化，使电池的整体性能大大降低。9寿命电池的寿命分贮存寿命和使用寿命1贮存寿命有“干贮存寿命〞和“湿贮存寿命〞两个概念。对于在使用时才参加电解液的电池贮存寿命，习惯上也称为干贮存寿命。干贮存寿命可以很长。对于出厂前已参加电解液的电池贮存寿命，习惯上称为湿贮存寿命(或湿荷电寿命)。湿贮存时自放电严重，寿命较短。2使用寿命指电池实际使用的时间长短。充放电循环寿命，是衡量二次电池性能的一个重要参数。在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数，称为二次电池的充放电循环寿命。充放电循环寿命越长，电池的性能越好。在目前常用的二次电池中，镉镍电池的充放电循环寿命500～800次，铅酸电池200～500次，锂离子电池600～1000次，锌银电池很短，约100次左右。二次电池的充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电制式等条件有关。减少放电深度(即“浅放电〞)，二次电池的充放电循环寿命可以大大延长。新能源汽车对动力电池的要求1比能量高，为了提高电动汽车的续驶里程，要求电动汽车上的动力电池尽可能储存多的能量，但电动汽车又不能太重，其安装电池的空间也有限，这就要求电池具有高的比能量。2比功率大。为了能使电动汽车在加速行驶、爬坡能力和负载行驶等方面能与燃油汽车相竞争，就要求电池具有高的比功率。3充电技术成熟、时间短，充电技术要有通用性，能够实现无线充电。在充电时间上能够实现快速充电。4连续放电率高、自放电率低，电池能够适应快速放电的要求。自放电率要低，电池能够长期存放。5适应车辆运行环境，电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。6平安可靠。电池应枯燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱、外壳。应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。7长寿命、免维护。电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。蓄电池型号按照中华人民共和国国家标准GB/T5008.2-2005《起动用铅酸蓄电池产品品种和规格》，中华人民共和国机械行业标准JB/T2599-1993《铅酸蓄电池产品型号编制方法》规定，其型号由三段组成，蓄电池的型号一般都标注在外壳上第一段表示蓄电池总成的单格电池数第二段表示蓄电池的类型和特征第三段表示蓄电池额定容量和特殊性能。我国目前规定采用20h放电率的额定容量，单位为Ah，特殊性能用字母表示。特征代号蓄电池特征特征代号蓄电池特征特征代号蓄电池特征A干荷电J胶体电解液D带液式H湿荷电M密闭式Y液密式W免维护B半密闭式Q气密式S少维护F防酸式I激活式蓄电池特征代号

国产局部车型的蓄电池型号和主要性能例子如3-Q-105表示蓄电池由3个单格组成，额定电压为6V，额定容量为105A·h的起动用铅蓄电池。6-QA-105表示蓄电池由6个单格组成，额定电压为12V，额定容量为105A·h的起动用干荷电极板，高起动率铅蓄电池。第二节蓄电池的工作原理化学能与电能的相互转化：当蓄电池将化学能转化为电能而向外供电时，称为放电过程；当蓄电池与外界直流电源相联而将电能转化为化学能储存起来时，称为充电过程蓄电池根本工作原理一、放电过程正极：PbO2+2H2SO4→Pb+++++2SO4--+2H2OPb+++++2e→Pb++(正电位)负极：Pb+H2SO4→Pb+++SO4--+H2+2e(负电位)电动势：E=2.0-(-0.1)=2.1V二、充电过程正极：PbSO4Pb+++SO4–Pb++-2e→Pb++++Pb+++++2H2O→PbO2+2H+负极：Pb+++

2e→Pb充电过程蓄电池充电过程和放电过程蓄电池的工作原理Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O放电充电当蓄电池充足电时〔图1-20〕，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质是纯铅。第三节蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性主要包括：蓄电池的电动势、内阻以及充、放电特性。1、静止电动势

静止电动势是指蓄电池在静止状态(不充电也不放电)，正负极板之间的电位差(即开路电压)，用E0表示。它的大小与电解液的相对密度和温度有关2、内阻蓄电池的内电阻大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同的条件下，内电阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。蓄电池的内电阻为极板电阻、电解液电阻、隔板电阻、连条和极柱电阻的总和，用R0表示

蓄电池内阻与电解液比重和温度有关，通常在比重为1.2左右时，硫酸电离度最好，内阻最小3、蓄电池的充电特性Uc=E+IcRn蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压Ue和电解液密度ρ等参数随充电时间变化的规律。以一定的充电电流Ic向一只完全放电的蓄电池进行充电，在充电过程中，每隔一定时间测量其单体电他的端电压Uc、电解液密度ρ和温度，便可得到该蓄电池的充电特性曲线。

充电终了的三个标志〔1〕电解液呈“沸腾〞状〔因析出氢气和氧气所致〕；〔2〕电解液相对密度上升至最大值，且2～3h内不再上升；〔3〕端电压上升至最大值〔2.7V〕，且2～3h内不再升高。4、放电特性Uf=E-IfRn蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf和电解液相对密度等参数随时间而变化的规律。将一只完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流进行恒流放电，在放电过程中，每隔一定时间测量其单体电池的端电压Uf和电解液相对密度ρ，便可得到该蓄电池的放电特性曲线。放电终止的标志〔1〕单格电池电压下降到放电终止电压值〔以20h放电率放电时，此值为1.75V〕。〔2〕电解液相对密度下降到最小许可值，约为1.11。第四节蓄电池的容量容量指电池在充足电以后，在一定的放电条件下所能释放出的电量，以符号C表示,其单位为安时(Ah)或毫安时(mAh),容量与放电电流大小有关，与充放电截止电压也有关系。电池的容量可分为理论容量、额定容量、实际容量和标称容量

1理论容量：假设电极活性物质全部参加电池的电化学反响所能提供的电量，是根据法拉第定律计算得到的最高理论值2额定容量：额定容量也称保证容量，是指设计和制造电池时，按照国家或相关部门公布的标准，保证电池在一定的放电条件下能够放出的最低限度的电量。用20h率容量表示。国标GB5008.1-91《启动用铅蓄电池技术条件》规定：

将充电的新蓄电池在电解液温度为25±5°C条件下，以20h率的放电电流〔0.05C20〕连续放至单池平均电压降到1.75V时，输出的电量称为额定容量。例如：3-Q-90型蓄电池，在电解液平均温度为25℃的情况下，以4.5A放电电流连续放电20h后，单格电压降为1.75V，它的额定容量Q=4.5×20=90〔Ah〕3实际容量实际容量是指电池在一定的放电条件下实际放出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，对于实用中的化学电源，其实际容量总是低于理论容量而通常比额定容量大10%～20%。电池容量的大小，与正、负极上活性物质的数量和活性有关，也与电池的结构和制造工艺与电池的放电条件(电流、温度)有关。影响电池容量因素的综合指标是活性物质的利用率。换言之，活性物质利用得越充分，电池给出的容量也就越高。采用薄型电极和多孔电极，以及减小电池内阻，均可提高活性物质的利用率，从而提高电池实际输出的容量。4标称容量标称容量(或公称容量)是用来鉴别电池适当的近似值。在指定放电条件时，一般指0．2C放电时的放电容量。5比容量为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念。比容量是指单位质量或单位体积的电池所能给出的电量，相应地称之为质量比容量或体积比容量6启动容量

启动容量表示蓄电池在发动机启动时的供电能力，分为低温启动容量和常温启动容量。

〔1〕低温启动容量

电解液在－18℃时，以3倍额定容量的电流持续放电至单格电压下降至1V所放出的电量。持续时间应在2.5min以上。

〔2〕常温启动容量

电解液在30℃时，以3倍额定容量的电流持续放电至单格电压下降至1.5V所放出的电量。持续时间应在5min以上。

例如，3-Q-90型蓄电池在25℃以270A电流放电5min电池的端电压降到4.5V，其起动容量为270×5/60=22.5Ah蓄电池的容量是标志蓄电池对外放电能力、衡量蓄电池质量的优劣以及选用蓄电池的最重要指标。二、影响蓄电池容量的因素1、放电电流放电电流越大，蓄电池的容量越小，这是因为放电过程中，正