Основные этапы развития электрооборудования
I этап.
1860г. - первая индукционная катушка от гальванического элемента – прообраз катушки зажигания.
1880-е годы - первые автомобили с воспламенением от электрической искры. Низковольтные магнето: с контактами внутри цилиндра.
1907 г. - свеча "на отрыв", управляемая электромагнитом.
1882г. - высоковольтная система с динамомашиной.
1901г. - высоковольтные магнето, нашедшее распространение на автомобилях 1912-20 г.г.
1920г. - Широко распространена высоковольтная батарейная система зажигания.
Рост скорости вызывает необходимость освещения. Появляются фары. В результате роста ёмкости аккумуляторных батарей появляется стартер.
II этап.
1925г. - все автомобили оборудуются освещением и стартером. Появляются генераторы и приборы безопасности движения: звуковой сигнал, задний фонарь, стоп-сигнал, освещение щитка.
III этап.
Увеличивается количество автомобилей. Появляются требования к безопасности, усложняется конструкция.
IV этап.
1930г. - приборы комфорта: часы, прикуриватели, отопители, радио, электрогидравлические стеклоподъёмники, устройства для отодвигания тента. Сигналы поворота - в некоторых странах.
Война - нет комфорту. После войны характерен некоторый комфорт на грузовых автомобилях. Появление электрических контрольных измерительных приборов, усовершенствование регуляторов напряжения, приборов освещения, световой сигнализации и комфорта. Переход с 6-ти вольт на 12 и 24 вольт.
В 60 – 70-е годы появляется электроника в системах зажигания, регулирования напряжения, подачи топлива, контрольных измерений и т.д.
Переход на переменный ток. Люминесцентные светильники в автобусах. Радиоуправляемое и программированное управление автомобилем.
В 80 – 90-е годы широко внедряются автоматизированные системы на автомобиле.
В настоящее время значительная доля стоимости автомобиля приходится на электрооборудование и электронное управление им.
Требования, предъявляемые к электрооборудованию автомобилей.
Стандартное номинальное напряжение 12В и 24В
Электропроводка на автомобиле выполняется по однопроводной схеме.
Полярность системы. К массе может прибавляться как положительная, так и отрицательная клемма аккумуляторной батареи
Приборы должны быть долговечны
Минимальная трудоёмкость в ходе эксплуатации. Срок службы должен быть близок или кратен периодичности ТО-2
Электрооборудование должно выдерживать вибрациооные и ударные нагрузки
Электрооборудование должно быть защищено от проникновения посторонних тел, пыли, грязи, брызг воды. Надёжно и безотказно работать в течение требуемого срока службы
Номинальные параметры
Номинальные параметры изделий автомобильного электрооборудования (мощность, сила тока, напряжение и т.д.) устанавливаются при нормальных значениях климатических факторов внешней среды:
температура окружающего воздуха (25±10)°С;
атмосферное давление 630-800 мм рт. ст.
Значение номинального напряжения потребителей электроэнергии принимается из ряда 12; 24 В (определяется номинальным напряжением аккумуляторной батареи), а генераторов 14; 28 В.
Номинальные значения параметров для источников и потребителей .тока, работающих до начала движения автомобиля, устанавливают при номинальном напряжении. Номинальные значения, параметров для потребителей, тока, работающих только при движении автомобиля, устанавливают при напряжениях 6,7; 13,5 или 27 В. Потребители электроэнергии, работающие при движении автомобиля, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжении в диапазоне 90-125% от установленного для них номинального напряжения.
Назначение и типы аккумуляторных батарей.
Автомобильная аккумуляторная батарея предназначена для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей электроэнергии при не работающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности. Работая параллельно генераторной установкой, батарея устраняет перегрузки генератора и возможные напряжения в системе электрооборудования в случае нарушения регулировки или при выходе из строя регулятора напряжения, сглаживает пульсации напряжения генератора, а также обеспечивает питание всех потребителей в случае отказа генератора и возможность дальнейшего движения автомобиля за счет резервной емкости.
Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Сила тока стартерного режима разряда резко возрастает при эксплуатации автомобилей в зимний период (пуск холодного двигателя).
Типы аккумуляторных батарей:
-свинцовые АБ (кислотные)
-щелочные АБ
Свинцовые АБ – ЭДС около 2 Вольт, вес около 40 кг. На 1 час запаса энергии (КВт/час) сравнительно высокий КПД. Имеют весьма малое внутреннее сопротивление, поэтому потери напряжения незначительны. Благодаря этому свинцовые аккумуляторные батареи лучше всего отвечают стартерному режиму и получили широкое применение на автомобильном транспорте, даже несмотря на их недостатки (малая механическая прочность, ограниченный срок службы). Отрицательные пластины покрыты свинцом, положительные - оксидом свинца. Теория и опыт показывают, что ЭДС свинцового аккумулятора, который находится в покое, почти не зависит от степени разрядки пластин, но изменяется с изменением плотности электролита.
Щелочной аккумулятор – ЭДС около 1,25 В, вес около 40 кг на 1 час запаса энергии. Из-за низкой ЭДС необходимо соединять последовательно 10 аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные батареи имеют повышенное внутреннее сопротивление, следовательно, характеристики стартерного режима хуже: при одинаковом разрядном токе напряжение на зажимах падает ниже, чем у свинцовых, следовательно, стартер развивает меньшую электрическую мощность. Стартерные щелочные аккумуляторные батареи выпускаются с пониженным внутренним сопротивлением, но вес их при одинаковых стартерных характеристиках в 1,5 раза выше свинцовых. Они в 2 раза дороже свинцовых, однако преимуществами щелочных аккумуляторных батарей являются высокая механическая прочность, малый саморазряд, большой срок службы, превышающий срок службы свинцовых в 4-5 раз, поэтому применять щелочные аккумуляторные батареи в качестве стартерных нецелесообразно.
Химические процессы и характеристики разряда свинцового аккумулятора.
Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты (H2SO4), активным веществом положительных пластин - двуокись свинца (PbO2), отрицательных пластин - свинец (Pb).
Основные процессы, проходящие на электродах, описывают реакции:
На отрицательном электроде:
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e- (разряд)
PbSO4 + H+ + 2e- → Pb + HSO4- (заряд)
На положительном электроде:
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O (разряд)
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- (заряд)
Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O (разряд)
2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4 (заряд)
Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.
Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В, в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.
Химические процессы и характеристики заряда свинцового аккумулятора.
Заряд батарей, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно понижаться к концу заряда. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования различной сложности и стоимости. Наиболее простое и дешевое оборудование осуществляет заряд при постоянном напряжении 2,4-2,45В/ак (потенциостагический режим). Заряд считается законченным если ток заряда остается неизменным в течении 3-х часов.
Но чаще применяют комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают, а по достижении заданного напряжения, заряд проводится при стабилизации напряжения (рисунок 1). Заряд проводится при постоянном токе 0,1С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором. Большинство производителей советуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4В на аккумулятор.
Рис.1. Зарядные кривые герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при комбинированном режиме заряда нормированным током 0,1С и нормированным напряжением 2,45В/ак:
1-напряжение, 2-зарядная емкость, 3-ток заряда
Ускорение процесса заряда достигается при повышении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с советами производителей не более чем до 0,3С. В конце заряда для большей безопасности может быть применена еще одна ступень заряда: при снижении напряжения источника питания до напряжения подзаряда аккумулятора 2,30-2,35 В.
Заряд аккумуляторных батарей, используемых, для работы в буферном режиме, проводится как правило при более низком напряжении (2,23-2,275 В).
Изменение разрядных характеристик от величины разрядного тока и температуры.
1)При увеличении силы разрядного тока I p напряжение снижается быстрее вследствие большей разности концентраций электролита в аккумуляторном сосуде и в порах электродов , а также большего внутреннего падения напряжения в батареи.(это приводит к более раннему прекращению разряда батареи)
2)При понижении температуры увеличивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и уменьшается скорость диффузии электролита из аккумуляторного сосуда в поры активных веществ электродов.
Изменение ёмкости на 1°С:
-при малом токе- 1%;
-при большем токе-2% и более.
3)При повышении температуры ёмкость аккумулятора возрастает
4)При повышении температуры 45°С ускоряет разрушение пластин и сокращает срок службы батареи.
Методы зарядки аккумуляторных батарей. Их преимущества и недостатки.
Аккумуляторные батареи заряжают от источника постоянного тока, на выводах которого напряжение выше зарядного напряжения заряжаемой батареи.
При подключении к источнику тока положительные и отрицательные выводы батареи подсоединяются соответственно к положительным и отрицательным выводам источника.
Сила зарядного тока :Iз=Uи.т. – Uз/R (Iз = Uз – Eб /Rб=const),
где Uи.т. -напряжение источника тока;
Uз -зарядное напряжение аккумуляторной батареи;
R-суммарное сопротивление зарядной цепи.
В стационарных условиях аккумуляторные батареи можно заряжать при постоянной силе тока и при постоянном напряжении сил.
При постоянной силе тока - заряжаемые батареи соединяются между собой последовательно и подключаются к зарядному устройству. Для поддержания постоянства силы тока в процессе заряда необходимо изменять напряжение источника тока или сопротивление зарядной цепи.
Сила зарядного тока выбирается, исходя из выбранного режима заряда.
1 ступень : Iз =0,15*QN
2 ступень : заряжаемый ток уменьшается в 2-3 раза.
Одноступенчатая зарядка : Iз=0,10*QN
Цель второй ступени - ускорение зарядки и уменьшение интенсивности газообразования.
Преимущества метода : возможен выбор величины зарядного тока и контроль её по амперметру в течении зарядки.
Недостатки метода : продолжительная зарядка и необходимость конструировать и регулировать ток.
При постоянном напряжении - поддерживается постоянное напряжение.
При этом способе заряд заряда аккумуляторные батареи подключают непосредственно к источнику питания, напряжение которого поддерживается постоянным.
Зарядный ток сначала большой, затем по мере увеличения ЭДС резко падает. Выбор оптимального значения зарядного напряжения зависит от температуры электролита и технического состояния батареи. Чем выше зарядное напряжение, тем интенсивнее заряд, но больше газовыделение и влияние других побочных факторов. При данном способе возможен перегрев батареи вследствие большой силы тока в начале заряда.
1.Батарея через 3 часа получает 80% всего количества электричества.
2.Зарядка заканчивается почти без газообразования.
Преимущества: малое время зарядки и отпадает необходимость наблюдения и регулировки зарядного тока.
Недостаток : невозможна полная зарядка.
Характеристика транзистора.
Под характеристикой понимается зависимость сопротивления Reк от Uупр.
Потенциал эмиттера больше потенциала базы – действует положительная разность потенциалов
Потенциал эмиттера равен потенциалу базы - действует нулевая разность потенциалов
Потенциал эмиттера меньше потенциала базы – действует отрицательная разность потенциалов