汽车电器电子教案第3讲.doc

汽车电器电子教案第3讲
电子教案
主讲教师:楚晓华
章 节
（第三讲)
第二章 汽车供电系统
第四节 交流发电机的构造、工作原理及特性
第五节 交流发电机的调节器
第六节 交流发电机及调节器的检修
第七节 交流发电机充电系统的使用与故障诊断
第八节 42V汽车电器系统简介
课时
2
授课班级
05级1、2、5、6、7班
授课日期
2007-2-27
教学目的

教学重点

教学难点

教学手段
讲授、多媒体、自学
作业
思考题与习题 2－1、2—2、2—3、2-4、2—5
主要参考书目及网络资源
《汽车电器与电子技术》,孙仁云 付百学编著，机械工业出版社，2007年1月

教
学
内
容
及
过
程

教
学
内
容
及
过
程

教
学
内
容
及
过
程

教
学
内
容
及
过
程

教
学
内
容
及
过
程

组织教学
复习上讲的内容,导入本堂教学
一、交流发电机的构造

爪极:鸟嘴形：产生近似与正弦波的交流电动势
转子 励磁绕组：有电流通过,产生磁场
滑环
轴

三相绕组:产生相位相差120度，大小相等的三相交流电动势
定子 连接由三角连接和星形连接两种。以星形连接为主。

铁心：由硅钢片叠压而成

整流器：将三相绕组产生的的交流电变为直流.
主要元件：二极管
主要利用了二级管的单向导电性。

前后端盖:由非导磁材料铝合金制成。
特点：漏磁少，质量轻，散热性能好.
二、交流发电机的工作原理
1、 发电原理:在汽车用交流发电机中，由于转子磁极是鸟嘴形,其磁场的分 布近似于正弦规律，所以交流电动势也近似于正弦波形,相位差互为120度。
2、 整流原理::硅二极管具有单向导电性。
在某一瞬间，正极二极管上那一项的电压最高,那一项的正极管子就获得正向电压而导通.负极管上那一项的电压最低，那一项的负极管子就获得正向电压而导通。
实际上，在汽车交流发电机中选用的二极管，其允许的反向电压要高得多,可以承受电路中各种瞬时过电压对二极管的冲击。
3、励磁方法
汽车用交流发电机最常用的是九管的交流发电机,也就是具有九个硅二极管的发电机.其中六个硅二极管组成整流器，利用二极管的单向导电性将交流发电机产生的交流电压转变成直流电压,另外三个二极管提供通过发电机中的励磁绕阻的电流，称为励磁二极管。九管交流发电机不仅可以控制充电指示灯指示蓄电池的充电情况，指示充电系统是否发生故障，还可以在停车时，提醒驾驶员断开点火开关。

图10-1 9管交流发电机的原理图

由于二极管有0.6v的门坎电压,所以汽车用交流发电机只有在发电机在较高转速的时候才能自己发电，称为自励过程。当发电机的转速较低时,由蓄电池供给电流,称为他励过程。因此，交流发电机发电，要先经过他励过程，再经过自励过程。工作原理如下：
当开关闭合后，首先由蓄电池提供电流。电路为：
蓄电池正极→充电指示灯→ 调节器触点 →励磁绕阻Rf →搭铁 →蓄电池负极。此时，充电指示灯由于有电流通过,所以灯会亮。
但发动机起动后，随着发电机转速提高，发电机的端电压也不断升高，。当发电机的输出电压与蓄电池电压相等时，发电机“B”端和“Ｄ”端的电位相等，此时，充电指示灯由于两端电位差为零而熄灭。指示发电机已经正常工作，励磁电流由发电机自己供给.发电机中三相绕阻所产生的三相交流电动势经六只二极管整流后，输出直流电，向负载供电，并向蓄电池充电。
当发电机高速运转、充电系统发生故障而导致发电机不发电时，“Ｄ"端无电压输出，所以充电指示灯由于两端电位差增大而发亮，警告驾驶员及时排除故障。九管交流发电机在停车后，蓄电池向充电指示灯继续提供电流，则充电指示灯会一直亮,提醒驾驶员断开点火开关。
三、交流发电机的工作特性
汽车交流发电机的工作特点是转速变化范围大，因此，必须了解其输出电流、端电压与转速变化之间的关系，即交流发电机的工作特性。

交流发电机的外特性

交流发电机的空载特性

交流发电机的输出特性
1、 输出特性：
发电机的端电压不变,输出电流于发电机转速之间的关系。
发电机转速甚低时，其端电压低于额定电压，此时发电机不向外供电;当发电机空载时，电压达到额定电压值的转速n1，称为空载转速。当发电机达到额定功率时的转速成为满载转速n2.
说明：①只有当发电机转速高于n1时才可能向外供电.n1是选定发电机传动比的主要依据。
②满载转速是判断发电机技术性能的重要指标。
③当转速达到一定值时，其输出电流不在随转速升高而升高，因此具有限流的作用。
2、 空载特性：
发电机空载时，其端电压与转速之间的关系
说明:空载特性是判断发电机充电性能是否良好的重要依据
3、 外特性：
转速一定时,发电机的端电压与输出电流之间的关系。
当发电机在高速运转时，如果因外电路开路而突然失去负载，则其端电压将急剧升高,这对发电机和晶体管调节器内的电子元件都是有害的。
四、交流发电机电子调节器
汽车在行驶过程中，由于发动机的转速随时都在变化，交流发电机的转速也之变化，因此发电机输出电压必然随转速变化而变化。交流发电机电压调节器把交流发电机的电压控制在一定的规定范围内，当发电机转速发生变化时,自动调节发电机输出电压并使电压保持恒定，防止输出电压过高而损坏用电设备和避免蓄电池过量充电.

图10—2 外搭铁型电子电压调节器的基本电路
五、调节器基本电路
外搭铁型电子调节器的基本电路如图1—2所示，有信号监测电路、信号放大与控制电路、功率放大电路和保护电路四部分组成.
电阻R1和R2稳压管VS构成信号监测电路,电阻R1 、R2串联在交流发电机输出端子“B”和搭铁端子“E"之间,构成分压器，直接监测发电机输出电压U的变化。R1上的分压:

由此可见，发电机电压U升高时，分压电阻R1上的分压值UR1升高，反之，当发电机电压U下降时，分压值UR1下降.
稳压二极管VS一端连接三极管VT1的基极，另一端接在分压电阻R1、R2之间，VS与三极管VT1的发射极串联后再与分压电阻R1并联，从而监测发电机电压的变化，并控制三极管VT1的导通与截止。
三极管VT1和电阻构成信号放大与控制电路，其作用是将电压监测电路输入的信号进行放大处理后，控制功率三极管VT2导通与截止。电阻既是三极管VT1的负载电阻，又是功率三极管VT2的偏流电阻.三极管VT1为小功率三极管，接在大功率三极管VT2的前一级，起功率放大作用，也称为前级放大电路。
功率三极管VT2通常采用达林顿三极管构成功率放大电路，VT2为型大功率三极管，串联在励磁绕组与搭铁端之间，这是外搭铁型调节器的显著特点.励磁绕组的电阻是VT2的负载电阻。VT2导通时,励磁电路接通，有励磁电流；VT2截止时，励磁电流被切断。因此，通过控制三极管的导通与截止，就可以改变励磁电流使发电机输出电压稳定。
续流二极管VD构成保护电路,其功用是防止励磁绕组产生的自感电动势击穿三极管而造成损坏。
六、电子电压调节器工作原理
电子电压调节器利用三极管的开关特性，将大功率三极管作为一只开关串联在发电机的励磁电路中，根据发电机输出电压的高低,控制三极管导通与截止来调节发电机的励磁电流，使发电机输出电压稳定在一定范围内。发电机电子电压调节器工作过程如下：
1．接通点火开关SW ,发电机电压U低于蓄电池电压时，蓄电池电压经过点火开关SW加在分压电阻R1 、R2两端。由于发电机电压低于调节电压上限值，稳压管VS处于截止状态，VT1基极无电流流过，也处于截止状态。此时，蓄电池经点火开关、电阻向三极管VT2提供基极电流,VT2导通并接通励磁电流，其电路为:
蓄电池正极→电流表→点火开关→熔断器→发电机端子→发电机磁场绕组→发电机磁场端子→调节器磁场端子→三极管→调节器搭铁端子→发电机搭铁端子→发电机负极管→蓄电池负极
此时，随着发电机转动,其电压也将随之上升。
2．当发电机电压上升到高于蓄电池电压但还低于调节电压上限U2时，发电机处于自励状态.（励磁电流由发电机自己提供）
当发电机电压高于蓄电池电压但还低于调节电压上限时U2时,VS与VT1仍截止,VT2保持导通。此时励磁电路为:
发电机定子绕组→正极管→发电机输出端子“B”→点火开关SW →熔断器 F3→ 发电机端子“F1”→ 发电机励磁绕组 RF→发电机端子“F2” →调节器磁场端子“F"→ 三极管VT2 → 调节器搭铁端子“E"→ 发电机搭铁端子“E”→ 发电机负极管 →发电机定子绕组
3．当发电机电压随转速升高到调节电压上限时U2，VS,VT1导通,VT2截止，励磁电流切断，发电机电压降低.
当发电机电压升高到调节电压上限U2时，此时VS导通，它的发射极几乎被短路,流过电阻R3 的电流经VT1集电极和发射极构成回路， VT2因无基极电流而截止，励磁电流被切断,磁通迅速减小，发电机电压迅速下降.
（4）当发电机电压降低到调节电压下限U1时，VS截止，VT1随之截止，VT1集电极电位升高，发电机又经R3向VT2提供基极电流,使VT2导通，励磁电流接通，发电机电压又重新升高。当发电机电压再次升高到调节电压上限U2时，调节器重复（3),（4）工作过程,将发电机电压控制在某一平均值不变。
当由VT2导通转为截止的瞬间，励磁绕组产生的自感电动势经二极管VD构成放电回路，防止三极管VT2击穿损坏。由于放电电流流经VD， 所以 VD称为续流二极管。
七、汽车电源系统的的检修
将在汽车电器实验课上学习，并要求同学课下自学.
八、42V汽车电器系统简介
42V源系统即将在汽车上应用。42V电源系统能提供8KW的动力，对汽车电器提供了较大的发展空间.采用42V电源的最重要的意义还在于使产品设计人员从过去许多局限性中解脱出来,为汽车技术的发展提供了充分的想象空间。
由于车上自动控制所必需的微型电机数目会不断增加，导致汽车越先进,消耗的电能就会越大。如果不改变现行的电压标准，功率增大必然导致电流增大，电流增大必然要加大导线的截面积，换句话说就是要加粗导线，发展下去车上的主线束将粗如手臂，电器件的体积会变大，汽车重量会增加，油耗会增大，有限空间被占用。在现有电气系统的额定电压下,要输出上述大功率,必须大大增加交流发电机输出电流。低电压、大电流输出会降低爪极式交流发电机的效率,并且为了降低线路上的电阻热损耗，导线的截面积将增加几倍,这不仅增加了整车装备的质量,而且对发动机舱和车厢的空间布置带来很多问题。可见现有的14V供电源系统难以满足要求，惟一可行的办法是提高交流发电机电压以增大其输出功率.根据现有的研发技术和生产工艺，在交流发电机额定电压为14V时，其输出功率可达2kW；当额定电压为28V（l4×2）时，输出功率可达4kW左右；当额定电压增加为42V（l4×3）时，其输出功率可增大至6kW，甚至更高.
14V/42V双电压方案
14V/42V双电压方案的内容是:由于目前几乎所有汽车采用12V（l4V）电源系统，采用单一的42V电源系统之前，必须会有一个14V/42V电源系统的过渡期，即双电压系统.将汽车电器与电控装置根据耗电大小分为两组，中小功率为一组，用14V电压供电，较大功率电器装置采用42V电压供电,这些装置平均功率分别在400～1000W范围内,峰值功率可高达500～5000W。提高电压值，可以减少电器装置本身的体积、质量和损耗，也有利于控制装置的小型化，提高集成度。例如三元催化转换加热器、挡风玻璃加热器、冷却风机、电气悬架、电磁阀驱动电器等.传统电器及部分电器装置(例如照明、信号、仪表板、电动摇窗机、中央控锁系统、发动机电子燃油喷射装置、点火控制装置等）功率不大，采用14V供电有利。
新的供电系统与传统供电系统有完全的兼容性,这是该系统的基本特点。
电源系统中的关键装置有：起动/发电复合装置.由于电气系统中交流发电机具有较大的输出功率，为了合理利用资源,利用交流发电机的可逆性，再配置一套半导体整流—逆变功率转换器，将交流发电机和电动机合成为一个起动/发电复合装置。
起动发动机时，36V电池通过整流—逆变功率转换器向起动/发电机复合装置供电，复合装置工作在起动状态;
当发动机起动后，整流-逆变功率转换器工作在整流方式,复合装置工作在
发电状态,向36V蓄电池充电,并向其他用电设备供电.在发电状态，可根据需要，输出不同的电压.这种起动/发电机复合装置将取代传统的起动机、皮带驱动式发电机和飞轮，直接安装在变速器和发动机之间，并在怠速时关闭发动机，而在起动时，快速拖动发动机恢复至正常工作。该装置有助于减少排放污染、降低噪声和节省燃油。
DC/DC 转换器。当发电机设计为单一42V电压输出，并且电源系统使用14V/42V双电压时,在高低电源之间及高电源与低压负载之间必须加装DC/DC转换器，可以将供电源系
统分割为两个具有不同电压的供电子系统.它不仅起直流降压作用,还起电能的分配管理作用，是一个重要的智能元件.
双电压工作原理及特性
42V是指汽车发电机工作时的电压，蓄电池电压是36V,发动机停止时汽车电压也是36V。这与目前12V汽车启动后电压是14V的道理一样。实施42V的作用是在现有汽车空间条件下提高电器用电的负荷量.具体好处有：一是通过电压提升减少电流载量,可以减少线束的线径和促进现有电器装置的微型化,缩小体积减少重量.二是可以将发动机驱动的附件从发动机中分离出来，集成在一起由电动机直接驱动，从而进一步减少发动机零件

八、总结、布置作业

（2分钟）
(3分钟）
（10分钟）

（10分钟）

（10分钟）

（20分钟）

（30分钟）
（15分钟）

（15分钟）

(20分钟）

（15分钟）

（10分钟）

（5分钟）

课后体会

《汽车电器与电子技术》 第 7 页 主讲教师：楚晓华 基础教研室