Содержание
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
Автомобильное электрооборудование
Автомобильное электрооборудование, это совокупность устройств, вырабатывающих, передающих и потребляющих электроэнергию на автомобиле. Автомобильное электрооборудование представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных электротехнических и электронных систем, приборов и устройств, обеспечивающих функционирование двигателя, трансмиссии и ходовой части, безопасность движения, автоматизацию рабочих процессов автомобиля и комфортные условия для водителя и пассажиров.
Источники электрического тока в автомобиле
Электрооборудование автомобиля включает в себя генератор как преобразователь энергии, одну или несколько аккумуляторных батарей и устройства-электропотребители. Энергия аккумуляторной батареи подается 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 подается электрическое питание. Генератор подает необходимое электрическое питание на эти компоненты и заряжает аккумуляторную батарею.
Повышение требований к комфорту и безопасности приводит к значительному росту энергопотребления в бортовой сети. Кроме того, продолжающаяся тенденция к электрификации все большего числа компонентов (например, регулировка сидений, электрический стояночный тормоз, электроусилитель рулевого управления). Номинальная мощность генераторов варьируется от 1 кВт в субкомпактном классе до более 3 кВт в представительском классе. Это меньше, чем в общей сложности требуется потребителям. Другими словами, аккумуляторная батарея тоже должна подавать электрическое питание во время работы автомобиля. Все компоненты должны быть рассчитаны таким образом, чтобы баланс заряда аккумуляторной батареи был всегда положительным или хотя бы равным.
Функция автомобильного оборудования
Генератор подает электрический ток ( IG , рис. «Схема электрической системы автомобиля» ) во время работы двигателя. Чтобы зарядить аккумуляторную батарею, генератор должен увеличить напряжение в бортовой сети выше напряжения батареи с разомкнутым контуром. Однако генератор способен сделать это лишь тогда, когда включенные потребители не потребляют ток больше, чем генератор может создать. Если ток нагрузки оборудования Iv в бортовой сети автомобиля больше тока генератора IG (например, на холостых оборотах), то аккумуляторная батарея будет разряжаться. Напряжение в бортовой сети падает до уровня напряжения батареи, откуда потребляется ток.
Максимальный ток генератора очень сильно зависит от оборотов и температуры генератора. На холостых оборотах генератор может давать лишь 55-65% номинальной мощности. Однако сразу после холодного пуска зимой генератор начиная со средних оборотов, способен подавать в бортовую сеть до 120% своей номинальной мощности. Когда двигатель горячий, моторный отсек нагревается до 60—120 °С , в зависимости от окружающей температуры и нагрузки на двигатель. Высокая температура в моторном отсеке увеличивает сопротивление обмоток, что уменьшает максимальную мощность генератора.
Должно обязательно гарантироваться равновесие заряда батареи путем правильного подбора аккумуляторной батареи, генератора, стартера и другого электрооборудования, чтобы двигатель мог всегда запуститься и, при выключенном двигателе можно было в течение достаточно долгого времени включать различные электропотребители.
Схема и принцип работы бортовой сети напряжением 14В
Электрическую схему автомобиля можно представить, как взаимодействие преобразователя энергии (генератора), аккумулятора энергии (аккумуляторной батареи) и потребителей (рис. «Схема электрической системы автомобиля» ).
Генератор приводится через клиновой ремень от коленчатого вала двигателя и преобразует механическую энергию в электрическую. Регулятор генератора ограничивает выходную мощность таким образом, чтобы не превышалось заданное регулятором напряжение ( 14,0-14,5 В).
Когда ключ вынут из замка зажигания, напряжение подается лишь на несколько потребителей (охранная сигнализация, радиоприемник, дополнительный отопитель и пр.). Вывод, через который запитываются эти потребители, называется «вывод 30» (постоянный плюс).
Прочие потребители подключаются к «выводу 15 ». Когда ключ зажигания находится в положении «зажигание ВКЛ», напряжение батареи подается на этот контакт, и все потребители подключаются к питанию.
Места размещения аккумуляторной батареи
В большинстве автомобилей аккумуляторная батарея размещается в моторном отсеке. Однако большая аккумуляторная батарея (например, на 100 А-ч) занимает много места и иногда, когда свободное пространство в моторном отсеке ограничено, ее не удается туда установить. Еще одним аргументом против установки аккумуляторной батареи в моторном отсеке является потенциально очень высокая окружающая температура. В качестве альтернативы аккумуляторную батарею можно устанавливать в багажном отделении или в салоне (например, под сиденьем переднего пассажира).
Влияние места установки аккумуляторной батареи на зарядное напряжение
Расстояние между аккумуляторной батареей, установленной в моторном отсеке, и генератором короче, чем, когда аккумуляторная батарея устанавливается в багажном отделении. Это сказывается на повышенном сопротивлении проводов и непосредственно влияет на падение напряжения в них. Падение напряжения можно минимизировать посредством соответствующих сечений проводов и хорошего контакта с небольшим сопротивлением контактов, даже по истечении длительного времени.
На рис. а, «Места размещения аккумуляторной батареи» показаны условия для установки в моторном отсеке. Для аккумуляторной батареи, установленной в багажном отделении, требуются более длинные провода с дополнительным сопротивлением RL2 (рис. b, «Места размещения аккумуляторной батареи»). Из-за большего падения напряжения зарядное напряжение аккумуляторной батареи, установленной в багажном отделении будет меньше. Дополнительную разность напряжения, вызванную величиной RL2 , можно сбалансировать путем увеличения номинального напряжения генератора. Это увеличивает мощность генератора.
Влияние места установки аккумуляторной батареи на возможность запуска двигателя
Возможность запуска зависит от напряжения, подаваемого на стартер. Чем выше это напряжение, тем выше обороты стартера при запуске. Из-за высокого пускового тока сопротивление проводов ключевым образом влияет на это напряжение. В случае, когда аккумуляторная батарея устанавливается в багажном отделении, провода между батареей и стартером оказываются длиннее, чем, когда она устанавливается в моторном отсеке; соответственно, сопротивление и падение напряжения выше. Запуск улучшается, когда аккумуляторная батарея устанавливается в моторном отсеке и когда провода между ней и стартером короткие.
Влияние окружающей температуры
Высокая температура в моторном отсеке может вызвать температурно-зависимые изменения в аккумуляторной батарее (например, газообразование), что отрицательно сказывается на сроке службы батареи. Высокую температуру батареи можно уменьшить экранированием.
При низкой окружающей температуре аккумуляторной батарее, установленной в багажнике, требуется больше времени для достижения рабочей температуры. При слишком низкой температуре аккумуляторной батареи она плохо заряжается. Это, в свою очередь, приводит к нарушению зарядного баланса и низкому заряду, что ускоряет процесс старения батареи (происходит сульфатация).
Влияние места установки аккумуляторной батареи на стабильность напряжения
Поскольку в батарее может аккумулироваться только постоянный ток, вырабатываемый генератором переменный ток необходимо выпрямить. Эта операция выполняется диодным выпрямителем, встроенным в генератор. Выпрямление переменного тока создает пульсирующее напряжение постоянного тока. Кроме того, переключение диодов — когда ток коммутируется с одного диода на следующий — создает высокочастотные колебания напряжения, которые сглаживаются, насколько это возможно, помехоподавляющим конденсатором.
Скачки или пульсации напряжения могут нарушить работу или даже вызвать повреждение электронных потребителей (например, ЭБУ). Аккумуляторная батарея может использовать свою большую емкость для сглаживания колебаний напряжения. Однако из-за сопротивления проводов RL между генератором и батареей они не полностью подавляются в генераторе. Когда потребители подключаются со стороны батареи (рис. а, «Варианты подключения потребителей автомобиля» ) или после батареи (например, RV1 и RV2 на рис. а, «Места размещения аккумуляторной батареи» ), на них подается хорошо сглаженное напряжение бортовой сети. Когда потребители подключаются со стороны генератора, т.е. непосредственно к генератору (рис. b, «Варианты подключения потребителей автомобиля» ), имеют место более сильные пульсации и скачки напряжения.
Таким образом, электропотребители, характеризуемые высоким потреблением тока и относительно нечувствительные к перенапряжению, должны подсоединяться со стороны генератора, а нагрузка, чувствительная к напряжению с низкими токами потребления, должна подсоединяться со стороны аккумуляторной батареи.
Выходная мощность потребителей электроэнергии
Классификация электропотребителей автомобиля
Электропотребители имеют разную длительность включения. Различают:
- Постоянные нагрузки, включенные всегда (электрический топливный насос, блок управления двигателем);
- Длительные нагрузки, включаемые по необходимости и остающиеся включенными в течение длительного времени (фары ближнего света, радиоприемник, вентилятор радиатора);
- Кратковременные нагрузки, включаемые лишь на короткое время (указатели поворотов, стоп-сигналы, электрорегулировка сидений, электростеклоподъемники).
Требования к электрической нагрузке, зависящие от времени работы
Потребности в электрической энергии не являются постоянными. Первые минуты после запуска двигателя обычно характеризуются большой потребляемой мощностью (обогрев заднего стекла, сидений, зеркал), после чего происходит резкое падение потребляемой мощности.
Эти потребители выключаются через несколько минут. Здесь требования к электрической нагрузке главным образом определяются постоянной и длительной нагрузкой.
Безнагрузочные потребители
Различным ЭБУ и потребителям требуется питание даже тогда, когда автомобиль стоит на стоянке. Безнагрузочный ток составляется из общего тока этих включенных потребителей. Большинство этих потребителей выключаются вскоре после выключения двигателя (например, освещение салона). Некоторые же всегда остаются включенными (например, система охранной сигнализации).
Безнагрузочный ток должен подаваться аккумуляторной батареей. Максимальное значение безнагрузочного тока определяется автопроизводителями. Расчет параметров аккумуляторной батареи помимо всего прочего, базируется и на этом значении. Типичная величина безнагрузочного тока в легковом автомобиле составляет 3-10 мА .
Выходная мощность генератора
Важными компонентами генератора являются статор (рис. «Взаимодействие генератора, регулятора генератор и аккумуляторной батареи» ) и ротор, приводимый через клиновой ремень от коленчатого вала. При протекании тока возбуждения через катушку ротора образуется магнитное поле и в трех обмотках статора создается наведенное напряжение переменного тока. Ток возбуждения отбирается из генерируемого тока (самовозбуждение). Наведенное напряжение зависит от скорости вращения ротора и тока возбуждения. Напряжение переменного тока выпрямляется диодами.
Поскольку наводимое в генераторе напряжение зависит от оборотов вращения ротора и, соответственно, от оборотов двигателя, то на низких оборотах напряжение будет небольшим. На холостых оборотах двигателя nL генератор может вырабатывать лишь часть номинального тока, если он имеет традиционное соотношение оборотов в диапазоне от 1:2,5 до 1:3 (отношение оборотов коленчатого вала к оборотам ротора генератора) (рис. «Выходной ток генератора в зависимости от оборотов ротора генератора» ). Номинальный ток достигается при полной нагрузке при оборотах ротора в 6000 мин -1 . Для достижения номинальной мощности генератора средняя скорость вращения ротора во время эксплуатации автомобиля должна быть значительно выше. Особенно критичны циклы работы генератора при длительной работой двигателя на холостом ходу, так как выдаваемая генератором мощность настолько мала, что аккумуляторная батарея при высоком энергопотреблении разряжается.
Если напряжение генератора выше, чем напряжение батареи, то по ней будет протекать зарядный ток, заряжая ее. Напряжение ограничивается регулятором генератора, с тем чтобы в бортовой сети поддерживалось напряжение около 14 В.
Выработка генератором электроэнергии также влияет на расход топлива. Увеличение расхода электроэнергии на каждые 100 Вт составляет около 0,17 л на 100 км , в зависимости от эффективности генератора и двигателя.
Регулирование напряжения в бортовой сети
Создание магнитного поля при запуске двигателя
Магнитное поле необходимо в роторе для наведения напряжения в обмотках статора. После запуска самовозбуждение невозможно на малых оборотах. Поэтому первое возбуждение генератора после запуска выполняет аккумуляторная батарея.
Крутящий момент генератора, работающего под нагрузкой, будет препятствовать запуску и стабилизации холостого хода двигателя. Поэтому современные регуляторы уменьшают ток возбуждения при запуске (управляемое предварительное возбуждение). Генерирование тока откладывается до тех пор, пока двигатель не наберет нужные обороты (запуск по изменению нагрузки, LRS). До этого момента потребители запитываются от аккумуляторной батареи.
Регулирование напряжения во время работы двигателя
Регулятор корректирует поле возбуждения посредством тока с широтно-импульсной модуляцией ( ШИМ) в обмотке ротора таким образом, что напряжение на плюсовой клемме аккумуляторной батареи (В+) соответствует заданному. Частота сигнала ШИМ составляет 40-200 Гц; коэффициент заполнения периода импульса зависит от потребляемой мощности. При изменении нагрузки изменяется напряжение в бортовой сети, при этом регулятор корректирует поле возбуждения путем адаптирования сигнала ШИМ в целях компенсации напряжения.
Соединение обмотки возбуждения называют динамо-полем (DF). Регулятор генератора выдает сигнал ШИМ по сигналу DFM для сообщения другим ЭБУ об использовании мощности генератора.
Для регулировки регулятору требуется напряжение аккумуляторной батареи. Это значение он получает через плюсовую клемму В+ . В случае длинных проводов и больших токов в этих проводах падение напряжения между аккумуляторной батареей и регулятором может быть настолько большим, что уменьшится выработка генератором электроэнергии и аккумуляторная батарея будет недостаточно заряжаться. Этой проблемы можно избежать с помощью S-контакта, подающего на регулятор напряжение аккумуляторной батареи по проводу, отдельно подключаемому к плюсовой клемме аккумуляторной батареи. Подключение регулятора к шине (например, шине LIN) позволяет системе изменять заданное значение, на которое нужно отрегулировать напряжение. Это делает возможными такие функции, как, например, рекуперация.
Функция движения в зависимости от нагрузки осуществляет линейное изменение напряжения генератора до заданного значения во время движения после подключения большой нагрузки и связанного с этим резкого падения напряжения генератора. Эта функция предотвращает резкую нагрузку двигателя из-за генератора.
Индикатор заряда АКБ
Индикатором заряда управляет регулятор генератора. Индикатор загорается при включении зажигания и гаснет, когда генератор подает ток. Регулятор активирует индикатор заряда, как только обнаруживает неисправность (например, у генератора — из-за обрыва клинового ремня, обрыва или короткого замыкания цепи возбуждения, обрыва провода между генератором и аккумуляторной батареей).
Зарядка аккумуляторной батареи автомобиля
Из-за происходящих в аккумуляторной батарее химических процессов идеальное зарядное напряжение должно быть больше при низких температурах и меньше при высоких. Напряжение «закипания» — максимально допустимое зарядное напряжение, при котором в аккумуляторной батарее не появляется газ. Регулятор генератора ограничивает напряжение, если ток генератора IG больше суммарного потребляемого тока Iv и зависимого от температуры максимально допустимого зарядного тока Iв.
Регуляторы обычно монтируются на генератор. При наличии значительных отклонений между температурами регулятора напряжения и электролитом в аккумуляторной батарее лучше наблюдать температуру регулятора напряжения прямо на аккумуляторной батарее.
Расположение генератора, аккумуляторной батареи и потребителей влияет на падение напряжения в зарядном проводе и, соответственно, на зарядное напряжение. Суммарный ток IG = Iv + Iв протекает через зарядный провод, если все электрооборудование подключено к аккумуляторной батарее. Зарядное напряжение является более низким из-за высокого падения напряжения. Если все потребители электрической энергии подсоединены со стороны генератора, то падение напряжения — ниже, а зарядное напряжение выше. Регулятор может учитывать падение напряжения путем измерения фактического напряжения прямо на аккумуляторной батарее.
Схемы бортовой сети автомобиля
Бортовая сеть с одной аккумуляторной батареей
На рис. «Схема электрической системы автомобиля» изображена схема бортовой сети с одной аккумуляторной батареей, главным образом применяющейся на легковых автомобилях. Работая как аккумулятор энергии, батарея подает ток для запуска двигателя и обеспечивает питание потребителей при отсутствии выработки энергии генератором (когда двигатель выключен) или недостаточной мощности генератора (работа двигателя на холостых оборотах). Это на сегодняшний день самая распространенная концепция, так как является наиболее экономически эффективной для автомобилей.
В конструкции автомобильной аккумуляторной батареи для бортовой сети с одной аккумуляторной батареей, запитывающей и стартер, и другие потребители, необходимо найти компромисс между различными требованиями. Вовремя запуска двигателя аккумуляторная батарея подвергается большим токовым нагрузкам ( 300-500 А ). Соответствующее падение напряжения отрицательно сказывается на работе определенного электрооборудования (например, происходит сброс напряжения на блоках с микроконтроллерами) и должно быть как можно меньшим.
При обычной же эксплуатации автомобиля протекают лишь относительно малые токи. Емкость аккумуляторной батареи — важнейший фактор в обеспечении надежного электропитания. И мощность, и емкость нельзя улучшить одновременно.
Схема с двумя аккумуляторными батареями
В бортовых сетях с двумя аккумуляторными батареями — пусковой и универсальной — функции запуска двигателя и электропитания потребителей разделены блоком управления бортовой сети (рис. «Схема с двумя аккумуляторными батареями» ) для предотвращения падений напряжения при запуске и гарантирования надежного запуска в мороз даже при низком уровне заряда универсальной аккумуляторной батареи.
Пусковая аккумуляторная батарея
Пусковая аккумуляторная батарея должна отдавать значительный ток в течение ограниченного времени (при запуске двигателя). Поэтому она рассчитывается на высокую плотность мощности (большая мощность при малом весе). Компактные размеры аккумуляторной батареи позволяют устанавливать ее в непосредственной близости от стартера с короткими соединительными проводами (малое падение напряжения в проводе). Емкость уменьшается.
Универсальная аккумуляторная батарея
Универсальная аккумуляторная батарея лишь запитывает бортовую сеть (кроме стартера). Она подает ток на потребителей (например, около 20 А на систему управления двигателем). Она рассчитана на очень большие циклические колебания, т.е. может отдавать и запасать существенные объемы энергии. Расчет параметров аккумуляторной батареи базируется в основном на резервах емкости, необходимых для потребителей, работающих при выключенном двигателе (например, приемник дистанционного управления центрального замка, охранная сигнализация), и минимально допустимом уровне заряда.
Блок управления электропитанием
Блок управления электропитанием в бортовой сети с двумя аккумуляторными батареями отделяет пусковую аккумуляторную батарею и стартер от остальной бортовой сети, при условии, что она получает достаточное питание от универсальной аккумуляторной батареи. Поэтому он предотвращает падение напряжения при запуске двигателя, влияющее на работу автомобильной бортовой сети. Когда автомобиль стоит на стоянке, это предотвращает разряд пусковой аккумуляторной батареи электрооборудованием, потребляющим ток во включенном состоянии, и устройствами, находящимися в режиме ожидания.
При отделении пусковой аккумуляторной батареи от остальной электрической системы теоретически не существует пределов напряжения пусковой аккумуляторной батареи. Следовательно, напряжение заряда можно оптимально адаптировать к универсальной аккумуляторной батарее с помощью преобразователя DC/DC в целях минимизации времени зарядки.
Если в универсальной аккумуляторной батарее не окажется заряда, то блок управления может временно соединить обе системы. Это означает, что бортовая сеть автомобиля может использовать полностью заряженную пусковую аккумуляторную батарею. В другой возможной конфигурации блок управления запуском может подключать потребители, имеющие отношение к запуску двигателя, к той аккумуляторной батарее, которая полностью заряжена.
Параметры бортовой сети автомобиля
Состояние заряда АКБ
Состояние заряда (SOC) аккумуляторной батареи — один из наиболее важных параметров в электрической системе автомобиля. Его можно определить, как отношение объема имеющегося в аккумуляторной батарее заряда (текущего состояния заряда) к максимальному объему заряда, которое может аккумулировать новая аккумуляторная батарея.
SOC = Qact / Qmax
Значение Qmax получается при разрядке полностью заряженной аккумуляторной батареи с разрядным током I20 — соответствует одной двадцатой от номинальной емкости в амперах (5 А для аккумуляторной батареи емкостью 100 А⋅ч) — до достижения уровня напряжения 10,5 В. Величина заряда, потерянного во время разрядки, соответствует Qmax.
Поскольку таким образом значение Qmax можно получить только одним измерением, его можно также часто определить по номинальной емкости аккумуляторной батареи, указываемой на этикетке, где: Qmax = K20 (номинал).
Накопленный заряд Qact получается из разности между Qmax и количеством заряда, потраченного при разряде полностью заряженной аккумуляторной батареи. Таким образом, состояние заряда АКБ можно просто определить через Qact .
Состояние заряда аккумуляторной батареи непосредственно связано с плотностью электролита, где установившееся напряжение аккумуляторной батареи пропорционально плотности электролита. Окончательное напряжение, получаемое после зарядки или разрядки аккумуляторной батареи, называется установившимся напряжением. Процесс достижения установившегося напряжения, из-за медленной диффузии и поляризации в АКБ, может занимать несколько дней. Установившееся напряжение измеряется на клеммах аккумуляторной батареи.
Состояние заряда можно определить по формуле:
SOC = (Qcurrent— Qmin)/(Qmax -Qmin),
Qcurrent — текущее установившееся напряжение;
Qmax -установившееся напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи (SOC = 100%);
Qmin -установившееся напряжение аккумуляторной батареи при SOC = 0%. Поскольку зависимость установившегося напряжения от состояния заряда нелинейна при низком заряде (меньше 20%), то здесь нужно использовать значение, линейно экстраполированное к SOC = 0% .
Таким образом, можно определить состояние заряда по измеренному установившемуся напряжению.
Состояние неисправности аккумуляторной батареи
Аккумуляторные батареи подвержены старению. Различные эффекты старения вызывают потерю способности накапливать номинальный заряд и потерю емкости. Еще один эффект имеет место, когда аккумуляторные батареи разряжаются большими токами, возникают потери напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления по сравнению с новыми аккумуляторными батареями. Этот феномен выражается состоянием исправности аккумуляторной батареи (SOH).
Для оценки аккумуляторной батареи ее работа выражается определенной характеристикой электрического тока, которая может соответствовать, например, запуску двигателя. Новая аккумуляторная батарея подвергается нагрузке при идентичных условиях (температура, разрядный ток). Эта аккумуляторная батарея может использоваться для определения значения SOH. Через определенное время to напряжение АКБ падает до значения Unew (рис. «Определение значения SOH» ). Значение напряжения у более старой аккумуляторной батареи через время t0 составит Umin ⋅ U1 — это не более чем допустимое напряжение. SOH определяется по формуле:
SOC = (Umin — U1)/(Unew — U1).
У новой аккумуляторной батареи SOH = 1. При SOH = 0 аккумуляторная батарея едва достигает порогового значения U1. При SOH аккумуляторная батарея непригодна для использования.
Состояние функционирования АКБ
Во время работы значение SOH само по себе не может указывать на то, что аккумуляторная батарея все еще в состоянии выполнять свои функции. Причина в том, что SOC, SOH и температура могут компенсировать друг друга. Маленькое значение SOC допустимо для новой аккумуляторной батареи с большим SOH, в то время как маленькое SOH у старой аккумуляторной батареи может быть скомпенсировано высоким уровнем заряда (SOC).
Способность аккумуляторной батареи выполнять требуемые функции в своем текущем состоянии (т.е. текущем состоянии SOC, SOH и температуры) описывается состоянием функционирования (SOF). Этот параметр сочетает значения SOC и SOH и температуру. SOF определяется аналогично SOH. Параметры SOC, SOH и температура служат для прогнозирования способности аккумуляторной батареи выполнять свои функции в текущем состоянии. С другой стороны, SOH лишь применяется к определенным значениям SOC и температуры и поэтому является количественным параметром, характеризующим аккумуляторную батарею.
SOF = (Umin — U1)/ (Unew— U1).
Это значение SOF применяется к текущим значениям SOC, SOH и температуры.
На рис. «Качественные зависимости значения SOF» показана качественная зависимость SOF от SOC и SOH при данной температуре. Значение SOC, изменяющееся при разряде с 1 до 0 отображается на оси х. Fla оси у показано значение SOFI, которое у новой аккумуляторной батареи равно 1 . На этой схеме видно, что в определенных пределах старение аккумуляторной батареи (маленькое SOH) может компенсироваться более высоким SOC.
Использование мощности генератора
Ток, протекающий по обмотке возбуждения в генераторе, определяет напряжение, наводимое в обмотках статора. Регулятор генератора устанавливает необходимый ток возбуждения на основе коэффициента заполнения периода импульса (ШИМ-сигнала). Вывод обмотки возбуждения ( DF) — это контакт, через который подается ток возбуждения. Коэффициент заполнения периода импульса ШИМ-сигнала показывает использование мощности генератора, т.е. наличие у него резервов для запитывания дополнительно подключаемых нагрузок.
Регулятор генератора дополнительно выводит этот сигнал в виде сигнала DFM (контроля обмотки возбуждения динамо). Регуляторы с шинным интерфейсом применяют этот коэффициент заполнения периода импульса к шине. Ток возбуждения также выводится в амперах. Различные ЭБУ анализируют сигнал DFM , чтобы, например, выключить обогрев сидений или лобового стекла, когда мощность генератора используется очень интенсивно.
Управление электроэнергией автомобиля
Снижение расхода топлива автомобиля
Одной из главных целей автопроизводителей является сокращение расхода топлива и выбросов парниковых газов, в частности СO2. Это достигается путем оптимизации потоков энергии в автомобилях. Оптимизация в себя включает:
- Избегание потерь на холостых оборотах с помощью функции «Старт-Cтоп» (автоматическое выключение и запуск двигателя, например, на светофоре);
- Повышение эффективности выработки электроэнергии путем оптимизации генератора и интеллектуальной активации генератора (рекуперации);
- Аксессуары с электроприводом для упрощения активации путем изолирования от ДВС.
Потребляемая мощность
Дополнительные функции, обеспечивающие комфорт, и аксессуары с электроприводом повышают энергопотребление; одновременно снижается диапазон скоростей для выработки электроэнергии (например, из-за эксплуатации в режиме «пуск-стоп»). Новые обеспечивающие комфорт функции и функции безопасности (например, электроусилитель руля, электрический насос охлаждающей жидкости, дополнительный отопитель, электрический климат-контроль в автомобилях с функцией «Старт-Стоп») требуют дополнительную электрическую мощность, в таком количестве, что имеет смысл интеграция системы управления электроэнергией ( ЕЕМ ).
Задача системы управления электроэнергией
Система управления электроэнергией управляет потоками энергии и в то же время обеспечивает электропитание для сохранения возможности запуска двигателя и уменьшения количества поломок из-за разрядившейся аккумуляторной батареи. Система управления электроэнергией также стабилизирует напряжение и оптимизирует готовность систем комфорта — даже когда двигатель выключен. Этого можно достичь путем обеспечения положительного или хотя бы равного зарядного баланса во время эксплуатации автомобиля и путем контроля потребляемой мощности, когда двигатель выключен. Кроме того, пиковые нагрузки можно уменьшить путем скоординированного включения электропотребителей. Координацию выполняет система управления электроэнергией (рис. «Управление электроэнергией автомобиля (ЕЕМ)» ).
Иногда принимаемые меры конфликтуют между собой. Например, выключение функций комфорта приводит к потере комфорта, а функции «Старт-Стоп» — к увеличению расхода топлива. Разные автопроизводители предпочитают разные меры, и возможные меры для сохранения зарядного баланса соответственно становятся приоритетом.
Управление нагрузкой в безнагрузочном режиме (управление током без нагрузки)
Датчик аккумуляторной батареи регулярно контролирует состояние аккумуляторной батареи и, соответственно, возможность запуска двигателя. С помощью точного распознавания состояния аккумуляторной батареи можно оптимизировать готовность потребителей посредством управления с током без нагрузки, т.е. максимизировать время работы функций комфорта. В случае временной невозможности запуска двигателя система управления электроэнергией может, например, отправить сообщение на дисплей. Кроме того, при угрозе невозможности запуска двигателя система управления электроэнергией уменьшает энергопотребление (например, путем уменьшения потребляемой мощности вентилятора кондиционера) вплоть до выключения отдельных потребителей, чтобы как можно дольше сохранить возможность запуска двигателя. Примеры таких потребителей — дополнительный отопитель, информационно-развлекательная система, система навигации, радиоприемник и телефон.
Управление энергией во время работы двигателя
Функция системы управления энергией при работающем генераторе, в дополнение к управлению нагрузкой, в принципе представляет собой управление генератором, включая функцию рекуперации и интерфейс системы управления энергией с другими системами — например, системой управления двигателем.
Включение потребителей автомобиля
Система управления нагрузкой координирует включение и выключение потребителей с целью уменьшения пиков мощности. Система управления нагрузкой также участвует в управлении высокоэффективными системами отопления (обогрев ветрового стекла и вспомогательный отопитель на резисторах с положительным температурным коэффициентом)
При эксплуатации автомобиля обеспечение возможности запуска двигателя также является главной функцией системы управления энергией. При критических состояниях аккумуляторной батареи система управления нагрузкой уменьшает потребляемую электрическую мощность, чтобы как можно быстрей подзарядить аккумуляторную батарею. Обеспечивающие комфорт потребители резервуарного типа (системы отопления) переключаются приоритетно, так как интеллектуальное включение можно использовать для как можно более длительной задержки ощутимых отклонений от номинальных характеристик.
Существуют пределы отключения функций комфорта в том плане, что оно будет допускаться пользователем только в редких исключительных ситуациях. Поэтому электрическая система автомобиля должна настраиваться таким образом, чтобы такие ситуации возникали редко. Заметные последствия должны сигнализироваться пользователю, чтобы он мог определить отклонение характеристик от нормы.
Увеличение выходной мощности генератора
В качестве альтернативы или дополнения к уменьшению потребляемой мощности можно за счет увеличения оборотов двигателя увеличить выработку электроэнергии генератором (например, повышение холостых оборотов или деактивация выключения двигателя в режиме «Старт-Стоп»), например, чтобы увеличить холостые обороты, система управления электроэнергией по шине передачи данных отправляет запрос системе управления двигателем. Эти меры непосредственно влияют на расход топлива и акустику, и поэтому должны оптимально адаптироваться к конкретному автомобилю.
В процессе рекуперации кинетическая энергия автомобиля как минимум частично преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторной батарее. Для этого требуется генератор, управляемый через интерфейс для ввода нужного рабочего напряжения, и датчик для определения состояния аккумуляторной батареи. Саму функцию можно условно разделить на электронику двигателя, интерфейс или компьютер.
Во время движения накатом напряжение увеличивается, чтобы генератор более интенсивно заряжал аккумуляторную батарею. В этот момент электроэнергия вырабатывается без расхода топлива. В ситуациях с плохой эффективностью выработки электроэнергии напряжение генератора уменьшается, и аккумуляторная батарея снова медленно разряжается, чтобы минимизировать расход топлива на выработку электроэнергии.
Полностью заряженная аккумуляторная батарея не может накапливать заряд. По этой причине рекуперация возможна лишь с частично заряженной аккумуляторной батареей (частичное состояние заряда, PSOC). Это отступление от традиционной стратегии зарядки, цель которой — достижение как можно более полного заряда аккумуляторной батареи. Минимальное состояние аккумуляторной батареи, необходимое для запуска двигателя ни при каких обстоятельствах не должно быть хуже, т.е. текущее состояние аккумуляторной батареи должно быть известно системе управления энергией.
Рекуперация приводит к росту циклических колебаний заряда аккумуляторной батареи, влияние которых на старение аккумуляторной батареи должно проверяться в каждом конкретном случае. Поэтому рекомендуется использование аккумуляторной батареи с поглощающим стеклянным матом (AGM) для повышения проходной мощности (проходная мощность в А⋅ч в течении срока службы, проходная мощность, критичная для срока службы, умножается на коэффициент 3 ).
Алгоритм рекуперации должен учитывать влияние изменений напряжения на потребителей, поскольку они могут быть значительны (например, изменение скорости вентилятора кондиционера или световых вспышек).
Рекуперация обеспечивает экономию топлива в пределах 1-4% , в зависимости от цикла и конфигурации функции.
Распознавание состояния аккумуляторной батареи и управление аккумуляторной батареей
Ключевым элементом в управлении электроэнергией является система распознавания состояния аккумуляторной батареи ( BSR ), надежно вычисляющая возможности аккумуляторной батареи. В алгоритмах распознавания состояния аккумуляторной батареи в качестве вводных переменных обычно используются измеренные ток, напряжение и температура аккумуляторной батареи. На основе этих переменных определяются заряд (SOC), состояние функционирования (SOF) и физическое состояние (SOH) аккумуляторной батареи и передаются в качестве вводных переменных системе управления энергией (рис. «Взаимодействие датчика аккумуляторной батареи, системы определения состояния аккумуляторной батареи и системы управления электроэнергией автомобиля» ).
Для измерения параметров аккумуляторной батареи используется датчик, напрямую измеряющий ток и напряжение аккумуляторной батареи. Температура аккумуляторной батареи определяется посредством измерения температуры рядом с батареей, так как прямое измерение температуры электролита требует вмешательства в батарею, что в данном случае невозможно.
Пример:
Примером распознавания состояния аккумуляторной батареи может служить определение возможности запуска двигателя по значению SOF. Значение SOF позволяет прогнозировать поведение аккумуляторной батареи, отдающей пусковой ток. Другими словами, система распознавания состояния аккумуляторной батареи определяет падение напряжения для данной характеристики пускового тока (рис. «Прогнозирование падения напряжения для данного профиля электрического тока» ). Поскольку минимальное напряжение для успешного запуска двигателя известно, то прогнозируемое падение напряжения позволяет оценить возможность запуска на данный момент. В зависимости от интервала между прогнозируемым падением напряжения и порогом возможности запуска двигателя система управления энергией определяет меры по сохранению или улучшению запуска.
Датчик аккумуляторной батареи
Ток, напряжение и температура аккумуляторной батареи должны измеряться очень точно, динамично и синхронно. В частности, измерение тока от нескольких мА до пусковых токов более 1000 А предъявляет серьезные требования к датчикам. На выводы аккумуляторной батареи устанавливается электронный датчик аккумуляторной батареи (EBS). Поскольку крышка аккумуляторной батареи стандартизирована (DIN 72311), то размещение датчика на разных батареях не требуется.
Ток измеряется с помощью специального манганинового шунта. Сердцем электронной части датчика аккумуляторной батареи является специализированная интегральная схема, в которой помимо прочего, имеется мощный микропроцессор для регистрации и обработки измеренных значений. Алгоритмы распознавания состояния аккумуляторной батареи также обрабатываются этим микропроцессором. Сообщение с ЭБУ более высокого уровня происходит по шине LIN.
Помимо определения состояния аккумуляторной батареи для системы управления энергией датчик аккумуляторной батареи можно использовать и для других функций. Например, точное измерение тока и напряжения можно также использовать для оперативной диагностики в производственных цехах и ремонтных мастерских (выявление безнагрузочных неисправных потребителей).
Автоэлектрика автомобиля
Автоэлектрика является неотъемлемой частью любого автомобиля. Как только появился первый автомобиль, сразу же и появилась и автоэлектрика.
Да примитивная, плохо работающая, но она была и полностью удовлетворяла потребности автомобилей того периода.
С развитием автомобилестроения параллельно и развивалась и автоэлектрика автомобилей.
Совершенствовались электрические, а в дальнейшем и электронные схемы, облегчался запуск двигателя в различных условиях эксплуатации, добавлялось новое электронное оборудование, которое облегчало управление автомобиля и увеличивало комфортность поездки.
Но основной функцией, для выполнения которой в принципе и была создана автоэлектрика, было и сейчас остается первоначальный запуск двигателя и поддержка дальнейшей без перебойной его работы.
Автоэлектрика автомобиля, если рассматривать простую принципиальную схему, состоит из основных, вспомогательных элементов и измерительных элементов (контрольные датчики, приборы оповещения и контроля).
К основным элементам автоэлектрики можно отнести источники питания, это аккумуляторная батарея, генератор, электростартер, свечи, катушки зажигания, электронные блоки управления, переключатели, электро проводка и общая электрическая схема, без которой вам не разобраться.
Вспомогательные элементы автоэлектрики, без которых тоже не возможно управление автомобилем, это габаритные огни, все виды фар, стоп-сигнал, поворотные сигналы, противотуманные фары, звуковой сигнал, стеклоочистители, прикуриватели и другое дополнительное электрооборудование.
Измерительные приборы и датчики
Необходимость в таких приборах и датчиках, которые входят в автоэлектронику, очевидна. Ведь контролировать температуру охлаждающей жидкости, давление масла, уровень топлива необходимо постоянно. Другое дело, что в старых моделях автомобилей это выглядело очень просто, стрелочки, циферки и т.д.
В современных же авто это уже на уровне космических технологий, когда водителю практически не дано ни чего делать, только слушать и реагировать на включение того или иного индикатора опасности, а то и вовсе констатировать факт, что машина сама остановилась и дальше уже не поедет, пока проблема не будет решена.
Что касается датчиков, то если в старых автомобилях их можно было пересчитать на пальцах, то в современных они установлены повсеместно, что позволяет полностью контролировать техническое состояние автомобиля в пути.
Но прогрес не стоит на месте. С каждым годом автоэлектрика автомобиля приобретает все более совершеный вид, и если раньше появление кондиционера в автомобиле, электричесих стеклоподъемников, центрального замка, автосигнализации, новых аудио систем вызывало фурор, то сейчас это обыденное дело, и ни кого этим уже не удивиш.
Сложность ремонта
Ремонтировать автоэлектрику с каждым годом становится все сложней. Для этого нужно постоянно обновляющееся электронное оборудование, которое идет в ногу со временем, грамотные подготовленные кадры, которые способны постоянно самостоятельно изучать данную тему. 
Поэтому ремонтировать автоэлектрику лучше всего в крупных городах, к примеру, ремонтировать автоэлектрику в Минске или другом крупном городе, где имеются в большом количестве подготовленные специалисты.
Конструкция новых автомоблей постоянно усложняется, требования покупателей становятся все капризней, хочется больше комфорта, новых дополнительных функций, новых возможностей, и все это зацикливается на новую автоэлектрику.
Поэтому не удивительно, что современная автоэлектрика приобретает совершенно другой вид.
И чтобы разобраться во все этих современностях автоэлектрику начали делить на несколько составляющих.
Система зажигания
Система зажигания в автоэлектронике автомобиля играет важную роль.
В данную систему входят все электрооборудование и все устройства, которые обеспечивают появление искры в двигатели в нужный момент времени.
Автогаджеты
Значение автогаджетов в автоэлектронике автомобиля с каждым годом только возрастает.
В данную категорию входят: алкотестеры, активные антенны TV и FM, антирадары и радары-детекторы, Hands free (управление телефоном без помощи рук), зарядные устройства.
Бортовые компьютеры
Сейчас без бортового компьютера сложно представить современный автомобиль.
Бортовые компьютеры, которые контролируют работу всех систем управления, контроля и безопасности автомобиля.
Автозвук
Значение автозвука в современной автоэлектронике во многом зависит от любви водителя к музыке.
В данную категорию входят: радиоприёмники, усилители звуковых частот, различные виды автомагнитол, DVD проигрыватели. Все это может быть объединено в одну мультимедийную систему.
В данную категорию входят: GPS приемники, GPS навигаторы, антинавигаторы, GPS трекеры.
Автосигнализация
Автосигнализация или так называемые системы охраны автомобиля.
Запись в движении
Видеорегистраторы автомобильные обеспечивают запись всего того, что происходит с автомобилем во время езды. Благодаря данным устройствам, уже многие водители смогли снять в судах с себя обвинения в причастности к ДТП, в которых пострадали люди.
Помощь при парковке
Парктроники устанавливают на дорогих моделях автомобилей. Они обеспечивают более комфортную и удобную парковку автомобиля, при большом скоплении машин, или в других плохо просматриваемых местах.
Пассивная безопасность
Автоэлектрика – системы SRS, пассивной безопасности.
В данную систему входят, подушки безопасности, размыкатель АКБ, который срабатывает в экстренных ситуациях, ремни безопасности, активные подголовники, непосредственно сама конструкция кузова, которая является безопасной, устройства натяжения ремней безопасности.
Климат-контроль
Климат контроль и системы обдува салона в автоэлектронике автомобиля имеют не менее важное значение, ведь это комфорт, а комфорт в наше время любят все.
Каждая система, каждое оборудование имеющее отношение к автоэлектрике автомобиля имеют сложное устройство и принцип действия, поэтому требуют отдельного описания.
Но мы и не ставили перед собою цель, рассказать подробно про каждую составляющею автоэлектрики автомобиля в отдельности.
Главная наша цель, это помочь вам разобраться в вопросе, из чего состоит автоэлектрика современного автомобиля, и мы очень надеемся, что вам помогли.
Так же хочется отметить, что развитие автоэлектрики автомобилей идет семимильными шагами, в каждой новой модели автомобиля появляется что-то новое и интересное, поэтому уследить за всеми изменениями в это области очень сложно, а иногда просто и не возможно.
Поэтому может быть мы где-то и упустили некоторые вопросы, но главные моменты, которые касаются автоэлектрики автомобиля, мы затронули.
https://press.ocenin.ru/avtomobilnoe-elektrooborudovanie/
https://autotopik.ru/obuchenie/390-avtoelektrika-avtomobilya.html
