第一篇 汽车电器

第一章 车载电源

第一节 概述

一、汽车电源的组成与要求

1．汽车电源的组成

汽车电源由蓄电池和发电机两个电源并联而成，如图1-1所示。

在发动机工作时，发动机带动发电机发电，向汽车用电设备提供电能，并向储存电能不足的蓄电池充电。在起动发动机时，则由蓄电池向起动机及点火系统（汽油发动机）等提供电能。蓄电池的主要用途是用作起动电源，除此之外，蓄电池还有如下功用。

1）在发动机怠速运转或停转（发电机电压低或不发电）时，向车载用电设备供电。

2）当同时启用的车载用电设备功率超过了发电机的额定功率时，协助发电机供电。

3）当蓄电池存电不足，且发电机负载不多时，可将发电机的电能转换为化学能储存起来。

4）蓄电池内部的极板构成了一个容量很大的电容器，并联在车载电网中，可以吸收电路中的瞬变电压脉冲，对汽车电路中的电子元件起到了保护作用。

5）对汽车电子控制系统来说，蓄电池是电子控制器的不间断电源。

2．对汽车电源的要求

蓄电池是发动机的起动电源，在起动发动机时，需要在短时间内向起动机提供大电流（汽油发动机为100～600A，大型柴油发动机可达1000A），因而要求其内阻要小，大电流输出时电压要稳定，以确保有良好的起动性能。除此之外，还要求蓄电池的充电性能良好、使用寿命长、维护方便或少维护，以满足良好的汽车使用性能要求。

发动机工作时的转速变化很大，要求发电机在发动机转速变化范围内都能正常发电且电压稳定，以满足用电设备的用电需求；此外，要求发电机的体积小、重量轻、故障率低、发电效率高、使用寿命长等，以确保汽车良好的使用性能。

二、汽车电源的现状与发展

1．蓄电池

蓄电池可通过充电恢复其化学能量，因而也被称之为二次电池。目前，世界上已有的二次电池有数十种，根据其电解质的酸碱性可分为酸性蓄电池、碱性蓄电池和中性蓄电池。极板为铅，电解液为硫酸水溶液的铅酸蓄电池具有内阻小、电压稳定的特点，能迅速提供大电流，是较为理想的起动电源。此外，铅酸蓄电池的结构简单、其结构及生产工艺等较为成熟、成本低，因而汽车上普遍采用铅酸蓄电池。

普通的铅酸蓄电池（又称为干封蓄电池）比能量低、维护工作量大、使用寿命短、需经初充电才能使用。多年来，铅酸蓄电池在结构、材质及工艺等方面不断改进，其性能有了较大的提高。目前，汽车上使用的大都是改进型铅酸蓄电池。比如，无需初充电的干荷电、湿荷电蓄电池，可防止电解液非正常损失和极板活性物质脱落的胶体蓄电池，使用寿命长且无需经常维护的免维护蓄电池等。

国内外都致力于研究与开发碱性蓄电池，比如，镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、锌空气蓄电池、铁镍蓄电池、铁空气蓄电池等。这些蓄电池的能量密度、使用寿命等方面都要优于铅酸蓄电池，但由于其内阻较大，不适合用作起动电源。目前，碱性蓄电池只是在电动汽车上使用。中性蓄电池到目前为止，在技术上还有待成熟，即使在电动汽车上也应用很少。

铅酸蓄电池的结构、材质、工艺等方面仍有改良和发展的空间，以使其能量密度、功率密度及使用寿命等均有进一步提高，并实现免维护化。

2．发电机及调节器

汽车上最早使用的是直流发电机，这种同步直流发电机采用铸铁外壳，磁极较大，须用机械换向器整流。由于体积大、比功率小、低速充电性差、高速换向器换向火花大，直流发电机已不能适应现代汽车对车载发电机的要求，早已被采用硅二极管整流的交流发电机取代。在汽车上普遍应用的交流发电机有多种结构形式，根据发电机磁极产生磁场的方式不同分，有普通励磁式（通过电刷引入励磁电流）、无刷励磁式和永磁式等几种，其中普通励磁式使用最为普遍；根据磁极绕组搭铁方式分，交流发电机有内搭铁式和外搭铁式两种，内搭铁式使用居多；按整流二极管的数量又有六管、八管、九管、十一管、十二管等不同形式的交流发电机。

发电机调节器的作用是在发动机转速变化时，使发电机的电压保持稳定。交流发电机最初所配用的是触点式调节器，现已逐渐被电子式调节器所替代。电子调节器有分立元件和集成电路两种类型，现在汽车大都采用集成电路式电子调节器。由于集成电路调节器性能稳定，结构尺寸小，故将其安装在发电机内部。这种调节器内装的交流发电机（被称为整体式交流发电机）在汽车上已有较多的应用。

交流发电机及调节器的发展趋势是，低速充电性能好、工作可靠性好、发电效率更高，以满足汽车电气系统对电源越来越高的要求。

3．汽车电系的电压

现代汽车电气系统普遍采用12V系统，只有部分大型柴油车的起动系统采用24V系统。随着汽车电子控制设备的应用越来越多，12V系统已显得不适应。未来汽车电源的电压标准将提高到42V，以使发电机能提供更大的极限功率，减少线束和提高信号传送的质量。未来的汽车电源电压可满足更多电器和电子控制装置的用电要求，并使整个汽车电系的工作更加稳定、安全、可靠。

第二节 蓄电池

一、蓄电池的基本原理

铅酸蓄电池的核心部分是极板和电解液，蓄电池通过正、负极板上的活性物质与电解液的电化学反应建立电动势，进行放电和充电过程。

1．蓄电池电动势的建立

蓄电池正极板上的活性物质为二氧化铅（PbO₂），负极板上的活性物质为纯铅（Pb），电解液为硫酸的水溶液（H₂SO₄+H₂O）。浸入电解液的极板会有少量的活性物质溶解电离。

正极板处PbO₂溶解电离后有四价的铅离子（Pb⁴⁺）沉附于正极板：

PbO₂+2H₂O—→Pb（OH）₄

Pb（OH）₄—→Pb⁴⁺+4OH^-

负极板处Pb溶解后有电子（e）留在负极板：

Pb—→Pb²⁺+2e

上述过程是可逆的，对于充足电的蓄电池，当PbO₂溶解电离的速率与它的逆过程的速率达到动态平衡时，正极板上就有稳定数量的Pb⁴⁺，这使得正极板相对于电解液有+2.0V的电位差；负极板上则是有稳定数量的电子，使得负极板相对于电解液有-0.1V的电位差。于是，充足电的蓄电池在静止状态下的电动势E_j约为2.1V。

可见，铅酸蓄电池是通过极板上活性物质的溶解电离，使正、负极板产生正（Pb⁴⁺）、负（e）电荷而建立电动势的。

2．蓄电池的放电过程

蓄电池接上负载，在电动势的作用下，负极板上的电子（e）经外电路和负载流向正极板，形成放电电流。正极板上的Pb⁴⁺得到两个电子，变成二价铅离子（Pb²⁺），并溶于电解液。放电电流使得正、负极板上的Pb⁴⁺和e数量减少，原有的平衡被破坏，于是，正、负极板上的PbO₂、Pb继续溶解电离，以补充消耗掉的Pb⁴⁺、e。与此同时，电解液中的Pb²⁺浓度增加并与生成硫酸铅（PbSO₄），分别沉附于正、负极板表面，其放电过程如图1-2所示。

放电过程中，正负极板上的活性物质PbO₂、Pb逐渐转变为PbSO₄，电解液中的H₂SO₄减少，H₂O增加，电解液的密度下降。

理论上，蓄电池的放电过程可一直进行到极板上所有的活性物质都转变为PbSO₄为止。实际上，由于放电生成的PbSO₄沉附于极板表面，使电解液不能渗入到极板内层，造成极板内层的活性物质不能利用。

3．蓄电池的充电过程

蓄电池正、负极板上有少量PbSO₄溶于电解液，呈离子状态（Pb²⁺，）。当接上充电电源后，电源的电场力使正极板的电子（e）经充电电路流向负极板，形成充电电流。正极板附近的Pb²⁺失去两个电子而变为Pb⁴⁺，并与电解液中水解出来的OH^-结合，生成Pb（OH）₄，Pb（OH）₄又分解为PbO₂和H₂O，PbO₂沉附于正极板上；负极板附近的Pb²⁺则得到两个电子变为Pb，沉附于负极板。正负极板附近的与电解液中的H⁺生成H₂SO₄。充电电流使电解液中的Pb²⁺、减少，极板上的PbSO₄就会继续溶解电离。充电过程如图1-3所示。

充电过程中，正负极板上的PbSO₄逐渐转化为正极板的PbO₂和负极板上的Pb，电解液中的H₂O减少，H₂SO₄增加，其密度增大。

当充电接近终了时，充电电流会电解水，使H₂O变成O₂、H₂，并从电解液中逸出。水的电解反应式为

不考虑蓄电池化学反应中间过程，其充、放电时的总反应式如下：

二、蓄电池的构造

蓄电池的基本构造如图1-4所示。

1．极板与单体电池

正负极板上的活性物质PbO₂和Pb由铅膏（铅粉、稀硫酸及少量添加剂的混合物）填充在用铅锑合金铸成的栅架上，经化成工艺处理而成。在充足电状态下，正极板呈深棕色，负极板呈深灰色。

为了增大蓄电池的容量，将多片正极板和负极板各自用横板焊接并联起来，组成正极板组和负极板组。将正负极板相互嵌合，中间用隔板隔开，并置于存有电解液的容器中，就构成了单体电池。单体电池的标称电压为2V，12V的蓄电池由6个单体电池串联而成。

正极板上的活性物质比较疏松，若单面放电，容易造成极板拱曲而使活性物质脱落。因此，每个单体电池的正极板总比负极板少一片，使每片正极板都置于两片负极板之间，这样就可使正极板两面的放电均匀而不容易拱曲。

2．隔板

为了避免正负极板彼此接触而造成短路，正负极板间用绝缘的隔板隔开。隔板具有多孔性，以便于电解液渗透。此外，隔板材料还应具有良好的耐酸性和抗氧化性。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶、微孔塑料（聚氯乙烯、酚醛树脂）、玻璃纤维等，以微孔塑料隔板使用最为普遍。近年来，出现了袋状的微孔塑料隔板，它将正极板紧紧地套在里面，可防止正极板活性物质脱落。

对于有沟槽的隔板，在组装时，隔板的沟槽面应朝向正极板。因为蓄电池在充、放电时，正极板附近的电化学反应比负极板激烈，隔板上的沟槽有利于电解液上下流通，保持其密度均匀。

3．电解液

电解液可使极板上的活性物质溶解和电离，产生电化学反应。电解液由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成。电解液的密度在25℃条件下应保持在1.27～1.30g/cm³。

4．壳体及其他

蓄电池的壳体用于盛放电解液和极板组，壳内用间壁分成3个或6个互不相通单体，底部有凸棱，用以搁置极板组，而凸棱间的凹槽则可积存从极板上脱落下来的活性物质，以避免沉积的活性物质连接正负极板而造成短路。蓄电池的壳体大都用耐酸、耐热、耐振的硬橡胶制成，如今，工程塑料（聚丙烯）已在韧性、强度、耐酸、耐热等方面的性能达到或优于硬橡胶，且可以制成薄壁透明的壳体，且重量轻，便于观察电解液的液面高度，因此，塑料壳体的蓄电池在汽车上也有应用。

蓄电池壳体上盖有两种形式，一种是分体式，即每一个单格上有一小盖，盖与壳体间的缝隙用沥青封料密封（图1-4）；另一种是整体式（图1-5），盖与壳体之间采用热接或胶黏工艺黏合。

单体电池的加液孔盖都有一通气小孔，用于在蓄电池充电时及时排出因电解水而产生的氢气和氧气，以防止气体集聚而使其内部压力升高，造成涨破容器甚至产生爆炸的事故。

铅制的连接条用于串联各单体电池。图1-4所示的蓄电池连接条露在蓄电池盖表面，这种传统的连接方式连接条较长，耗材较多，电阻也较大，因此，已逐渐被穿壁式连接方式（图1-5）所取代。

蓄电池各单体电池串联后，两端单体的正负极桩分别穿出蓄电池盖，形成蓄电池极桩。正极桩标“+”号或涂红色，负极桩标“-”号或涂蓝色、绿色等。

5．蓄电池的型号

按工信部发的《铅蓄电池名称、型号编制与命名办法》（JB/T 2599—2012）蓄电池型号由以下几部分组成：

（1）串联的单体数 用阿拉伯数字表示。如：6表示有6个单体，12V的蓄电池。

（2）蓄电池类型 以蓄电池的主要用途划分，用汉语拼音字母表示。如：Q表示用作起动电源的起动型蓄电池；D表示电动车用蓄电池；M表示摩托车用蓄电池；N表示内燃机车用蓄电池；B表示航标用蓄电池。

（3）蓄电池的特征 为附加说明，在同类用途的产品中具有某种特征需要在型号中加以区别时采用。蓄电池的特征也以汉语拼音字母表示（表1-1）。如果产品同时具有两种特征，原则上按表1-1的顺序将两个代号并列标示。

（4）额定容量 用阿拉伯数字表示，其单位为A·h。

有的蓄电池在额定容量后用一字母表示其特征性能：G—表示薄型极板，高起动率；S—表示塑料外壳；D—表示低温起动性能好。

三、蓄电池的工作特性

1．蓄电池静止电动势

静止电动势E_j是指蓄电池在静止状态下正负极板之间的电位差。静止电动势的大小取决于极板上活性物质溶解电离达到动态平衡时，在极板单位面积上沉附的Pb⁴⁺和e的数量，而这受电解液的密度和温度的直接影响。在电解液密度为1.050～1.300g/cm³的范围内，静止电动势E_j与电解液密度及温度的关系可由如下的经验公式表示：

E_j=0.84+ ρ_25℃

ρ_25℃=ρ_t+0.00075（T-25）

式中 ρ_25℃——温度为25℃时的电解液密度（g/cm³）；

ρ_t——实际测得的电解液密度（g/cm³）；

T——实际测得的电解液温度（℃）。

2．蓄电池内阻

蓄电池内阻包括极板电阻、隔板电阻、电解液电阻和联条电阻等。隔板电阻主要取决于隔板的材料、厚度及多孔性，在通常使用的隔板中，微孔塑料隔板的电阻较小。联条的电阻主要与联条的长度有关，穿壁式联条因其短而电阻较小。蓄电池在使用过程中，隔板和联条的电阻不会改变，极板电阻和电解液电阻则会随蓄电池的放电程度、电解液的温度和密度的不同而改变。

极板电阻在充足电状态下最小，随着蓄电池放电程度的增加，覆盖在极板表面的PbSO₄相应增多，极板电阻会随之增大。

电解液的电阻与其温度和密度有关。温度低或电解液的密度高，电解液的黏度较大，其渗透能力较低，因而其电阻较大。电解液的密度过高或过低，还会因为H₂SO₄的离解度降低而增大电阻。当电解液密度为1.208g/cm³（25℃）时，电解液的离解度最高，其黏度也不大，其电阻最小。

3．蓄电池的放电特性

蓄电池的放电特性是指以恒定的电流I_f放电时，蓄电池端电压U_f、电动势E和电解液密度ρ随放电时间的变化规律。以20h放电率（I_f=0.05C₂₀）的恒流放电特性如图1-6所示。

放电时，由于蓄电池内阻R₀有电压降，蓄电池端电压U_f低于其电动势E，即

U_f=E-I_fR₀

E=E_j-ΔE

蓄电池放电时的电化学反应是在极板的孔隙内进行的，蓄电池放电时电动势E下降ΔE的原因是极板孔隙内的密度低于容器中的电解液密度。

从蓄电池的恒流放电特性曲线可知，蓄电池在刚开始放电和放电接近终了时电压迅速下降，而在中间较长的一段时间内U_f下降则比较缓慢。

开始放电时U_f迅速下降是因为放电之初极板孔隙内电解液的H₂SO₄迅速消耗，其密度随之迅速下降（ΔE迅速上升）。极板孔隙内外的电解液有了H₂SO₄浓度差后，极板孔隙外的H₂SO₄会向孔隙内渗透，使孔隙内的电解液密度下降与整个容器的电解液密度的下降趋于一致（ΔE基本稳定），因而U_f下降比较缓慢。放电接近终了时，电化学反应深入到了极板的内层，加之放电后生成的PbSO₄使孔隙变得越来越小，电解液渗透困难，造成极板孔隙内的电解液密度迅速下降（ΔE又迅速上升），U_f随之迅速下降。

1．75V是20h放电率的终止电压，若继续放电则为过度放电，端电压会急剧下降。停止放电后，电解液的渗透使孔隙内外的电解液密度趋于一致，蓄电池单体电池电动势会回升至1.95V的静止电动势（ΔE消失）。

铅酸蓄电池过度放电会导致其极板形成粗晶体硫酸铅，在充电时不易还原成活性物质而使蓄电池容量下降，使用寿命缩短。

在恒电流放电时，每单位时间里H₂SO₄转变为H₂O的数量是一定的，因此，电解液的密度ρ呈直线下降。一般电解液密度每下降0.04g/cm³，蓄电池放电大约为其额定容量的25%。

从放电特性曲线可知，蓄电池放电终了可由两个参数判断：

1）单体电池电压下降至放电终止电压。

2）电解液密度下降至最小的许可值。

终止电压与恒流放电电流的大小有关，放电电流越大，放电的时间就越短，允许放电的终止电压也越低。恒流放电电流与终止电压的关系见表1-2。

4．蓄电池的充电特性

蓄电池的充电特性是指以恒定的电流I_C充电时，蓄电池充电电压U_C、电动势E及电解液密度ρ随充电时间变化的规律。以20h充电率（I_C=0.05C₂₀）的恒流充电特性如图1-7所示。

充电电源要克服蓄电池内阻电压降，其充电电压U_C需高于蓄电池的电动势E，即

U_C=E+I_CR₀

E=E_j+ΔE

充电时蓄电池电动势E升高ΔE的原因：一是蓄电池充电时极板孔隙内电解液密度高于容器中的电解液密度；二是充电终期负极板附近集聚的H⁺所引起的附加电位差。

充电开始时，蓄电池的充电电压U_C迅速上升是因为孔隙内进行的电化学反应所生成的H₂SO₄使孔隙内电解液密度迅速上升（ΔE迅速上升）。当极板孔隙内外电解液的H₂SO₄浓度差产生后，极板孔隙内的H₂SO₄将向孔隙外扩散，此时，U_C随着整个容器内的电解液密度的缓慢增大而逐渐上升（ΔE基本稳定）。当U_C上升至2.4V左右时，电解液开始有气泡冒出，这是极板上的PbSO₄基本上已被还原成活性物质，充电电流已开始电解水的标志。继续充电，水的电解速度会不断上升，气泡也逐渐增多，使电解液呈“沸腾”状。由于H⁺在极板上得到电子变成H₂的速度较水的电解慢，因而在接近充足电时，负极板附近会集聚越来越多的H⁺，使负极板与电解液之间产生一个迅速上升的附加电位差（ΔE迅速上升），导致U_C迅速上升。附加电位差最高大约为0.33V，因此，充电电压上升至2.7V后就不再升高。

理论上U_C达到2.7V时应终止充电，否则将造成过充电。但在实际使用中，往往在充电电压达到最高电压后，继续充电2～3h，以确保蓄电池能完全充足。

铅酸蓄电池过充电所产生的大量气体会在极板孔隙内造成压力，这会加速极板活性物质脱落，导致蓄电池容量下降，使用寿命缩短。

由于是恒定电流充电，蓄电池电解液的密度ρ呈直线上升。

蓄电池充足电的特征如下：

1）蓄电池的端电压上升至最大值（单体电池电压为2.7V），且2h内不再变化。

2）电解液的密度上升至最大值，且2h内基本不变。

3）电解液大量冒气泡，呈现“沸腾”。

四、蓄电池的容量及影响因素

1．蓄电池的容量

蓄电池的容量是指充足电的蓄电池在允许放电的范围内所输出的电量。可由下式表示：

式中 C——蓄电池的容量（A·h）；

i——放电电流（A）；

t——放电时间（h）。

如果蓄电池是以恒定的电流I_f放电，则其容量的表达式为

C=I_ft

蓄电池的容量表示了蓄电池的供电能力，它与放电电流、温度及电解液的密度等因素有关，因此，标称的蓄电池容量具有一定的标准规范。

（1）额定容量C₂₀根据国标GB/T 5008.1—2013《起动型蓄电池技术条件》规定，C₂₀是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为（25±2）℃时，以20h放电率（I_f=0.05C₂₀）连续放电到12V蓄电池端电压下降至（10.50±0.05）V时所输出的电量。蓄电池的额定容量是检验新蓄电池质量和衡量旧蓄电池能否继续使用的重要指标。新蓄电池达不到额定容量，则为不合格产品，旧蓄电池的实际容量低于其额定容量超过某一限值时则应报废。

（2）储备容量C_r，n是国际蓄电池协会和美国汽车工程师协会（SAE）规定的一种蓄电池容量表示法。根据我国GB/T 5008.1—2013《起动型蓄电池技术条件》，C_r，n是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以25A电流连续放电到12V蓄电池端电压下降至（10.50±0.05）V时，放电所持续的时间，其单位为min。蓄电池的储备容量表示在汽车充电系失效时蓄电池尚能持续供电的能力。

储备容量与额定容量有如下换算关系：

γC₂₀=ζ（C_r，n）

式中，γ=0.8455（富液式蓄电池）或γ=0.8928（阀控式蓄电池）；

ζ=1.2429（富液式蓄电池）或ζ=0.8939（阀控式蓄电池）；

在C_r，n＜480min和C₂₀≤200A·h时，储备容量与额定容量有如下换算关系：

2．影响蓄电池容量的因素

蓄电池实际容量的大小取决于在允许放电的范围内，其极板上能参与电化学反应的活性物质的多少，因此影响蓄电池容量的因素主要有如下四个方面。

（1）极板的构造 极板的面积大，在允许放电范围内能参与电化学反应的活性物质就多，其容量也就大；普通蓄电池一般只利用了20%～30%的活性物质，因此，采用薄形极板、增加极板的片数及提高活性物质的孔率，均能提高蓄电池的容量。

（2）放电电流 放电电流越大，单位时间里所消耗的H₂SO₄就越多，加之对极板孔隙起阻塞作用的PbSO₄产生速率高，造成孔隙内的电解液密度急剧下降，使蓄电池端电压很快下降至终止电压，缩短了允许放电的时间，使得极板孔隙内的一些活性物质未能参加电化学反应，从而导致了蓄电池容量的下降。蓄电池容量与放电电流的关系如图1-8所示。

由于发动机起动时为大电流放电，因此，在起动时应注意，一次起动的时间不应超过5s；连续两次起动应间隔15s以上，使电解液有渗透到极板孔隙内层的时间，以提高极板内层活性物质的利用率和再次起动的端电压，有利于提高蓄电池的容量和起动性能。

（3）电解液的温度 电解液温度低，其粘度大，渗透能力下降，使极板内层的活性物质不能充分利用而造成容量降低。此外，温度越低，电解液的溶解度和电离度也越低，这又加剧了容量的下降。蓄电池容量与温度的关系如图1-9所示。

温度每下降1℃，蓄电池的容量下降约为1%（小电流放电）或2%（大电流放电）。因此，适当地提高蓄电池的温度（但不超过40℃），有利于提高蓄电池容量和起动性能。

（4）电解液的密度 电解液的密度过低时会因为H⁺、离子数量少而导致容量下降；电解液密度过高则又会因为其粘度增大、渗透能力降低、内阻增大、极板容易硫化而导致容量下降。蓄电池容量与电解液密度的关系如图1-10所示。

实际使用中，电解液的密度一般为1.26～1.285g/cm³（充足电状态）。模拟起动时的大电流放电试验表明，蓄电池密度偏低时其放电电流大，有效放电时间内输出的容量也大。因此，对于起动型蓄电池，在防止冬季使用时电解液结冰的前提下，尽可能采用偏低密度的电解液，这有利于提高起动性能，并可减小极板硫化和腐蚀，延长蓄电池的使用寿命。

五、蓄电池常见故障及排除

1．极板硫化

所谓极板硫化是指极板上产生了白色、坚硬不容易溶解的粗晶粒PbSO₄。在正常充电时，这种粗晶粒的PbSO₄不易被还原成活性物质，并且对极板的孔隙有阻塞作用，因此，会造成蓄电池容量下降、内阻增大而使起动性能下降。

（1）故障现象 蓄电池极板硫化后，除了有容量和起动性能明显下降的故障现象外，在充、放电时会有异常现象。比如：放电时蓄电池端电压下降较快；充电时电压上升快，温度升高也快，会过早地出现“沸腾”；电解液的密度则上升较慢且达不到规定的值；极板硫化严重时，还可以通过加液孔看到极板上部有白色的霜状物。

（2）故障原因 造成蓄电池极板硫化的常见原因有如下几种。

1）蓄电池长时间处于亏电状态，致使极板上的PbSO₄未能及时还原为活性物质，由于PbSO₄的溶解度随温度而变，当温度降低时，电解液中的PbSO₄就会过饱和而析出。PbSO₄析出时会再结晶，形成粗晶体并沉附在极板的表面，造成极板硫化。

2）电解液的液面过低，使得极板外露而氧化，汽车行驶颠簸时，会使电解液不时地与极板上部已被氧化了的部分接触而使PbSO₄再结晶，形成极板硫化。

3）小电流下的长时间过放电，使极板深层的活性物质转变为PbSO₄，在汽车运行中，发电机向蓄电池充电不可能使这部分PbSO₄复原，久而久之就会变为粗晶体硫酸铅。

此外，电解液密度过高、不纯、环境温度变化很大等，也会使极板容易硫化。

（3）处理措施 在蓄电池极板硫化还不严重时，可以用去硫化充电法消除硫化，极板硫化严重的蓄电池则只能报废。

2．自放电

在未接通外电路时，蓄电池电能自行消耗称之为自放电。蓄电池轻微自放电属于正常现象，但如果每昼夜蓄电池自行放电量大于2%C₂₀，则属于自放电故障。

（1）故障现象 充足电的蓄电池停放几天或几小时后就呈现存电不足。自放电严重的蓄电池，充电时其端电压和电解液密度上升缓慢，用高率放电计测单体电池电压降时，其端电压会迅速下降。

（2）故障原因 导致蓄电池自放电故障的原因主要有如下几种。

1）蓄电池盖表面有油污、尘土、电解液等造成蓄电池正负极桩之间漏电。

2）壳体底部沉积物过多而造成正负极板之间短路。

3）隔板破裂，造成正负极板短路。

4）电解液不纯，含有过多的金属杂质。

（3）处理措施 根据蓄电池自放电故障的各种不同原因，采取相应的方法排除自放电故障。

1）若是因蓄电池盖表面脏污造成自放电故障，清洁蓄电池盖表面，并对已亏电的蓄电池进行补充充电即可重新投入使用。

2）若是因蓄电池容器底部沉积物太多造成的极板短路（充电时电解液往往会呈现褐色），则应倾出全部电解液，并用蒸馏水将壳体内部冲洗干净后重新加注电解液，再将蓄电池充足电。

3）若蓄电池自放电是电解液不纯造成的，则应先将蓄电池全放电或过度放电后将电解液全部倾出，再用蒸馏水冲洗壳体内部，然后加注合格的电解液并将蓄电池充足电。

3．活性物质早期脱落

活性物质早期脱落是指因使用不当而造成蓄电池极板上的活性物质有大量的脱落。

（1）故障现象 充电时电解液会成为混浊褐色溶液，充电电压上升过快，电解液过早出现“沸腾”现象，而其密度达不到规定的最大值；放电时电压下降过快，容量明显不足。

（2）故障原因 蓄电池在使用中造成极板活性物质容易脱落的原因有如下几种。

1）充电电流过大或长时间过充电，使大量的水被电解，产生的气体在极板孔隙内产生压力，造成活性物质脱落。大电流充电还易使电解液温度过高，造成极板变形而使活性物质脱落，而过量的充电，还会使栅架过分氧化，造成活性物质与栅架松散剥离。

2）长时间大电流放电，尤其是低温长时间大电流放电，生成的PbSO₄容易形成致密层，在充电时，PbO₂将会以树状的晶体生长，这种树状晶体很容易脱落。

3）过度放电，极板上PbSO₄太多而使其体积膨胀，对活性物质产生挤压，造成活性物质脱落。

4）蓄电池极板组安装不良而松旷、蓄电池在车上安装不牢固，使极板组颠簸振动加剧，造成活性物质脱落。

5）冬季蓄电池放电后未及时充电，使电解液密度过低而结冰，对极板产生挤压而导致活性物质脱落。

（3）处理措施 活性物质脱落较少时，可以倾出全部电解液，用蒸馏水冲洗后重新加注电解液，充足电后继续使用。如果活性物质脱落过多，则需更换极板组或报废蓄电池。

4．其他故障

除了上述常见的故障外，蓄电池还会出现蓄电池外壳破裂、壳体盖封口胶脱裂、联条断裂、极板断裂或松动等故障，应根据实际情况采取适当的修补措施。

六、蓄电池的使用与维护

1．蓄电池的维护

蓄电池正确地使用与维护可提高蓄电池的容量，并可延长其使用寿命。在日常使用过程中，应注意做好如下维护工作。

（1）定期进行蓄电池的外观检查

1）检查蓄电池安装是否牢固，线夹与极桩的连接是否紧固，并及时清除线夹和极桩上的氧化物。表面涂上凡士林或润滑脂可防止极桩上的线夹氧化。

2）检查蓄电池盖表面是否清洁，应及时清除蓄电池盖表面的灰尘、油污、电解液等脏物。

3）检查加液孔盖通气小孔是否畅通，以防止小孔堵塞而引起蓄电池内部气体集聚而造成压力升高，挤裂壳体甚至产生爆炸事故。

（2）及时检查电解液的液面高度 电解液的液面一般应高出极板10～15mm，液面过低时应及时补充蒸馏水，不能加注电解液，以免导致电解液密度过高。只有在确认是电解液倾出或渗漏而使电解液不足时，才可加注相同密度的电解液。

（3）定期检查蓄电池的放电程度 用测量电解液密度或单体电池电压降的方法检查蓄电池的放电程度。如果放电程度冬季超过25%，夏季超过50%时，就应对蓄电池进行补充充电。

（4）定期对蓄电池进行补充充电 按时间强制性地对蓄电池进行补充充电，以保证蓄电池始终保持充足电状态，避免极板硫化。定期补充充电一般每月一次，城市公共汽车可短些，而长途运输汽车则可更长一些。

2．蓄电池技术状况检查方法

（1）电解液液面的检查 普通蓄电池应使用玻璃管检查各单体电池液面高度，如图1-11所示。采用透明耐酸塑料容器的蓄电池可从蓄电池容器侧面观察液面的高度，为观察方便，一些蓄电池容器侧面有液面高度指示线。有少数蓄电池可以从加液孔检查液面高度。

（2）放电程度的检查 用密度计测量电解液的密度得到蓄电池放电程度的估计值，如图1-12所示。一般密度每下降0.01g/cm³，相当于蓄电池放电6%。为确保测量结果准确，测量电解液密度时应注意：刚进行了大电流放电或刚加注了蒸馏水的蓄电池不可立即测量电解液的密度；在测密度时，还应同时测量电解液的温度，并把实测的密度值换算成25℃时的密度。

对于分体式容器盖的蓄电池，由于单体电池的极桩外露，还可以用高率放电计通过测量单体电池电压的方法来检验蓄电池的放电程度，并可检验单体电池是否有故障。高率放电计由一块量程为3V的电压表并接一个定值电阻构成，如图1-13所示。

高率放电计测量单体电池电压实际上是模拟起动机空载状态的电流负载来检查蓄电池的放电程度，所测得的单体电池电压与放电程度之间的关系见表1-3。测量时，将放电叉紧压在单体电池的极桩上，时间不超过5s。单体电池的电压在1.5V以上，并在5s内保持稳定，说明此单体电池良好；如果某一单体电池在5s内电压迅速下降或其电压低于其他单体0.1V以上，都说明此单体电池有故障。

（3）性能状态的测试对于整体式盖板的蓄电池，无法测得单体电池电压，通常是用能测端电压的高率放电计测出蓄电池大电流放电时的端电压来判断其性能状态。国际电池协会（BCI）规定，在常温下以1/2的额定冷起动电流值进行放电15s，如果蓄电池的电压在9.6V以下则为性能不良，该蓄电池需要更换。这种以放电时的端电压高低来估计蓄电池的容量，进而判断蓄电池的技术状态的测量方法最大的不足是，检测时如果蓄电池处于亏电状态，测得的放电电压就会偏低，这就容易对蓄电池的技术状态造成误判。

新的蓄电池技术状态测量是采用电导法，它是根据铅酸蓄电池的电导值与电池容量之间呈线性关系的特点，用电导仪测得蓄电池的电导值来判断蓄电池的技术状态。蓄电池电导的测量方法是，将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端，然后测量所产生的电流，交流电导值就是与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值。蓄电池电导值的变化实际上是反映了其内部极板表面活性物质化学反应能力的变化，由此可推断电池容量的变化。目前广泛使用的蓄电池性能测试仪就是用电导仪测得蓄电池电导值，并显示与电池完好时的标准电导值的比值。如果测得的电导值与标准电导值的差异大到一定程度（比值下降大于20%），就可以判定该电池需要更换了。

3．冬季使用注意事项

冬季气温低，蓄电池的容量降低、内阻增大且电解液有结冰的危险。电解液如果结冰，蓄电池就不能使用，并将导致极板活性物质脱落和容器破裂。因此，在冬季应注意如下事项。

1）适当调高电解液密度，电解液密度与冰点的关系见表1-4。进入冬季，应将电解液的密度调整至在该地区不会结冰的密度。

2）使蓄电池经常保持在充足电状态，因为蓄电池放电后其电解液密度降低，增大了结冰的危险。

3）在充电时加注蒸馏水，这样可使水很快与电解液混合，减少电解液结冰的危险性。

4）寒冷地区冬季在发动机冷起动时，应对蓄电池预热，以便提高蓄电池的容量、降低电阻，使起动容易。

七、蓄电池的充电

1．充电方法

蓄电池有不同的充电方法，在使用中可根据具体情况选择适当的充电方法。

（1）恒流充电 恒流充电是指充电过程中使充电电流保持不变的充电方法。当单体电池电压上升至2.4V，电解液开始有气泡冒出时，应将电流减半，直到完全充足为止。

采用恒流充电，不论6V或12V蓄电池均可串联在一起充电。串联充电的蓄电池如果其容量不一致，应以容量最小的蓄电池选择充电电流（1/15C₂₀～1/10 C₂₀），并且在小容量的蓄电池充足电后，随即将其摘除，其余未充足电的蓄电池则继续充电。

恒流充电具有较大的适应性，容易将蓄电池完全充足，有益于延长蓄电池的寿命。其缺点是为使充电电流保持不变，需经常调节充电电压。此外，其充电时间也较长。

（2）恒压充电 恒压充电是指充电过程中使充电电压保持不变的充电方法。由于充电电压为定值，故充电电流随蓄电池电动势的升高而逐渐减小。

适当的充电电压可使蓄电池在即将充足时其充电电流趋于0。充电电压过高会造成充电初期充电电流过大和过充电；充电电压过低则会使蓄电池充电不足。恒压充电一般以每单体电池2.5V确定充电电压，即蓄电池的充电电压应为（14.80±0.05）V（6个单体电池）或（7.40±0.05）V（3单体电池）。恒压充电时，应注意充电初期最大充电电流，若电流超过了0.3C₂₀（A）则应适当调低充电电压，待蓄电池电动势升高后再将充电电压调整到规定的值。

恒压充电的优点是充电时间短，充电过程无需调节电压，较适合于补充充电。缺点是蓄电池不容易完全充足，充电初期的大电流充电对极板会有不利的影响。

（3）脉冲快速充电 恒流充电和恒压充电均需要很长的时间，为满足使用要求，人们一直在研究快速充电的方法。有实际意义的快速充电不仅要缩短充电时间，并且要避免充电过程中电解液大量析气和温度过高，同时要有较高的充电效率。

1）快速充电的理论基础。快速充电需要研究和解决的关键问题是蓄电池充电可接受电流和充电极化问题。

①充电可接受电流与过充电问题。蓄电池的充电接受能力是指其电解液只产生微量析气的前提下所能够接受的最大充电电流。1967年，美国的麦斯（J.A.Mas）经过大量试验提出了蓄电池充电可接受电流定律：

I=I₀e^-at

式中 I——在充电过程中某一时刻蓄电池的充电可接受电流；

I₀——开始充电时蓄电池的充电可接受电流；

a——充电可接受电流衰减常数。

从充电可接受电流曲线（图1-14）可知，蓄电池在充电过程中，其充电可接受电流呈指数规律下降。在充电的任一时间里，只要充电电流大于当时的可接受电流，就会出现“过充电”的现象。缩短充电时间的有效方法是使充电电流尽可能接近可接受电流。

②充电极化问题。在充电过程中，蓄电池正负极板间电位差会高于其静止电动势（2.1V），这种现象称为极化。蓄电池充电时会有欧姆极化、浓差极化和电化学极化。减小或消除极化，可有效提高充电效率，缩短充电时间。

欧姆极化：充电电流流经蓄电池内阻造成的电压降，停止充电，欧姆极化即消失。

浓差极化：充电时极板孔隙内的电解液密度高于孔隙外的电解液密度，使得正负极板间电位差增大。停止充电，极板孔隙内外的电解液密度趋于一致时，浓差极化消失。

电化学极化：在充电终期水的电解过程中，H⁺在负极板处集聚所造成的附加电位差。充电终期的充电电流越大，电化学极化就越显著，最大可达0.33V。

2）脉冲快速充电方法。脉冲快速充电是利用蓄电池充电初期可接受大电流的特点，采用（0.8～1） C₂₀的大电流对蓄电池进行定流充电，使蓄电池在短时间内达到60%左右的容量；当单体电池电压达2.4V，电解液开始冒气泡时，则通过脉冲充电方法消除极化。脉冲快速充电的电流波形如图1-15所示。脉冲充电阶段控制方法是：先停止充电25ms左右，使欧姆极化消失，浓差极化也由于扩散作用而部分消失；接着再反充电，反充电的脉宽一般为150～1000μs，脉幅为1.5～3倍的充电电流，以消除电化学极化的电荷积累和极板孔隙中形成的气体，并进一步消除浓差极化；接着再停止充电25ms后进行正脉冲充电，周而复始。

脉冲充电的优点是可以缩短充电时间（初充电不超过5h，补充充电只需0.5～1.5h），空气污染小，省电。在蓄电池集中、充电频繁或应急部门使用脉冲快速充电，更能发挥其效率。脉冲充电的缺点是不能将蓄电池完全充足，且对蓄电池的寿命有不利影响。

2．充电的种类

蓄电池的充电有多种类型，各种充电通过不同的充电工艺达到不同的充电目的。

（1）初充电 对新蓄电池或修复后的蓄电池使用前的首次充电称为初充电，初充电一般采用定流充电，其充电工艺过程如下。

1）按地区季节配制好适当密度的电解液，并加注到蓄电池容器中。应注意：加注的电解液温度不得超过35℃；加注电解液后，静置3～6h，这期间因电解液渗入极板，液面会有所降低，应补充电解液，使液面高于极板10～15mm。

2）将同时充电的蓄电池串联连接后，接通充电电源，并将电流调整到规定的数值。第一阶段的充电电流为C₂₀/15，充电时间约需25～35h；待电压上升至2.4V，电解液开始有气泡冒出时，将充电电流减半继续充电；当充电至2h内充电电压变化不大于0.05V/h，电解液密度在某一最大值无明显变化，电解液呈现“沸腾”时，充电结束。这一阶段大约需时20～30h。

3）充足电静置2h后，再检测电解液的密度，如密度偏低可添加密度为1.4g/cm³的稀硫酸，如果过高可以添加蒸馏水，将密度调至规定的值。

在充电过程中随时检测电解液的温度，如果温度上升至40℃，应将电流减半。如果温度仍不降低，就应停止充电，待温度降至35℃以下后再继续充电。

（2）补充充电 使用中的蓄电池以恢复其全充电状态所进行的充电称之为补充充电。补充充电可采用定流充电，也可用定压充电。采用定流充电方法其充电过程与初充电的相似，但充电电流可大一些。第一阶段的充电电流为C₂₀/10，充电至单体电池电压达2.4V时电流减半，直至充足。如果采用定压充电，其补充充电工艺过程如下。

1）将需同时充电的蓄电池并联连接并接上充电电源。

2）将电压调至规定的值，观察充电电流，如果电流超过0.3C₂₀，应适当降低电压，待蓄电池电动势升高后再将电压调至规定的值。

3）充电终期，当充电电流在连续2h内变化不大于0.1A/h，电解液密度无明显变化时，则认为充电可以结束。

（3）锻炼循环充电 在汽车上，只要发动机开始工作，发电机就可对蓄电池进行充电，这使蓄电池只有一部分活性物质经常参与电化学反应。为防止那些长时间未能参加充放电化学反应的活性物质收缩，在相隔一段时间（一般为三个月左右）后，对蓄电池进行一次锻炼循环充电。方法是，按正常的充电工艺将蓄电池充足，然后以20h放电率将电放完，再将其充足。

（4）去硫化充电 对极板硫化不严重的蓄电池进行充电，旨在消除极板的硫化，其充电工艺过程如下。

1）倾出蓄电池电解液，并用蒸馏水冲洗两次，然后加注足量的蒸馏水。

2）接通电源，按1/30C₂₀的电流进行充电，当密度上升至1.15g/cm³时，倾出电解液，加注蒸馏水，再进行充电，如此反复，直至密度不再增大为止。

3）以10h放电率进行放电，当单体电池电压下降到1.7V时，停止放电，然后以初充电电流进行充电，接着再放电、再充电，直到容量达到80%C₂₀为止。

4）将电解液密度调整至规定的值。

（5）预防硫化与均衡充电 预防硫化充电以防止极板产生硫化为目的，均衡充电则主要是为了减少或消除蓄电池单体电池之间容量的差异，其充电方法则均是在蓄电池充足电后，以适当的小电流继续“过充电”一段时间。

3．充电注意事项

为防止充电时出现意外，在蓄电池充电时，应注意如下事项。

1）在室内充电时，室内应有通风设备，应打开加液孔盖，以使气体顺利排出。

2）充电室严禁用明火取暖。

3）充电时应先接好导线，再开电源开关；停止充电时则应先关断充电电源。

4）导线的连接务必可靠，以防突然断开产生电火花而造成火灾或爆炸事故。

5）充电设备不要与被充电蓄电池放置在同一个房间内，以避免从电解液中冒出的“酸气”腐蚀充电设备。

八、改进型铅酸蓄电池

普通的干封铅酸蓄电池在启用时需要通过初充电才能投入使用。改进型铅酸蓄电池在普通蓄电池的基础上，从结构、工艺和材料等方面进行改进，使蓄电池的使用性能得到了提高。

（1）干式荷电蓄电池 干式荷电蓄电池可在极板组干燥状态下较长时间保持制造中所得的电荷。制造中主要是对负极板采取了能提高活性物质化学稳定性的工艺措施，从而提高了极板的荷电性。

干式荷电蓄电池的优点是，在不加电解液的状态下，其存放期可长达两年。在存放期内启用，只需要注入规定密度的电解液至适当的高度，静置20～30min即可投入使用，无需初充电，因而方便了用户和应急使用。对于存放期超过两年的干式荷电蓄电池，因极板会有部分氧化，使用前应以补充充电电流充电5～10h。

（2）湿式荷电蓄电池 湿式荷电蓄电池可在极板呈湿润状态下保持其荷电性。湿式荷电蓄电池较之干式荷电蓄电池其工艺过程稍有些不同，存放保持荷电的时间也要短一些。

湿式荷电蓄电池在存放期（约6个月）内，加注标准密度的电解液至规定的高度即可使用，首次放电量可达到额定容量的80%。存放期在一年左右的湿式荷电蓄电池，在加注电解液后立即放电，可放出额定容量的50%。湿式荷电蓄电池如果在使用前对其进行补充充电，就可以释放出额定的容量。湿式荷电蓄电池适宜于无需长期存放的场合。

（3）胶体式蓄电池 胶体式蓄电池其电解液呈胶体状。胶体式蓄电池是在其电解液中渗入了硅酸溶胶，使得电解液成为胶体状。

胶体式蓄电池的优点是电解液不会溅出，在使用、维护、保管和运输过程中设备和人可免受被腐蚀的危险；使用中只需加蒸馏水，无需调整密度；胶状电解液可使极板活性物质不易脱落，可延长蓄电池的使用寿命约20%。胶体式蓄电池的缺点是胶体电解质的电阻较大，使蓄电池的内阻增大、容量降低；由于胶体电解质的均匀性相对较差，使极板各部位的电解质有差异而形成电位差，因此，自放电相对较大。

（4）免维护蓄电池 免维护蓄电池在其使用寿命期内无需进行日常维护。免维护蓄电池在结构、工艺和材料等方面均进行了改良，通常的措施如下。

1）加液盖通气孔采用安全通气装置（安全阀），用于阻止水蒸气和硫酸气体排出，以减少电解液的消耗，并可避免气体与外部火花接触而产生爆炸，也减小了极桩的腐蚀。有的免维护蓄电池在通气塞中装有催化剂钯，可帮助水解的氢氧离子结合成水后再回到蓄电池中去，以进一步减少电解液的消耗。

2）采用袋式微孔塑料隔板，将正极板包住，可以免去容器底部的凸肋，从而降低了极板组的高度，使极板上部的容积增大，增加了电解液的储存量。

3）极板栅架采用铅-钙-锡合金或低锑合金，可减少析气量，使电解液中水的消耗降低，并使自放电也大为减少。

免维护蓄电池在汽车使用过程中无需添加蒸馏水，蓄电池自放电小，仅为普通蓄电池的1/8～1/6，在使用期内一般无需进行补充充电；极桩腐蚀小或无腐蚀，使用寿命长，内阻小，起动性能好。

目前汽车上所使用的免维护蓄电池还未达到完全的无需维护，因此，在使用一段时间后（一般每年或行驶30000km）应对蓄电池进行一次检查和维护。检测的内容包括电解液的液面高度和密度、蓄电池的静止电动势等。如果液面过低，应补充蒸馏水；电解液密度过低，需对蓄电池进行补充充电。

对于全封闭式免维护蓄电池，由于无加液孔，不能用常规的方法来检查蓄电池电解液的液面和密度，但这种蓄电池一般在其内部装有一个小密度计，从其顶端的检视孔通过观察其颜色来判断蓄电池的技术状况。检视孔的颜色有如下三种情况。

1）绿色，表示蓄电池状况良好，可继续使用。

2）深绿色或黑色，表示电解液密度偏低，应对蓄电池进行补充充电。

3）浅黄色或无色，则表示电解液液面过低，蓄电池已不能继续使用。

免维护蓄电池从20世纪70年代后期进入国际市场以来，发展迅速，使用日趋普遍。随着免维护蓄电池其制造工艺难题的解决和成本的降低，必将取代普通的铅酸蓄电池。

第三节 交流发电机及调节器

一、交流发电机的原理

现代汽车普遍采用三相同步交流发电机，由硅二极管组成的三相桥式整流电路将发电机定子绕组所感应的交流电变为直流电输出，因此也被称之为硅整流发电机。

1．电动势的产生

三相同步交流发电机的工作原理如图1-16所示。发电机的转子为磁极，磁极绕组通过电刷和集电环引入直流电而产生磁场；发电机的定子为电枢，用于产生电动势，其三相电枢绕组按一定的规律分布在定子的槽中，使其产生的感应电动势彼此相差120°电角度。

当内部绕组通电的转子旋转时，就会形成一个旋转的磁场，使静止的电枢绕组因切割磁力线而产生感应电动势。由于磁极铁心的特殊设计使磁极磁场近似于正弦规律分布，因此三相电枢绕组产生的感应电动势按正弦规律变化：

式中 ω——电角速度（s^-1）；

E_ϕ——每相绕组电动势的有效值（V）；

t——时间（s）。

分别有如下关系式：

E_ϕ=4.44 KfNΦ_m

式中 f——交流电动势的频率f（Hz）；

p——磁极对数；

n——发电机的转速（r/min）；

K——绕组系数，采用整距集中绕组时，K=1；

N——每相绕组匝数；

Ф_m——每极磁通的幅值（Wb）。

2．整流原理

交流发电机通过6只二极管组成的三相桥式整流电路将电枢绕组产生的三相交流电动势转变为直流输出，其工作原理如图1-17所示。

（1）二极管的整流原理由于二极管的单向导电性，负极连接在一起的VD₁、VD₃、VD₅在任一瞬时只能是正极电位最高的那只二极管导通，因为该二极管导通后，就使另两只二极管的负极电位高于正极而不能导通；正极连接在一起的VD₂、VD₄、VD₆在任一瞬时则只能是负极电位最低的那只二极管导通，因为该二极管导通后，就使另两只二极管的正极电位低于负极而不能导通。比如，在t₁～t₂时间内，A相电压最高，B相电压最低，VD₁、VD₄导通，电流从“+”端流出、“-”端流入；而在t₂～t₃时间内，A相电压最高，C相电压最低，VD₁、VD₆导通，电流仍然从“+”端流出、“-”端流入。于是，6只二极管组成的三相桥式整流电路就将电枢绕组的交流电（图1-17b）变成了直流电（图1-17c）。

（2）发电机的端电压 从二极管导通情况可知，在任一瞬时，负载上的电压为某两相电动势之和（线电压），交流发电机输出电压的平均值为：

U=1.35U_L=2.34U_ϕ（星形联结）

U=1.35 U_ϕ（三角形联结）

式中 U_L——三相绕组的线电压有效值；

U_ϕ——三相绕组的相电压有效值。

（3）发电机的中性点电压 一些发电机有一个中性点接线柱（N接柱），用于控制磁场继电器、充电指示灯继电器等。N接柱连接三相绕组的中性点（图1-18），其对地电压称之为发电机的中性点电压，由VD₂、VD₄、VD₆组成的半波整流得到，数值上，发电机的中性点电压是端电压的一半。

3．励磁方式

发电机与蓄电池并联相接，发电机的磁场绕组通过调节器与发电机电枢接柱连接（图1-19）。在发电机的电压还低于蓄电池电压时，调节器B、F接柱处于通路状态，由蓄电池提供励磁电流（他励）。由于在发电机建立电压之前，发电机磁场绕组就有稳定的励磁电流，磁极的磁场较强，因而可迅速建立电压。当发电机的电压高于蓄电池电压时，由发电机电枢向磁场绕组提供励磁电流（自励）。这时，调节器根据发电机电压的波动自动调节励磁电流，以稳定发电机电压。

交流发电机的发电原理：转子绕组通过电刷和集电环引入直流电而形成旋转磁场，定子绕组切割磁力线产生三相交流电动势，由整流器将电枢绕组的交流电转为直流电输出。

二、交流发电机的结构

交流发电机的基本组成部件是转子（磁极）、定子（电枢）和整流器，其结构如图1-20、图1-21所示。

1．转子

交流发电机转子的组成如图1-22所示。两块爪极压装在转子轴上，爪极的空腔内装有磁轭并绕有磁场绕组，磁场绕组的两引出线分别焊接在两个与转子轴绝缘的集电环上。磁场绕组通过与集电环接触的两个电刷引入直流电而产生磁场，并将两块爪极磁化，其中一块被磁化为N极，另一块为S极，使整个转子形成4～8对磁极。国产交流发电机多为6对磁极。

将转子爪极设计成鸟嘴形是为了使磁场呈正弦分布，以使电枢绕组产生的感应电动势有较好的正弦波形。

2．定子

交流发电机的定子是发电机的电枢部分，由定子铁心和对称的三相电枢绕组组成。定子铁心由内圆带槽的环状硅钢片叠成，各硅钢片之间互相绝缘。定子槽内置有三相电枢绕组，为保证电枢三相绕组产生大小相等、相位差120°（电角度）的对称电动势，三相绕组的绕制遵循了以下原则。

1）每相绕组的线圈个数和每个线圈的匝数应完全相等。

2）每个线圈的节距必须相同。

3）三相绕组的起端A、B、C在定子槽内的排列必须相隔120°（电角度）。

定子绕组的绕制一例如图1-23所示。图中A、B、C是三相绕组的始端，X、Y、Z是三绕组的末端，三相电枢绕组的连接方式如图1-24所示。汽车用交流发电机多为星形联结，但也有少数采用三角形联结方式。

3．整流器

整流器6只硅二极管的安装与连接方式如图1-25所示。二极管的引线为二极管的一极，其壳体部分为二极管的另一极。三只壳体为正极的硅二极管压装在后端盖（或与外壳相连接的散热板）上，这三只二极管的引线为二极管的负极，称之为负极管；三只壳体为负极的硅二极管压装在与外壳绝缘的散热板上，这三只硅二极管的引线端为二极管的正极，称之为正极管。三只正极管和三只负极管的引线端通过三个接线柱一一对应连接，并分别连接三相绕组的A、B、C端，就组成了三相桥式全波整流电路。

固定在绝缘散热板上的螺栓伸出发电机壳体外部，作为发电机的输出接柱，该接柱为发电机的正极，该接柱（称之为电枢接柱）的标记为“B”或“+”“电枢”等。

4．端盖及电刷组件

交流发电机的前后端盖由铝合金铸成，铝合金为非导磁材料，可减少漏磁，并具有重量轻、散热性好的优点。

在后端盖内装有电刷组件，电刷组件包括电刷、电刷架和电刷弹簧。电刷架有两种形式，一种是从发电机的外部拆下电刷弹簧盖板即可拆下电刷（图1-26a），另一种则需拆开发电机后才能拆下电刷（图1-26b）。电刷通过弹簧与转子轴上的集电环保持接触。

交流发电机有内搭铁和外搭铁之分。内搭铁发电机一个电刷的引线连接于与端盖绝缘的磁场接柱（标“F”或“磁场”）上，另一个电刷的引线与发电机外壳相接；外搭铁发电机的两个电刷通过引线均与绝缘接线柱（标“F+”“F-”或“F₁”“F₂”）相连，磁场绕组需经“F-”或“F₂”接线柱和外接电路与搭铁相连接。

交流发电机的带轮上有风扇叶片，用于对发电机进行强制通风散热（图1-27a）。为提高发电机的效率、减小发电机的体积，有的发电机风扇叶片设在其转子上（图1-27b）。

5．交流发电机的型号

根据QC/T 73—1993《汽车电气设备产品型号编制方法》的规定，汽车交流发电机的型号由五部分组成：

第一部分为产品代号，由字母表示，如JF、JFZ、JFB、JFW分别表示普通交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机和无刷交流发电机。

第二部分为电压等级代号，用一位阿拉伯数字表示：1—12V、2—24V、6—6V。

第三部分为电流等级代号，用一位阿拉伯数字表示，各代号表示的电流等级见表1-5。

第四部分为设计序号，用一位阿拉伯数字表示产品的顺序。

第五部分为变形代号，用字母表示，交流发电机是以调整臂的位置作为变形代号的。从驱动端看，Y—右边、Z—左边，无字母则表示在中间位置。

三、交流发电机的工作特性

汽车用交流发电机工作时的转速变化范围大，其输出电流不稳定。了解交流发电机的相关工作特性，有助于正确地使用与维护发电机。

1．空载特性

交流发电机的空载特性是指发电机不对外输出电流（I_L=0）时，发电机端电压与发电机转速之间的关系[U=f（n）曲线]，如图1-28所示。

从发电机的空载特性曲线的上升速率和达到蓄电池电压的转速高低，可判断发电机的性能是否良好。

2．外特性

外特性是指发电机转速一定（n=C）时，发电机端电压与输出电流之间的关系[U=f（I）曲线]，如图1-29所示。

交流发电机的端电压与电动势及输出电流的关系为

U=E-R_ZI

式中 E——交流发电机等效电动势；

R_Z——发电机等效内阻，包括发电机电枢绕组的阻抗和整流二极管的正向导通电阻；

I——发电机的输出电流。

发电机在某一稳定的转速下的R_Z为一定值，如果E是稳定的，则发电机的端电压U将随输出电流增大而直线下降。但实际上当发电机有输出电流后，其E也会下降ΔE，ΔE随其输出电流I的增大而增大。造成发电机电动势E下降的原因有二。

一是发电机的电枢反应削弱了磁极磁场。电枢反应是指电枢电流产生的磁场对磁极磁场的影响。当发电机有输出电流时，电枢电流产生的磁场会削弱和扭斜磁极磁场，从而引起电枢绕组电动势下降。随着发电机输出电流的增大，电枢反应的影响也随之增大，发电机电动势下降也越多。

二是励磁电流减小使磁极磁场减弱了。发电机端电压下降后，发电机的励磁电流就会相应减小，磁极产生的磁场减弱。发电机输出电流越大，其端电压越低，磁极磁场就越弱，发电机电动势的下降也就越多。当发电机的端电压下降至临界点后，继续增大发电机负载（减小负载电阻），由于此时励磁电流对磁极磁场的影响较大（已远离磁极饱和区），使得E（U）下降比负载电阻的减小更快，因此发电机输出电流I随负载电阻的减小不升反降。

从交流发电机的外特性可知，随着发电机输出电流的增加，其端电压下降较快。因此，在发电机高速运转时，如果突然失去负载，则会使发电机的电压突然升高而对汽车上的电子元器件造成损害。

3．输出特性

输出特性是指保持发电机的端电压不变（U=U_e）时，发电机的输出电流与发电机转速之间的关系[I= f（n）曲线]，如图1-30所示。

发电机的空载转速 n₁是指 I=0、U=U_e（额定电压）时的发电机转速；发电机的满载转速n₂是指U=U_e、I=I_e（额定电流）时的发电机转速。

n₁和n₂是判断发电机性能良好与否的重要参数，被测发电机实际测得的n₁和n₂如果低于规定值，则说明该发电机的性能良好。

从交流发电机的输出特性可知，当发电机转速达一定值后，发电机的输出电流就不再随转速的增加而上升（具有自动限流作用），其原因有两个方面：一是发电机电枢绕组的感抗作用，当发电机的转速很高时，电动势的交变频率很高，电枢绕组的感抗作用大，增大了发电机的内压降；二是交流发电机电枢反应的影响较大，当发电机的输出电流增大时，电枢反应的增强使发电机的电动势下降。

交流发电机的这种自动限流作用使得发电机具有自我保护能力。

四、交流发电机调节器的作用与原理

1．交流发电机调节器的作用

从发电机各电枢绕组电动势与发电机的转速和磁极的磁通关系可推出：

E=C_eϕn

式中 E——交流发电机的等效电动势；

C_e——交流发电机的结构常数；

ϕ——交流发电机磁极磁通；

n——交流发电机的转速。

忽略发电机内阻电压降，就有

U≈E=C_eϕn

汽车用交流发电机工作时其转速很不稳定且变化范围很大，若对发电机不加以调节，其端电压将随发动机转速的变化而变化，这与汽车用电设备电压需稳定的要求不相适应。因此，发电机必须要有一个自动的电压调节装置。

交流发电机调节器的作用就是当发动机转速变化时，通过对发电机磁极绕组励磁电流的调节来改变磁通量，使发电机的电压保持稳定，以满足汽车用电设备的要求。

2．调节器的基本原理

（1）调节器的工作方式 发电机电压调节器串联于发电机的励磁电路中（图1-31a）。当发电机工作在某一转速下，其电压可达到设定的上限值U₂时，调节器便会起作用，通过降低或切断磁场绕组的励磁电流I_f，以迅速减小磁极的磁通量而使发电机电压下降；当发电机电压下降至设定的下限值U₁时，调节器又动作，使I_f增大，磁通量增大，发电机电压又上升；当发电机的电压上升至U₂时又重复上述过程。于是，发电机的电压在设定的范围内波动，得到一个稳定的平均电压U_e（图1-31b）。

（2）调节器的稳压原理 发电机转速不同时，磁场加强后发电机电压的上升速率和磁场减弱后的发电机电压的下降速率均不同，不同转速下发电机上升及下降的变化情况如图1-32所示。

由图1-32可知，发电机的转速升高时，发电机电压的上升速率增大而使发电机电压达到U₂的时间t_b缩短，发电机电压下降速率减小而使发电机电压降至U₁的时间t_k延长。于是，随着发电机转速的上升，调节器的动作使励磁电流大的相对时间减少，而使励磁电流小或无的相对时间增加，使得发电机的平均励磁电流随发电机转速的上升而减小，其磁极磁场减弱，从而使发电机的平均电压保持不变（图1-33）。

五、触点式调节器

1．触点式调节器的基本工作原理

触点式调节器通过电磁线圈控制触点开闭的方式来控制磁场绕组的励磁电流，以实现对发电机电压的调节。因此，这种触点式调节器也被称为电磁振动式调节器。单触点式电压调节器的原理如图1-34所示。

调节器触点在其弹簧力的作用下保持闭合，发电机的电压加在调节器的电磁线圈上。当发电机转速在调节器起作用的范围内，且发电机的电压达到上限电压 U₂时，调节器电磁线圈产生的磁力使触点K断开， R_tj串入励磁回路，励磁电流减小，磁极磁通量减小，使发电机的电动势及端电压迅速下降；当发电机电压下降至下限电压U₁时，电磁线圈的磁力减弱，触点K又在弹簧力的作用下闭合；K闭合后，R_tj被短路，励磁电流增大，磁极磁通量又增大，发电机电压又随之上升；当发电机电压上升至U₂时，触点又被打开。触点如此不断地振动，使发电机电压在U₁～U₂范围内波动，得到一个稳定的电压调节值U_e。

根据力矩平衡原理可以得到调节器调节电压U_e的关系式：

式中 C——调节器结构常数；

δ——触点衔铁与铁心间的气隙（mm）；

R_x——电磁线圈的电阻（Ω）；

W_x——电磁线圈的匝数（匝）；

F——触点弹簧的拉力（N）。

2．普通单触点调节器的问题

（1）调节器工作范围与触点火花问题 从图1-33可知，n₁～n_max为调节器的调节范围。n_max时的励磁电流的关系式为

式中 R_f——磁场绕组的电阻（Ω）。

从上式可看出，触点式调节器的调节范围与调节电阻R_tj直接相关。增大R_tj，I_min减小，就可使n_max增大。要使调节器的工作范围能适应交流发电机转速变化的需要，就应增大R_tj。但增大R_tj后会使触点火花增大，因为触点断开时产生的火花取决于触点断开功率P_K，而P_K与触点断开时的电流I_K和R_tj相关。I_K、R_tj越大，触点火花也越大。但是通过减小I_K或R_tj来减小触点火花又是不现实的，因为减小R_tj会使调节器的调节范围达不到要求，而减小I_K又必须以增加发电机的磁极尺寸及重量为代价。

到目前为止，触点式电压调节器解决触点火花与调节范围之间矛盾的办法是采用双触点或单触点加灭弧电路。

（2）触点振动频率过低问题 由于触点部分有机械惯性及电磁线圈的磁滞性，使触点的振动频率过低，导致电压脉动频率过低而影响用电设备的正常使用。解决触点振动频率过低问题从两方面入手。

1）减小机械惯性，即采用薄而轻的衔铁，并将其一端做成三角形或半圆形，以使重心靠近支点而减小转动惯量。

2）减小电磁线圈的磁滞性，在电路中增设一加速电阻R_js以加速退磁（图1-35），使加在电磁线圈上的电压U_x成为发电机的端电压减去加速电阻上的电压降（U_x=U-I_jsR_js）。这样，在触点闭合时， I_js就是通过电磁线圈的电流I_x，电磁线圈的电阻较大，I_x很小，因而加速电阻电压降I_xR_js很小，此时电磁线圈上的电压近似于发电机端电压（U_x≈U）；而当触点断开时，磁场绕组的励磁电流I_f也通过R_js，由于磁场绕组的自感作用而使I_f不能突变，在触点断开瞬间的I_f比I_x要大很多，因而使加速电阻R_js上的电压降突然增大，加在电磁线圈上的电压迅速下降，使电磁线圈迅速退磁，触点迅速闭合，从而加快了触点的振动频率。

（3）温度变化对调节电压的影响问题 当温度升高时，电磁线圈的电阻会随之增大，在相同的电压下其磁化电流减小，磁力减弱，因此需要比温度低时更高的电压才能吸动触点，使得调节电压U_e会随温度的上升而升高。通常采用温度补偿电阻和利用磁分路的方法解决温度变化对U_e的影响（图1-36）。

1）采用温度补偿电阻，就是用电阻温度系数仅为铜丝1/800的康铜丝构成电磁线圈的一部分或制成电阻R_t串接于电磁线圈电路中，以使电磁线圈总电阻受温度的影响减小。

2）利用磁分路，在铁心与磁轭之间加一磁阻随温度上升而增大的磁分路片，当温度上升时，由于磁分路片磁阻增大，经磁分路的磁通量相对减弱，而使通过气隙δ的磁通量相对加强，这样就弥补了电磁线圈电流减小所带来的影响。

触点式调节器的基本原理：发电机电压施加于调节器电磁线圈，使其按发电机电压的高低变化产生相应的电磁力，控制触点张开或闭合，以改变发电机的励磁电流，使发电机的电压在设定的范围内波动。

六、电子调节器

触点式调节器工作时会产生触点火花，使得其触点容易烧蚀，因而其故障率高，工作可靠性较差；触点在振动中产生的电火花还会对周围的无线电造成干扰。此外，触点式调节器其结构复杂，触点的振动频率低。电子调节器可避免触点式调节器的不足，因而在现代汽车上已逐渐取代了触点式调节器。

1．电子调节器的基本原理

（1）电子调节器的基本电路及工作原理 电子调节器是利用晶体管的开关特性，通过改变晶体管饱和导通和截止相对时间来调节发电机的励磁电流，其电压调节的基本电路如图1-37所示。

发电机电压通过R₁、R₂组成的分压器，将成一定比例的部分电压加于稳压管VS；使VS由发电机的电压控制其导通或截止；VT₁为小功率晶体管，起放大作用，VT₁的导通或截止由VS控制；大功率晶体管VT₂用于控制励磁电流，VT₂饱和导通时，发电机磁场绕组励磁回路通路，VT₂截止时，励磁回路则断路。电路参数的设置使VT₁、VT₂均工作在开关状态。

在发电机电压达到调节电压以前，R₁的分压低于VS的导通电压，VS不导通，VT₁也不导通；VT₁截止时，VT₂的基极电位很低，使VT₂有足够高的正向偏压而饱和导通，发电机励磁回路通路。当发电机的电压上升至设定的调节电压时，R₁的分压使VS导通，VT₁同时饱和导通；VT₁饱和导通后，VT₂失去正向偏压而截止，发电机励磁回路断路。发电机无励磁电流时，其电动势及端电压迅速下降，当降到R₁上的分压不足以维持VS导通时，VS又截止，VT₁也截止，又使VT₂导通，发电机励磁回路又通路。如此反复，使发电机的电压维持在设定的调节电压值。

当发电机的转速上升时，发电机电压上升的速率增大，下降速率减小，使调节器中VT₂的截止时间相对增加，发电机的平均励磁电流减小，从而使发电机的电压保持稳定。

相比于触点式调节器，电子调节器用稳压管“感受”发电机的电压，控制晶体管的导通和截止，由晶体管的导通或截止通断发电机的励磁电流，使发电机的电压在设定的范围内波动。

（2）基本电路的不足及改善措施 基本电路不能满足调节器工作的需要，实际电子调节器还设有其他的电子元件和电路，用以弥补基本电路的不足。实际电子电压调节器电路一例如图1-38所示。

1）晶体管的开关频率过高（图1-39a），使晶体管处在截止与饱和导通之间的时间较长，晶体管集电极耗散功率（P_C=I_CU_C）过大，这会使晶体管容易过热而烧坏。R₂并联电容C₁，利用电容的充、放电时间，使稳压管VS₁的导通和截止变得迟缓，从而降低了晶体管的开关频率（图1-39b）；加R₄C₂正反馈电路，用以加速晶体管导通和截止的变化过程（图1-39c）。电容C₁和正反馈电路R₄C₂减小了晶体管的功率消耗，使晶体管不易过热烧坏。

2）开关晶体管截止时，磁场绕组所产生的自感电动势容易损坏晶体管和稳压管等电子元件。加续流二极管VD₄，当开关晶体管截止时，磁场绕组产生的自感电动势经VD₄形成通路，从而保护了调节器中的电子元件。

3）汽车电源如果产生反向瞬变电压，就很容易造成调节器电子元件损坏。加VD₃后，反向瞬变电压通过VD₃形成通路，输入的反向电压只是VD₃的正向导通电压，从而防止了电源反向瞬变电压对调节器电子元件造成损害。

4）稳压管的导通电压会随着温度的上升而增高，导致发电机的调节电压随之增高。加温度系数为负的VD₂，用作温度补偿，以使发电机的调节电压不随温度而变。

5）VT₁饱和导通时，实际的导通电压不为0时，就有可能导致VT₂不能可靠截止。加VD₅后，由于其分压作用，使得VT₁饱和导通时VT₂能可靠截止。

6）VT₃需要通过较大的励磁电流，加VT₂用于电流放大，以使VT₃能控制励磁电流。

2．晶体管电压调节器

所谓晶体管电压调节器是指由分立电子元件焊接于印制电路板而制成的电子调节器，印制电路板被固定在冲制的铁盒或铝盒内，有的在盒内还加注硅橡胶等，以利于元件的固定和晶体管的散热。晶体管调节器示例如下。

（1）JFT126、JFT246型晶体管调节器 JFT126、JFT246型晶体管调节器的电路板固定在钢板冲制的盒内，内部充满了107硅橡胶，其电路如图1-40所示。

VT₃为低频大功率硅管，与VT₂组成复合管，其电路原理参见前面的有关叙述。JFT126、JFT246型及它们的一些变型晶体管调节器的电路结构相同，只是部分元件的参数有所不同，以适用于不同功率、不同型号的内搭铁式交流发电机。

（2）JFT106型晶体管调节器 JFT106型晶体管调节器电路板封装于铝合金壳体内，适用于外搭铁型交流发电机，其电路如图1-41所示。

稳压管VS不仅可通过其正向导通特性来吸收电源的反向瞬变电压，还可利用其稳压特性吸收由于负载电流突然减小、蓄电池连接突然断开等原因造成的正向瞬变过电压，以保护调节器的电子元件。电路中与R₂并联的R₃、与C₁并联的C₂用与对电阻、电容参数的设定和调整，其他元件的作用及电路原理如前面所述。

3．集成电路电压调节器

所谓集成电路电压调节器是指用若干电子元件集成在基片上，用具有发电机电压调节全部或部分功能的芯片所构成的电子调节器。相比于晶体管调节器，集成电路调节器的结构紧凑、体积小、电压调节精度高、故障率低。集成电路电压调节器多装于发电机的内部，这种发电机被称之为整体式发电机。

集成电路电压调节器根据电压信号输入的方式不同，可分为发电机电压检测方式和蓄电池电压检测方式两种类型，如图1-42所示。

（1）发电机电压检测方式 发电机电压检测方式的集成电路调节器其发电机电压的采样点是发电机的输出端。这种检测方式电路连接简单，但缺点是当发电机与蓄电池之间的连接电路因接触不良而有较大电压降时，就会引起蓄电池端的电压偏低而导致充电不足。

（2）蓄电池电压检测方式 蓄电池电压检测方式的集成电路调节器其发电机电压的采样点在蓄电池端。这种检测方式避免了发电机电压检测方式的缺点，但需要多一根连接蓄电池和调节器的导线，而且当此导线连接不良或断路时，会造成发电机电压过高或失控，因此，采用蓄电池电压检测方式的整体式发电机通常在电路中应采取相应的措施以弥补这一缺陷。

图1-42中VD_H和VD_L实际电路如图1-43所示。VD_H是由VD₁～VD₆组成的三相桥式整流电路组成的，其输出直流电压 U_B向用电设备供电和向蓄电池充电。VD_L是指由VD₇、VD₈、VD₉与VD₂、VD₄、VD₆组成的三相桥式整流电路，其整流原理及电压与VD_H相同，U_D用于向磁场绕组提供励磁电流。增设VD₇、VD₈、VD₉的发电机称之为九管交流发电机。

七、发电机充电指示灯控制电路

现代汽车仪表板上均设有充电指示灯，在接通点火开关时，充电指示灯亮起，指示点火开关处于接通状态；当发动机起动后，发电机正常发电时，充电指示灯则熄灭，指示充电系统工作正常。如果发动机在运转时充电指示灯亮起，则指示充电电路有故障。

根据发电机及所配调节器结构形式的不同，充电指示灯的控制电路有多种形式。现举例说明几种典型的充电指示灯控制电路。

1．发电机中性点电压继电器控制方式

用发电机中性点电压控制的充电指示灯继电器的充电指示灯控制电路一例如图1-44所示。

接通点火开关而未起动时，充电指示灯电路通路（蓄电池正极→电流表→点火开关→充电指示灯→K₂→搭铁），充电指示灯亮。当起动发动机，发电机正常工作时，发电机的中性点电压加在线圈L₂上，产生的磁力使K₂断开，充电指示灯熄灭。

2．发电机端电压继电器控制方式

充电指示灯继电器线圈由发电机端电压控制，电路原理如图1-45所示。

发电机为九管整流型，充电指示灯继电器触点K为常开，继电器线圈受发电机端电压控制。当接通点火开关而未起动时，调节器内的开关晶体管处于导通状态，充电指示灯继电器线圈通路（蓄电池正极→点火开关→L→VD→磁场绕组→调节器→搭铁），L产生磁力将充电指示灯继电器触点K吸合，充电指示灯亮。起动发动机后，发电机正常工作时，D点的正常的输出电压高于蓄电池电压，使L断电，K断开，充电指示灯熄灭。

3．发电机端电压直接控制方式

许多汽车的充电电路中，充电指示灯控制电路不用继电器，直接通过发电机的端电压控制充电指示灯。

（1）九管整流控制方式将充电指示灯连接在发电机的B、D两端，其电路原理如图1-46所示。

当接通点火开关而未起动时，调节器B、F处于通路状态，充电指示灯电路通路（蓄电池正极→点火开关→调节器→磁场绕组→搭铁），充电指示灯亮。当发动机起动后，发电机正常工作时，B、D两点的电位升高而使充电指示灯两端的电压下降为0，充电指示灯熄灭。

九管整流发电机端电压控制方式是目前汽车上最为常见的充电指示灯控制方式。对于整体式发电机，由于调节器在发电机内部，故而发电机外部无需连接调节器的线路，发电机上只有电枢接线柱B和连接充电指示灯的接线柱D。

（2）六管整流控制方式 在充电指示灯控制电路中增设了一个二极管VD，电路原理如图1-47所示。

接通点火开关但未起动时，蓄电池电压使VD反向截止，由蓄电池提供的励磁电流通过充电指示灯，指示灯亮起。当发电机正常工作时，发电机的端电压高于蓄电池电压，VD导通，充电指示灯被短路而熄灭。

八、交流发电机及调节器的检修

1．交流发电机的检修

交流发电机不发电或发电机不良的可能故障原因如下。

1）整流二极管烧坏而使发电机电压过低，造成充电电流过小或不充电。

2）发电机磁场绕组或电枢绕组有短路、断路或搭铁而使发电机发电电压过低或不发电。

3）电刷与集电环接触不良而使磁场绕组励磁电流过小或无励磁电流，造成发电机电压过低或不发电。

（1）交流发电机解体前的检查 在发电机解体前，通过检测发电机各接线柱之间的电阻或检测发电机输出电压波形，以确定发电机是否有故障和故障的大致部位。

1）检测交流发电机各接线柱之间的电阻。根据所测得的电阻值正常与否来判断连接两接线柱之间部件和电路是否有故障。内搭铁发电机（JF132）和外搭铁发电机（JF1522A）检测的接线柱之间的电阻参数及测量不正常时的可能故障见表1-6。

2）检测交流发电机输出电压波形。当发电机内部的二极管或电枢绕组有断路或短路时，发电机的输出电压波形就会异常，因此，可根据示波器显示的发电机输出电压波形判断发电机内部是否有故障。各种故障时输出的电压波形如图1-48所示。

3）交流发电机的试验。在专用试验台上测出发电机的空载转速和满载转速，用以判断发电机性能的好坏，测试电路如图1-49所示。

①空载试验。将发电机固定于试验台架并按图1-49接线，然后闭合S₁，开动驱动电动机并慢慢调速，使发电机转速逐渐升高，待发电机的电压开始上升时，断开S₁，并继续慢慢提高发电机的转速。当电压升至额定电压时，发电机的转速即为空载转速。

②负载试验。测得空载转速后，接通S₂，在逐渐增大负载的同时，提高发电机的转速，以保持电压稳定在额定值。当电流达到额定值时，发电机的转速即为满载转速。

如果测得空载转速和满载转速过高，或在规定空载转速下达不到额定电压、规定满载转速下达不到额定电流，则说明发电机有故障。部分国产交流发电机的额定参数见表1-7。

（2）交流发电机解体后的检修 当确认发电机有故障或发电机性能不良时，需要解体发电机，对有关部件进行检修。

1）整流二极管的检测。拆开电枢绕组与整流二极管的连接后，可用万用表测量每个二极管的正、反向电阻（图1-50）。二极管的正向电阻一般在8～10Ω之间（R×1Ω档），反向电阻则在10～50kΩ范围内。如果测量某二极管的电阻值不正常，则需更换该二极管。

2）磁场绕组的检测。用万用表测量两集电环之间的电阻，如果电阻值与规定的磁场绕组电阻值不相符，则说明磁场绕组有短路（电阻值过小）或断路（电阻无穷大）。用万用表测量集电环与转子铁心（或转子轴）之间的电阻，如果电阻值不为无穷大，则说明磁场绕组绝缘不良或已搭铁。磁场绕组有短路、断路或搭铁，均需重新绕制磁场绕组或更换转子总成。

3）电枢绕组的检测。用万用表测量电枢绕组三个引线之间的电阻，如果电阻值无穷大，则说明电枢绕组断路；测量电枢绕组引线与铁心之间的电阻，如果电阻不为无穷大，则说明电枢绕组绝缘不良或已搭铁。电枢绕组有断路或搭铁，均需重新绕制磁场绕组或更换定子总成。

4）电刷与轴承的检修。检查电刷与轴承的磨损情况、电刷弹簧的弹力，若电刷磨损量超过限值、电刷弹簧失效或轴承有明显松旷等，应予以更换。

2．调节器的检修

（1）电子调节器的常见故障及影响 交流发电机电子调节器的常见故障及影响见表1-8。

（2）电子调节器的检修电子调节器可通过一个可调的直流电源（输出电压0～30V，输出电流3A）和一个测试灯泡（12V或24V，20W）对其进行检验，检测电路如图1-51所示。检测方法如下。

接通开关S，然后逐渐提高直流电源电压。如果测试灯2亮起并随着电源电压的升高亮度增强，而当电压上升至调节器的调节电压值（14V调节器为13.5～14.5V，28V调节器为27～29V）或略高于调节电压值时，测试灯熄灭，则说明调节器能正常起调节作用；如果测试灯不熄灭，或一直不亮，均说明调节器有故障，应予以更换。

九、其他类型的发电机

1．无刷交流发电机

普通交流发电机需要通过电刷与集电环将励磁电流导入旋转的磁场绕组，工作中如果电刷过度磨损、电刷在电刷架中卡滞、电刷弹簧失效、集电环脏污，都会引起电刷与集电环接触不良而使发电机不发电或发电不良。无刷交流发电机则可避免普通交流发电机的这一缺陷，并在一些汽车上得到了应用。目前，在汽车上使用的无刷交流发电机有爪极式、励磁机式、感应子式、永磁式等不同类型。

（1）爪极式无刷交流发电机 爪极式无刷交流发电机的磁场绕组通过一个磁轭托架固定在后端盖上，两个爪极只有一个直接固定在转子轴上，另一爪极通过非导磁连接环固定在前一爪极上，如图1-52所示。

转子转动时，固定在转子轴上的爪极带动另一爪极一起转动。当固定不动的磁场绕组通入直流电后，产生的磁场使爪极磁化，使一边的爪极为N极，另一边为S极，并经气隙和定子铁心形成闭合磁路。转子的转动使定子内形成交变的磁场，对称布置的三个电枢绕组便产生三相交流电动势，再经三相整流电路整流后输出直流电。

爪极式无刷交流发电机的主要缺点是磁轭托架与爪极和转子磁轭之间存在附加间隙，漏磁较多，因此要达到普通交流发电机同等输出功率，必须要增大磁场绕组的励磁能力。

（2）励磁机式无刷交流发电机 励磁机式无刷交流发电机由无刷普通交流发电机和励磁专用发电机所组成，如图1-53所示。励磁专用发电机（简称励磁机）的磁极为定子，电枢为转子。当发电机转动时，励磁机电枢转动，其三相绕组产生电动势，通过内部整流电路整流后，直接供给发电机转子内的磁场绕组励磁发电。

由于无附加气隙，励磁机式无刷交流发电机的输出功率较大，缺点是结构较为复杂。

（3）感应子式无刷交流发电机 感应子式无刷交流发电机的转子由齿轮状钢片叠成，磁场绕组和电枢绕组均安放在定子的槽内，如图1-54所示。当定子槽内的磁场绕组通入直流电后，在定子铁心中产生固定的磁场。由于转子有凸齿和凹槽，当转子转动时，转子与定子凸齿之间的气隙就会不断变化，使定子内的磁场呈脉动变化，电枢绕组便产生交变的感应电动势。

感应子式无刷交流发电机的缺点是比功率较低。

（4）永磁式无刷交流发电机 永磁式交流发电机的转子采用永久磁铁，常用的永磁材料有铁氧体、铬镍钴、稀土钴、钕铁硼等。采用钕铁硼永磁材料的永磁转子如图1-55所示。具有较高剩磁力和矫顽力的钕铁硼永磁体采用瓦片式结构，用环氧树脂粘在导磁轭上。

永磁式交流发电机的磁场强度是固定不变的，因此，不可能通过调节磁场绕组励磁电流的方法来稳定电压。永磁式交流发电机电压调节的电路原理如图1-56所示。

三只二极管VD₁、VD₂、VD₃与三只晶闸管VT₁、VT₂、VT₃组成了三相半控桥式整流电路，而VD₁～VD₆组成的三相桥式整流电路则向晶闸管控制极提供触发电压。电压调节器的触点K为常闭触点，其电磁线圈并接于发电机的输出端。电压调节原理如下。

电压调节器触点K闭合时，晶闸管控制极获得正向触发电压而导通，整流器向外输出三相全波整流电压。当发电机的整流电压上升至设定的上限值时，电压调节器电磁线圈的磁力使触点K断开，晶闸管因控制极失去正向触发电压而截止，发电机的电压随之迅速下降；当发电机电压下降至下限值时，电压调节器电磁线圈的磁力减弱，触点重新闭合，晶闸管又获得正向触发电压而导通，发电机端电压迅速上升。如此反复，发电机的输出电压在一定的范围内波动，使其平均电压保持稳定。

永磁式无刷交流发电机具有体积小、重量轻、维护方便、比功率大、低速充电性能好等优点，如果永磁材料的性能有更进一步的提高，永磁式无刷交流发电机将会有快速的发展。

2．高效型交流发电机

在交流发电机三相绕组的中性点与发电机的输出端及搭铁端连接两只二极管，利用中性点的谐波电压可提高发电机的输出功率。试验表明，加装中性点二极管后，发电机在高速（＞2000r/min）时发电机的输出功率可提高10%～15%。相比于普通的六管或九管硅整流发电机，加装两中性点二极管的八管或十一管硅整流发电机则为高效型发电机。通过中性点二极管提高发电机输出功率的原理如下。

星形联结的电枢绕组中性点平均电压是发电机端电压的1/2，实际上，中性点电压包含直流分量与交流分量。交流分量以平均电压为中心交变振荡，其振幅随发电机转速的上升而增大（图1-57）。发电机转速高于2000r/min时，中性点的瞬时峰值电压就可能高于发电机的输出电压。

当连接中性点二极管后（图1-58），中性点瞬时电压高于发电机输出电压 U_B时，VD₇导通，电流通路如图1-58a所示；中性点瞬时电压低于搭铁电位时，VD₈导通，电流通路如图1-58b所示。中性点二极管利用了中性点的瞬时峰值电压向外输出电流，从而提高了发电机的输出功率。

3．双整流型交流发电机

双整流型交流发电机是一种新型交流发电机，其电路原理如图1-59所示。双整流发电机是在普通交流发电机三相定子绕组基础上，增加绕组匝数并引出接线头，并增设一套三相桥式整流器。低速时由原绕组和增绕组串联输出，而在较高转速时，仅由原三相绕组输出。工作中高、低速供电电路的变换是自动完成的。

在低速范围内，由于发电机转速低，三相绕组的串联输出，提高了发电机的输出电压，使发电机低速充电性能大大提高。在高速范围内，随着发电机转速的升高，串接的三相绕组的感抗增大，内压降增大，再加上电枢反应加强，使输出电压下降。这时原三相绕组A、B、C因内压降较小，产生的感应电流相对较大，确保高速下的功率输出。

相比于普通的交流发电机，双整流型交流发电机的最低充电转速可降低200～300r/min，同时，又保证了高速时的大电流输出，提高了发电机的有效功率。双整流型交流发电机只是在定子槽中增加了绕组匝数，又增加了6个整流二极管，因此，结构并不复杂，工作可靠。

第四节 电源系统的使用

一、电源系统使用与维护操作注意事项

蓄电池、交流发电机及调节器若使用与维护时操作不当，不仅本身容易损坏而影响正常使用，还容易殃及汽车上的其他电子设备，甚至造成事故。因此，在日常使用与维修中，应注意避免不当的操作。

1．蓄电池使用与维护注意事项

1）蓄电池为负极搭铁，千万不能接错，否则，交流发电机整流二极管会被立即烧坏，并且还会对无反接保护的汽车电子设备造成损害。

2）拆卸蓄电池时，应先拆下负极电缆线夹，再拆正极电缆线夹，安装时则相反，以避免拆装过程拆装工具无意碰撞附近车体而产生碰撞火花（电源短路）。

3）注意检查蓄电池电缆线夹连接是否牢固，因为连接不牢容易出现如下问题：

①极桩与线夹松动而使接触表面氧化、脏污而接触不良，造成发动机不能起动或起动困难、充电电流过小或不充电等。

②汽车运行中蓄电池线夹松脱，电路中出现的瞬间过电压不能被蓄电池吸收，使电子元件容易损坏。

③因蓄电池线夹松动而使电路时通时断本身也会造成瞬间过电压，会对电子元件造成损害，而突然断脱时产生的火花还容易造成火灾事故。

2．发电机使用与维护注意事项

1）不能用刮火的方法检查发电机是否发电，否则将损坏整流二极管及其他电子元件。

2）在整流二极管与电枢绕组脱开以前，不能用绝缘电阻表（兆欧表）或220V的交流电来检查发电机的绝缘情况。

3）出现整流二极管短路故障时，应及时予以检修，否则，很容易引起其他二极管和电枢绕组烧坏。

3．调节器及充电电路使用注意事项

1）更换调节器时，应使用与发电机配套的调节器，如果用其他的调节器代用，调节器适用的搭铁形式、调节电压等应与发电机相匹配。

2）在发电机处于中速以上时，不要用短路调节器B、F接线柱的方法来检测发电机是否发电，以避免电压过高（发电机无故障时）而损坏发电机整流二极管及其他电子元件。

3）配用双触点式调节器的充电系统，在调节器与发电机的连接电路断开以前，不许用短路调节器的B、F接线柱的方法来检查发电机是否发电，否则，会烧坏调节器的高速触点。

二、充电系统常见故障及故障诊断

充电系统常见的故障是不充电、充电电流过大或过小、充电电流不稳定等。充电系统的电路结构不同，故障现象和涉及的故障原因、故障诊断方法等不尽相同。下面以一普通的充电系统为例（图1-46），介绍充电系统常见故障的诊断方法。

1．不充电（充电指示灯不熄灭）

（1）故障现象 发动机在怠速以上转速运转时，充电指示灯不熄灭（装电流表的充电系统，电流表指示放电），并且蓄电池会很快亏电。

（2）故障原因

1）充电电路的故障：发电机D或F接线柱搭铁；发电机D、F接线柱至调节器D、F接线柱之间电路有搭铁。

2）发电机的故障：电枢绕组有短路、断路或搭铁；磁场绕组有短路或搭铁；整流二极管有断路或短路等。

3）调节器的故障：调节器触点接触不良（单触点调节器）；高速触点黏结（双触点调节器）；调节器弹簧过弱或断脱（触点式调节器）；调节器内部电路搭铁（电子调节器）等。

4）机械故障，发电机安装松动或传动带磨损而打滑。

（3）故障诊断

1）检查发电机传动带是否松动打滑。如果是，予以排除；如果不是，则进行下一步。

2）检查有关电路有无搭铁。直观检查有关电路线束无破损搭铁后，还需用万用表进行检查，拆下发电机D、F接线柱与调节器D、F接线柱上的接线，测量D和F导线端子与搭铁之间的电阻，应为∞。如果电阻为0或很小，则为电路搭铁或有漏电故障，应予以修理或更换；如果无搭铁，则进行下一步。

3）检查发电机是否正常发电。拆下调节器F接线柱上的导线，并与D接线柱相接（短路调节器），然后使发动机在怠速以上的转速下运转，看充电指示灯是否熄灭。如果能熄灭，说明发电机能正常发电，需检查或更换调节器；如果充电指示灯仍不熄灭，则为发电机有故障，应对其进行检修或更换。

2．不充电（充电指示灯不亮）

（1）故障现象 接通点火开关时，充电指示灯不亮，并且蓄电池会很快亏电。

（2）故障原因

1）充电电路的故障：点火开关至发电机F接线柱电路有断路；熔断器熔丝烧断（发电机励磁回路有熔断器保护的充电电路）。

2）发电机的故障：磁场绕组有断路；电刷与集电环严重接触不良。

3）调节器的故障：单触点调节器触点严重接触不良；电子调节器开关晶体管断路或内部电路故障而使开关晶体管不能导通。

4）充电指示灯已烧坏。

（3）故障诊断

1）检查连接发电机励磁回路熔断器的熔丝（若有的话），如果熔丝已烧断则更换熔断器。接通点火开关后，测量调节器D接线柱对搭铁电压。若电压为0V，则应检查调节器D接线柱至点火开关的电路有无断路及充电指示灯是否烧坏；若为蓄电池电压，则进行下一步。

2）在接通点火开关时，测量调节器F接线柱对搭铁电压。若电压为0V或很低，则需检修或更换调节器；若为蓄电池电压，则进行下一步。

3）在接通点火开关时，测量发电机F接线柱对搭铁电压。若电压为0V，则需检修发电机至调节器之间的电路；若为蓄电池电压，则需检修发电机。

3．充电电流过小

（1）故障现象 充电指示灯不能熄灭或在较高的转速下才能熄灭，充足电的蓄电池很容易出现亏电，夜间前照灯亮度低。装有电流表的充电系统，发动机在中速以上运转，且蓄电池存电不足（比如刚刚起动不久）的情况下，电流表指示的充电电流在5A以下，或发动机在中速以上时，开前照灯电流表即指示放电。

（2）故障原因

1）充电电路因连接松动、接触表面脏污而接触电阻过大。

2）发电机有故障：磁场绕组有局部短路；电刷与集电环接触不良；电枢绕组有断路或短路、整流二极管有短路或断路。

3）调节器弹簧过弱而使调节电压过低（触点式调节器）；低速触点接触不良（双触点式调节器）；电子元件性能变化而使调节电压值下降（电子调节器）。

4）发电机传动带打滑。

（3）故障诊断

1）检查发电机传动带的松紧度和充电电路的连接。如果传动带过松，将其调整至适当；如果电路连接处有松动，则将其紧固。

2）检查发电机是否正常发电。拆下调节器F接线柱上的导线，并与D接线柱相接（短路调节器），然后慢慢提高发动机的转速，并测量发电机D或B接线柱对搭铁电压。如果电压能随发电机转速的升高而上升，则说明发电机正常，应检修或更换调节器；如果发电机转速升高时，电压变化很小，则为发电机故障，应对其进行检修。

4．充电电流过大

（1）故障现象 汽车各种灯泡易烧，蓄电池电解液消耗过快（装有电流表的充电系统，电流表始终指示10A以上的充电电流）。

（2）故障原因

1）调节器故障：触点式调节器的电磁线圈短路或断路；高速触点接触不良（双触点式调节器）；调节器失调（因弹簧张力过大或气隙不当而使调节电压值过大）；电子调节器开关晶体管短路或其他电子元件故障而使开关晶体管不能截止。

2）电路故障：触点式调节器搭铁不良（搭铁线断脱）；电子调节器接线错误。

（3）故障诊断 检查调节器与发电机的连接电路是否有误或调节器的搭铁是否良好。若电路无问题，则应检修或更换调节器。

5．充电电流不稳定

（1）故障现象 充电指示灯忽明忽暗变化不定（装有电流表的，电流表指针来回摆动）。

（2）故障原因

1）发电机故障：电刷与集电环接触不良；内部导线连接处松动。

2）调节器故障：触点式调节电阻断路；电子调节器元件松动或搭铁不良。

3）电路故障：充电系统有关电路连接处松动。

4）发电机传动带较松，时而打滑。

（3）故障诊断

1）检查发电机传动带的松紧度及电路连接，必要时予以调节和紧固。

2）拆下调节器F接线柱导线，连接于D接线柱（将调节器短路），使发动机保持高怠速运转。如果充电指示灯忽明忽暗现象消失，则说明发电机无故障，应检修或更换调节器；如果充电指示灯仍有忽明忽暗变化，则需检修发电机。

思考题

1．铅酸蓄电池的主要组成部件及其功用是什么？

2．蓄电池的电动势如何建立？充电和放电时蓄电池极板及电解液有何变化？

3．蓄电池容量是如何定义的？使用中会使蓄电池的容量下降的因素有哪些？

4．蓄电池放电终了和充电终了的特征是什么？过放电或过充电对蓄电池有何危害？

5．何谓蓄电池极板硫化？极板硫化对蓄电池有何影响？如何判断蓄电池极板硫化？容易造成极板硫化的因素有哪些？

6．如何确定蓄电池自放电故障？造成蓄电池自放电故障的原因有哪些？

7．容易造成蓄电池极板活性物质早期脱落的原因有哪些？

8．使用中应对蓄电池进行哪些检查？检查和维护中应注意些什么？

9．蓄电池的充电方法有哪些？各种充电方法的工艺过程要点及特点是什么？

10．改进型的铅酸蓄电池有哪些？各种蓄电池其结构、工艺及特性等方面有何不同？

11．如何正确使用与维护蓄电池才能提高其容量及使用寿命。

12．交流发电机的基本组成有哪些？各起什么作用？

13．何谓交流发电机的外特性？交流发电机具有如此外特性的原因有哪些？

14．何谓交流发电机的输出特性？交流发电机为什么具有如此输出特性？

15．触点式电压调节器是如何工作的？它为什么会被电子调节器所取代？

16．电子调节器如何对交流发电机进行电压调节？电子调节器中，通常采用了哪些电子元件和电路来解决基本电路中的不足？

17．发电机充电指示灯有何作用？交流发电机充电指示灯的控制方式有哪些？

18．为何称八管或十一管交流发电机为高效型交流发电机？

19．如何检查交流发电机是否有故障？如何通过试验来检验交流发电机的性能好坏？

20．电子调节器分别有哪些故障会导致发电机电压失控和不发电？

21．试以图1-46所示的充电电路为例，分析出现不充电、充电电流过大时的故障原因，并给出一种故障诊断方法。

22．汽车电源系统在使用及维护中应注意些什么？