Принцип роботи та схеми системи електропостачання автомобілів

Система електропостачання транспортної машини є сукупністю пристроїв генерування та розподілу електроенергії.

Підсистема генерування електроенергії включає в себе джерела електроенергії, пристрої регулювання напруги, захисту, управління і контролю, які забезпечують виробництво електроенергії та підтримання її характеристик у заданих межах у всіх режимах роботи системи. Система розподілу електроенергії складається із пристроїв, що передають електроенергію від системи генерування до розподільних пристроїв.

У транспортних машинах знаходять застосування одноканальні та багатоканальні системи електропостачання. Застосування багатоканальних систем викликається потребою живлення електроенергією приймачів з різною номінальною напругою (6, 12 і 24 В), а також приймачів, що вимагають використання різного роду струму.

Всі системи електропостачання транспортних машин виконуються за принциповими однотипними схемами на постійному струмі. Як правило, електроустаткування транспортних машин виготовляється за однопровідною схемою. У більшості автомобілів негативні виводи джерел та споживачів електроенергії пов'язані з кузовом автомобіля. Це означає, що точка приєднання лампи розжарювання з'єднана з кузовом через провід. Кузов, у свою чергу, мідним кабелем з'єднаний із негативною клемою акумулятора. Оскільки дана система обходиться лише одним проводом (зворотний відвід здійснюється через кузов), то йдеться про однопровідну схему. У технічно доцільних випадках можуть бути застосовані двопровідні системи електропостачання, в яких від корпусу ізольовані обидва дроти - позитивний та негативний. Застосування однопровідної схеми в порівнянні з двопровідною дозволяє знизити масу електричної мережі, зменшити падіння напруги в лініях, спростити монтаж та експлуатацію мережі, оскільки падіння напруги в корпусі машини невелике. До недоліків однопровідної схеми можна віднести підвищену можливість коротких замикань проводів на корпус.

Електроустаткування автомобіля включає генератор як перетворювач енергії, одну або декілька акумуляторних батарей і пристрої-електроспоживачі. 

Енергія акумулятора подається на стартер, який потім запускає двигун автомобіля. Під час роботи автомобіля на систему запалювання, систему упорскування палива, блоки управління, системи забезпечення безпеки та комфорту, освітлення та інше обладнання подається живлення від генератора, який, крім цього, заряджає акумуляторну батарею.

Підвищення вимог до комфорту та безпеки призводить до значного зростання енергоспоживання у бортовій мережі. Крім того, продовжується тенденція до електрифікації все більшої кількості компонентів (наприклад, регулювання сидінь, електричне стоянкове гальмо, електропідсилювач рульового управління). Номінальна потужність генераторів варіюється від 1,5 кВт у субкомпактному класі до понад 5 кВт у представницькому класі. Це менше, ніж загалом потрібно споживачам. Іншими словами, акумуляторна батарея теж має подавати електричне живлення під час роботи автомобіля. Усі компоненти повинні бути розраховані таким чином, щоб баланс заряду акумуляторної батареї завжди був позитивним або хоча б рівним споживанню.

Електроспоживачі мають різну тривалість включення. Розрізняють:

• постійні навантаження: від споживачів, включених завжди (електричний паливний насос, блок керування двигуном);

• тривалі навантаження: від споживачів, які включаються в міру потреби і залишаються включеними протягом тривалого часу (фари ближнього світла, радіоприймач, вентилятор радіатора);

• короткочасні навантаження: від споживачів, що включаються лише на короткий час (покажчики поворотів, стоп-сигнали, електрорегулювання сидінь, електросклопідйомники).

Потреби електричної енергії не є постійними. Перші хвилини після запуску двигуна зазвичай характеризуються великою споживаною потужністю (обігрів заднього скла, сидінь, дзеркал), після чого відбувається різке падіння споживаної потужності.

Ці споживачі вимикаються за кілька хвилин. Тут вимоги до електричного навантаження головним чином визначаються постійним та тривалим навантаженням.

Різним ЕБУ та споживачам потрібне живлення навіть тоді, коли автомобіль стоїть на стоянці. Безнавантажувальний струм (струм витоку) складається із загального струму цих включених споживачів. Більшість цих споживачів вимикаються невдовзі після вимкнення двигуна (наприклад, освітлення салону). Деякі завжди залишаються включеними (наприклад, система охоронної сигналізації).

Безнавантажувальний струм повинен подаватися акумуляторною батареєю. Максимальне значення безнавантажувального струму визначається автовиробниками. Розрахунок параметрів акумуляторної батареї, окрім іншого, базується і на цьому значенні.

Типова величина безнавантажувального струму у легковому автомобілі становить 3...10 мА.

Принцип роботи бортової мережі

Генератор подає електричний струм Ig під час роботи двигуна. Щоб зарядити акумулятор, генератор повинен збільшити напругу в бортовій мережі вище напруги батареї з розімкненим контуром. Однак генератор здатний зробити це лише тоді, коли включені споживачі не споживають струм більше, ніж генератор може створити. Якщо струм навантаження обладнання Iv у бортовій мережі більше струму генератора Ig (наприклад, на холостих обертах), то акумуляторна батарея буде розряджатися. Напруга в бортовій мережі падає до рівня напруги батареї, звідки споживається струм.

Максимальний струм генератора дуже залежить від обертів та температури генератора. На обертах холостого ходу генератор може давати лише 55...65 % номінальної потужності. Однак відразу після холодного пуску взимку генератор, починаючи із середніх обертів, здатний подавати в бортову мережу до 120 % своєї номінальної потужності. Коли двигун гарячий, моторний відсік нагрівається до 60...120 °С, залежно від температури навколишнього середовища і навантаження на двигун. Висока температура у моторному відсіку збільшує опір обмоток, що зменшує максимальну потужність генератора.

Повинна обов'язково гарантуватися рівновага заряду батареї шляхом правильного підбору акумуляторної батареї, генератора, стартера та іншого електрообладнання, щоб двигун міг завжди запуститися і при вимкненому двигуні можна було протягом тривалого часу включати різні електроспоживачі.

Електричну схему автомобіля можна представити як взаємодію перетворювача енергії (генератора), акумулятора енергії (акумуляторної батареї) та споживачів.

Генератор приводиться через привідний ремінь від колінчастого валу двигуна і перетворює механічну енергію на електричну. Регулятор генератора обмежує вихідну потужність таким чином, щоб не перевищувалася задана регулятором напруга (14,0...14,5 В).

Коли ключ вийнятий із замка запалювання, напруга подається лише на декілька споживачів (охоронна сигналізація, радіоприймач, додатковий обігрівач тощо). Вивід, через який живляться ці споживачі, називається "вивід 30" (постійний плюс).

Інші споживачі підключаються до "виводу 15". Коли ключ запалювання перебуває в положенні "запалювання ВКЛ", напруга батареї подається на цей контакт і всі споживачі підключаються до живлення.

Схеми бортової мережі

У більшості автомобілів акумуляторна батарея розміщується у моторному відсіку. Однак велика акумуляторна батарея (наприклад, на 100 А∙год) займає багато місця, і іноді, коли вільний простір в моторному відсіку обмежений, її не вдається встановити туди. Ще одним аргументом проти встановлення акумуляторної батареї в моторному відсіку є потенційно висока навколишня температура. В якості альтернативи акумулятор можна встановлювати в багажному відділенні або в салоні (наприклад, під сидінням переднього пасажира).

Відстань між акумуляторною батареєю, встановленою в моторному відсіку, та генератором менша, ніж коли акумуляторна батарея встановлюється у багажному відділенні. Це позначається на підвищеному опорі проводів і безпосередньо впливає на падіння напруги в них. Падіння напруги можна мінімізувати за допомогою відповідних перерізів проводів та гарного контакту.

На рисунках нижче показано умови для встановлення акумуляторної батареї у моторному відсіку та багажному відділенні. Для акумуляторної батареї, встановленої в багажному відділенні, потрібні довші дроти з додатковим опором RL2. Через більше падіння напруги зарядна напруга акумуляторної батареї, встановленої у багажному відділенні, буде меншою. Додаткову різницю напруги, викликану величиною RL2, можна збалансувати шляхом збільшення номінальної напруги генератора. Це підвищує потужність генератора.

Можливість запуску залежить від напруги, що подається на стартер. Чим вище ця напруга, тим вище оберти стартера під час запуску. Через високий пусковий струм опір проводів ключовим чином впливає на цю напругу. У разі коли акумуляторна батарея встановлюється в багажному відділенні, дроти між батареєю і стартером виявляються довшими, ніж коли вона встановлюється в моторному відсіку; відповідно, опір та падіння напруги вище. Запуск покращується, коли акумуляторна батарея встановлюється в моторному відсіку і коли дроти між нею та стартером короткі.

Висока температура в моторному відсіку може спричинити температурно-залежні зміни в акумуляторній батареї (наприклад, газоутворення), що негативно впливає на термін служби батареї. Високу температуру батареї можна зменшити екрануванням (тепловий кожух).

При низькій температурі навколишнього середовища акумуляторній батареї, встановленої в багажнику, потрібно більше часу для досягнення робочої температури. При надто низькій температурі акумулятора вона погано заряджається. Це, у свою чергу, призводить до порушення зарядного балансу та низького заряду, що прискорює процес старіння батареї (відбувається сульфатація).

Оскільки в батареї може акумулюватися тільки постійний струм, змінний струм, що виробляється генератором, необхідно випрямити. Ця операція виконується діодним випрямлячем, вбудованим у генератор. Випрямлення змінного струму створює пульсуючу напругу постійного струму. Крім того, перемикання діодів - коли струм комутується з одного діода на наступний - створює високочастотні коливання напруги, які згладжуються, наскільки це можливо, перешкододавлюючим конденсатором.

Стрибки або пульсації напруги можуть порушити роботу або навіть спричинити пошкодження електронних споживачів (наприклад, ЕБУ). Акумулятор може використовувати свою велику ємність для згладжування коливань напруги. Однак через опір проводів RL між генератором та батареєю вони не повністю пригнічуються у генераторі. Коли споживачі підключаються з боку батареї або після батареї, на них подається добре згладжена напруга бортової мережі. Коли споживачі підключаються з боку генератора, тобто безпосередньо до генератора, мають місце сильніші пульсації і стрибки напруги.

Таким чином, електроспоживачі, що характеризуються високим споживанням струму та відносно нечутливі до перенапруги, повинні приєднуватися з боку генератора, а навантаження, чутливе до напруги з низькими струмами споживання, має приєднуватися акумуляторної батареї.