Системы электроснабжения транспортных средств


А. В. Пузаков









СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ


Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 629.33(075.8)
ББК 39.33-04я73
П88

                        Рекомендовано учёным советом РБОУВО «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»



Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой теоретической и общей электротехники Самарского государственного технического университета В. Н. Козловский; д-р техн. наук, профессор, проректор по учебной работе Курганского государственного университета В. И. Васильев





        Пузаков, А. В.

П88 Системы электроснабжения транспортных средств : учебное пособие / А. В. Пузаков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 228 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0344-3

        Приведено описание принципов построения и функционирования систем электроснабжения транспортных средств. Раскрыты основные физические законы, на которых базируется работа источников электрической энергии, рассмотрены конструктивное исполнение, параметры и характеристики аккумуляторных батарей и генераторных установок, освещены вопросы технического обслуживания и диагностики систем электроснабжения.
        Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Может быть использовано в рамках специальности 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства».
УДК 629.33(075.8)
ББК 39.33-04я73






ISBN 978-5-9729-0344-3     © Пузаков А. В., 2019
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

Оглавление

Предисловие.....................................................6
Введение........................................................8
Глава 1. Характеристика системы электроснабжения автомобилей....13
      §1.1  . Общие сведения...................................13
      §   1.2. Принцип работы бортовой сети....................15
      §1.3  . Схемы бортовой сети..............................17
      §   1.4. Системауправленияэлектрическойэнергией..........20
          1.4.1. Управление током без нагрузки.................22
          1.4.2. Управление энергией во время работы двигателя..22
          1.4.3. Увеличение выходной мощности генератора.......23
          1.4.4. Распознавание состояния аккумуляторной батареи и управление ею......................................24
          1.4.5. Датчик аккумуляторной батареи.................27
          1.4.6. Блокуправления для контроля аккумуляторной батареи ..29
      §1.5  . Стабилизация напряжения бортовой сети............32
      §1.6  . Бортовая сеть с двумя батареями..................33
      §1.7  . Бортовые сети грузовых транспортных средств......35
          1.7.1. Компоненты бортовой сети......................37
      §1.8  . Бортовая сеть на напряжение 48 В.................39
      §   1.9. Баланс электроэнергии на автомобиле.............44
      §   1.10. Стартер-генераторы.............................49
      Контрольные вопросы к главе 1.............................53
Глава 2. Источники тока на автомобилях.........................55
      §2.1. Общие сведения.....................................55
          2.1.1 Солнечные батареи..............................55
          2.1.2. Топливные элементы............................57
          2.1.3. Суперконденсаторы.............................60
          2.1.4. Аккумуляторные батареи........................66
      § 2.2. Назначение аккумуляторных батарей и требования, предъявляемые к ним.......................................73
      § 2.3. Устройство и принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора..............................................75

3

      § 2.4. Устройство стартерной аккумуляторной батареи.........79
      § 2.5. Типы аккумуляторных батарей..........................90
      § 2.6. Маркировка аккумуляторных батарей....................96
      § 2.7. Параметры и характеристики аккумуляторных батарей....99
      § 2.8. Заряд аккумуляторных батарей........................107
      § 2.9. Эксплуатация аккумуляторных батарей.................113
          2.9.1. Саморазряд......................................113
          2.9.2. Эксплуатация аккумуляторных батарей в различных условиях...............................................115
      § 2.10. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей....119
          2.10.1. Измерение уровня электролита...................121
          2.10.2. Измерение плотности электролита................122
          2.10.3. Измерение напряжения батареи...................126
      § 2.11. Неисправности аккумуляторных батарей...............127
      Контрольные вопросы к главе 2..............................133
Глава 3. Генераторы транспортных средств.........................137
      §3.1.  Общие сведения......................................137
      § 3.2. Принцип действия автомобильных генераторов........141
      § 3.3. Конструктивное исполнение автомобильных генераторов.144
      § 3.4. Устройство элементов автомобильного генератора......156
          3.4.1. Статор генератора...............................156
          3.4.2. Ротор генератора................................158
          3.4.3. Выпрямительный блок.............................160
          3.4.4. Щёткодержатель..................................161
          3.4.5. Подшипниковые узлы..............................162
          3.4.6. Привод генератора...............................163
          3.4.7. Обгонная муфта шкива генератора.................165
      §3.5.  Электрические схемы генераторныхустановок...........166
      §3.6.  Основные параметры и характеристики генераторов...177
      §3.7.  Принцип регулирования напряжения бортовой сети......182
          3.7.1. Конструктивные исполнения регуляторов напряжения... 187
          3.7.2. Защита от перенапряжений........................189

4

3.7.3. Электронное управление генераторами.........192
      § 3.8. Эксплуатация и техническое обслуживание генераторов.193
      § 3.9. Неисправности генераторных установок............197
      § 3.10. Диагностирование генераторныхустановок.........198
      Контрольные вопросы к главе 3..........................201
Список использованных источников.............................206
Глоссарий....................................................208
Предметный указатель.........................................225

5

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Эксплуатационная надёжность, экономичность, активная безопасность и экологические качества автомобиля в значительной степени определяются работой его электрооборудования. Электрооборудование современного автомобиля представляет собой очень сложную систему, включающую несколько сотен изделий, а его стоимость составляет свыше трети стоимости автомобиля.
     С точки зрения системного подхода электрооборудование автомобиля может быть представлено в виде ряда самостоятельных функциональных систем -электроснабжения, пуска, зажигания, освещения и сигнализации, информации и диагностирования, автоматического управления двигателем и трансмиссией и др. Среди них ведущую роль играет система электроснабжения, как снабжающая энергией все устройства-потребители автомобиля.
     Помимо традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей все большее применение получают литий-ионные батареи, топливные элементы, преобразующие энергию водорода в электрическую, а также источники, способные запасать электричество за счёт энергии торможения автомобиля (рекуперация) в молекулярных накопителях энергии (суперконденсаторах) и маховиках.
     Следует отметить, что в последнее время появились существенные изменения как в функциональном использовании генераторов, так и в их схемном и конструктивном исполнениях. На генератор переносятся, в частности, функции управления двигателем внутреннего сгорания, управление временем разгона автомобиля и т. п.
     Многие фирмы работают над созданием и внедрением автомобилей с гибридными силовыми установками - с совместной работой двигателя внутреннего сгорания и силового тягового электропривода.
     Целью пособия является систематизация и актуализация сведений, касающихся систем электроснабжения современных автомобилей.
     В результате изучения курса обучающийся должен: о знать:
           - основные понятия и определения в области генерации и хранения электрической энергии на борту транспортных средств;
           - принципы построения и функционирования систем электроснабжения, обеспечивающие снижение электрических потерь и выработку необходимого качества электроэнергии;
           - принцип работы, конструктивное исполнение, параметры и характеристики аккумуляторных батарей и генераторных установок;
           - требования к эксплуатацию и техническому обслуживанию аккумуляторных батарей и генераторных установок;

6

Предисловие

      о уметь:
          -  классифицировать системы электроснабжения транспортных средств по различным признакам;
          -  читать и разрабатывать принципиальные электрические схемы в соответствии со стандартами на их составление;
          -  подбирать необходимый тип аккумуляторных батарей и генераторных установок с учетом особенностей транспортных средств и условий их эксплуатации;
          -  оценивать техническое состояние аккумуляторных батарей и генераторных установок транспортных средств с применением диагностической аппаратуры и по косвенным признакам;
      о владеть:
          -  навыками использования в практической деятельности данных оценки технического состояния аккумуляторных батарей и генераторных установок транспортных средств;
          -  методами выявления неисправностей аккумуляторных батарей и генераторных установок транспортных средств;
          -  навыками разработки и поиска неисправностей в функциональных связях узлов, агрегатов и систем электроснабжения транспортных средств;
          -  методиками синтеза систем электроснабжения новых видов транспортных средств.
     Автор выражает признательность рецензентам издания, замечания и пожелания которых позволили улучшить форму представления материала пособия:
      -  доктору технических наук, доценту Козловскому Владимиру Николаевичу , заведующему кафедрой теоретической и общей электротехники ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»;
      -  доктору технических наук, профессору Васильеву Валерию Ивановичу , заведующему кафедрой автомобильного транспорта и сервиса ФГБОУ ВО «Курганский государственный университет».

7

            ВВЕДЕНИЕ



      Развитие и совершенствование автомобилестроения неразрывно связано с широким применением электротехнического оборудования, автоматических устройств и систем, объединённых в единый комплекс электрооборудования автомобилей. Электрооборудование современного автомобиля - сложная система, обеспечивающая автоматизацию рабочих процессов, безопасность движения и улучшение условий труда водителей. Развитие электрооборудования автомобилей тесным образом связано с развитием общей электротехники, электроники и автоматики.
      Впервые электрическая энергия применена в двигателях внутреннего сгорания в I860 г. для воспламенения горючей смеси. Источником электроэнергии являлся аккумулятор, изобретателем которого принято считать Алессандро Вольта (1745-1827), итальянского физика. Вольта расположил пластины из меди и цинка друг над другом в виде столба. Между пластинами он разместил пропитанные соляной кислотой куски картона или кожи. Получился ряд гальванических элементов, соединённых последовательно. Этот столб был первым источником тока для практического применения и известен как вольтов столб. После смерти Вольты единица измерения электрического напряжения получила наименование вольт.
      Немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810) построил электрическую батарею в форме цилиндра, которая была названа в его честь столбом Риттера. Столб состоял из расположенных друг над другом медных дисков и проложенных между ними и пропитанных раствором NaCl (хлорид натрия, или поваренная соль) дисков из картона. Это устройство можно было заряжать электрическим током, а при разряде оно снова вырабатывало электрический ток. Поэтому столб Риттера считается прародителем современных аккумуляторов.
      Ещё один немецкий физик Вильгельм Йозеф Зинштеден (1803-1891) разработал первый свинцовый аккумулятор. Он поместил две свинцовые пластины, которые не соприкасались друг с другом, в ёмкость с раствором серной кислоты и подсоединил к ним источник электрического напряжения. После многочисленных циклов зарядки и разряда конструкция приобрела определённую ёмкость.
      Усовершенствовал конструкцию аккумулятора Зинштедена французский физик Гастон Раймон Луи Планте (1834-1889), придав свинцовым пластинам спиральную форму. Однако этот свинцовый аккумулятор так и остался лишь экспериментом.
      Существенно модернизировал свинцовый аккумулятор французский инженер и физик Камиль Альфонс Фор (1840-1898). Фор покрыл обе стороны свинцовой пластины пастой из свинцового порошка и серной кислоты. Благодаря этому его свинцовый аккумулятор уже всего после нескольких циклов зарядки приобретал значительную ёмкость.

8

Введение

     Люксембургский инженер и изобретатель Генри Оуэн Тюдор (1859-1928) довёл опытную модель свинцового аккумулятора до промышленной зрелости. Тюдор увеличил поверхность электродов и расположил их так, что ёмкость свинцового аккумулятора увеличилась, а срок его службы стал существенно большим. Он придал АКБ привычную сегодня форму ящика. В качестве электролита служил раствор серной кислоты. Отрицательный электрод состоял из свинца, а положительный - из двуокиси свинца. Тюдор изготовил формы для литья, которые позволили наладить промышленное производство свинцовых пластин для аккумуляторов. Он разработал первую, пригодную для технического применения свинцово-кислотную АКБ.
     Однако никакая батарея или аккумуляторный элемент не может дать больше некоторого количества энергии, и изобретатели вскоре осознали, что нужен постоянный источник электрического тока.
     Первым действительно успешным генератором стало детище немца Эрнста Вернера фон Сименса. Он создал свой генератор в 1867 г. и назвал его динамо-машиной. Сегодня термин «динамо» применяется только для генератора, который вырабатывает постоянный электрический ток, а термин «генератор» (от англ. alternator) подразумевает только машины переменного тока.
     Эмиль Морс использовал электрическое зажигание, подключённое к цепи низкого напряжения, питаемой аккумуляторами, которые подзаряжались от динамо-машины, приводимой в движение ремённой передачей. Это была первая успешная зарядная система, которая может быть датирована примерно 1895 г.
     Трехщёточный генератор, разработанный доктором Гансом Лейтнером и Р. Г. Лукасом, впервые появился примерно в 1905 г. Он дал водителю некоторую возможность управления системой подзаряда. По современным меркам это был очень крупный генератор, но он мог вырабатывать ток только около 8 А (рис. В 1).


Рис. В 1. Схема трехщёточного генератора

9

Пузаков А. В. Системы электроснабжения транспортных средств

     В течение следующего десятилетия было опробовано много других технических приёмов, призванных решить проблему регулировки мощности при постоянно меняющейся скорости генератора.
     Одной из идей была нагреваемая спираль в главной цепи питания, которая при нагреве увеличивала свое сопротивление и вынуждала электрический ток течь в обход неё через шунтирующую катушку, уменьшая поле подмагничивания динамо-машины.
     Однако управление зарядкой батареи для всех этих систем постоянного тока было несовершенным, и часто на водителя возлагалась обязанность включать и выключать ток зарядки при достижении высокого и низкого предельных значений. По сути, одним из ранних устройств на приборной доске был указатель уровня электролита, чтобы контролировать состояние зарядки батареи.

Рис. В 2. Генератор постоянного тока (динамо-машина)

     Двухщёточная динамо-машина (рис. В 2) и блок контроля напряжения с компенсацией были впервые использованы в 1930-х гг. Это дало значительно лучший контроль над процессом заряда и подготовило почву для возникновения многих других электрических систем.
     Генератор переменного тока, впервые использованный в 60-е годы в США, к 1974 г. стал нормой и в Европе.
     Большая доступная мощность и стабильность генератора переменного тока стали тем, чего именно и ждала электронная индустрия, и к 80-м годам электрические системы значительно изменились.
     Дальнейшее совершенствование конструкции генераторов переменного тока было связано с применением более качественных изоляционных и полупроводниковых материалов, а также изменением конструктивного исполнения регуляторов напряжения.


10

Введение

     Существенное изменение конструкции генераторов произошло на рубеже начала XXI века, когда появились так называемые компакт-генераторы, обладающие изменённой системой охлаждения, контактными кольцами, вынесенными за пределы задней крышки, и приводимые во вращение поликлиновым ремнём, допускающим большее передаточное отношение.
     Взаимосвязь тенденций совершенствования генераторов и транспортных средств в целом с изменениями в конструкции генераторов представлена на рис. В 3.
     Увеличение мощности потребителей связано с ростом числа агрегатов и систем автомобиля, отвечающих за безопасность движения, автоматизацию рабочих процессов, комфортабельность салона и т. д. Согласно [11], мировая тенденция роста мощности потребителей электроэнергии на борту автомобилей составляет 15-20 % за каждые 3-4 года, или по 100 Втв год.
     Генераторы фирмы Bosch серии EL содержат пять фаз, что позволило снизить толщину обмоточного провода, повысить число витков обмотки статора, а следовательно, и номинальную мощность. Пентаграммное соединение фаз способствовало снижению уровня шума и пульсаций выпрямленного напряжения. Также в генераторах данной серии выпрямительные диоды заменены полевыми транзисторами, что снизило потери напряжения и повысило коэффициент полезного действия (КПД) генераторов.


Рис. В 3. Тенденции совершенствования генераторов транспортных средств

11

Пузаков А. В. Системы электроснабжения транспортных средств

     Рост мощности генераторов при сохранении воздушного охлаждения ограничен величиной 3-4 кВт, поэтому ряд производителей (Audi, BMW) автомобили представительского класса штатно оборудуют генераторами жидкостного охлаждения, что улучшает теплоотвод, способствует снижению уровня шума и повышает коэффициент полезного действия.
     Увеличение мощности потребителей приводит к увеличению сечения проводов, длина которых в современном автомобиле может достигать нескольких километров. Для снижения токов, циркулирующих в бортовой сети, необходимо увеличение напряжения бортовой сети. В настоящее время разработаны схемы перехода на напряжение 48 В, а в ряде случаев (автомобили Audi SQ7, Bentley Bentayga, Lamborghini Urus) такой переход частично реализован для ряда энергоёмких потребителей.
     Дальнейшее увеличение мощности возможно при замене генераторов на устройства, совмещающие функции генерирования энергии и запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - стартер-генераторы. Применение подобных устройств позволяет использовать рекуперацию энергии - преобразование накопленной кинетической энергии в электрическую в процессе замедления и торможения автомобиля.
     Многообещающие перспективы открывает передача функций регулирования напряжения электронному блоку управления (ЭБУ) двигателя внутреннего сгорания.
     Встроенное диагностирование неисправностей становится возможным при соблюдении двух условий: передаче функций регулирования ЭБУ ДВС и связи этого блока с генератором посредством шины передачи данных (как правило, LIN-шины).
     Таким образом, значительные изменения в конструкции систем электроснабжения автомобилей не отражены в учебной или методической литературе, поэтому разработанное пособие будет востребованным у широкой аудитории.

12

            ГЛАВА 1.
            ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ


        § 1.1. Общие сведения

     Система электроснабжения транспортной машины представляет собой совокупность устройств генерирования и распределения электроэнергии.
     Подсистема генерирования электроэнергии включает в себя источники электроэнергии, устройства регулирования напряжения, защиты, управления и контроля, которые обеспечивают производство электроэнергии и поддержание её характеристик в заданных пределах во всех режимах работы системы. Система распределения электроэнергии состоит из устройств, передающих электроэнергию от системы генерирования к распределительным устройствам.
     В транспортных машинах находят применение одноканальные и многоканальные системы электроснабжения. Применение многоканальных систем вызывается необходимостью питания электроэнергией приёмников с различным номинальным напряжением (6, 12 и 24 В), а также приёмников, требующих использования различного рода тока.
     Все системы электроснабжения транспортных машин выполняются по однотипным принципиальным схемам на постоянном токе. Как правило, электрооборудование транспортных машин изготовляется по однопроводной схеме. В большинстве автомобилей отрицательные выводы источников и потребителей электроэнергии соединены с кузовом автомобиля. Это значит, что точка подсоединения лампы накаливания соединена с кузовом через провод. Кузов, в свою очередь, медным кабелем соединён с отрицательной клеммой аккумулятора. Поскольку данная система обходится только одним проводом (обратный отвод осуществляется через кузов), то речь идёт об однопроводной схеме. В технически целесообразных случаях могут быть применены двухпроводные системы электроснабжения, в которых от корпуса изолированы оба провода- положительный и отрицательный. Применение однопроводной схемы по сравнению с двухпроводной позволяет снизить массу электрической сети, уменьшить падение напряжения в линиях, упростить монтаж и эксплуатацию сети, так как падение напряжения в корпусе машины невелико. К недостаткам однопроводной схемы можно отнести повышенную вероятность коротких замыканий проводов на корпус.
     Электрооборудование автомобиля включает в себя генератор как преобразователь энергии, одну или несколько аккумуляторных батарей и устройства-электропотребители. Энергия аккумуляторной батареи подаётся на стартер, который затем запускает двигатель автомобиля. Во время работы автомобиля на систему зажигания, систему впрыска топлива, блоки управления, системы обеспечения безопасности и комфорта, освещения и другое оборудование подаётся



13