現(xiàn)在的汽車是一個復雜的機電產(chǎn)品,，大部分功能都是由電控制的，比如發(fā)動機電控系統(tǒng),、自動變速器電控系統(tǒng),、車身電控系統(tǒng)、制動和轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng),、照明系統(tǒng)等等,。那么有人會疑惑：這車沒有外接電源。這些電是從哪里來的,？車內(nèi)雖有電池,，但電量有限。當它的能量耗盡時,，如何補充能量,？
雖然汽車沒有外接電源,，但是汽車本身有電源，可以實現(xiàn)自發(fā)電,。車內(nèi)有兩個電源,，一個是電池，可以儲存一定的電能,。在發(fā)動機啟動之前,，車內(nèi)所有的電能都是由它提供的，比如啟動發(fā)動機,，聽音樂,，汽車防盜系統(tǒng)。另一個是發(fā)電機,，是汽車的主要電源,。當發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，車上的電能全部由發(fā)電機提供,，多余的電能會儲存在蓄電池中,。當發(fā)電機的電能不足以滿足汽車用電時，蓄電池會提供部分電能輔助發(fā)電機,。它們共同構成了汽車的電源系統(tǒng),。先說這個系統(tǒng)是怎么工作的，電能是怎么相互轉(zhuǎn)化的,。
首先,，汽車上電氣系統(tǒng)的特點是DC、低壓(12V或24V)和負極接地,。下面所有的討論都是在這個前提下進行的,。
先說電池。車內(nèi)電池是汽車的輔助電源,，大部分是鉛酸電池,。它是一種低壓DC可逆電源，能將化學能和電能相互轉(zhuǎn)化,。其基本結構由極板,、電解液、隔板和外殼組成,，其中極板分為正、負極板，正極板涂二氧化鉛,，負極板涂海綿狀純金屬鉛,，電解液為36%左右的硫酸水溶液。根據(jù)極板類型和隔板結構,，電池大致可分為普通電池,、免維護電池、干充電電池和膠體電池?，F(xiàn)在汽車上最常用的就是免維護電池,。具有自動啟停功能，其電池特殊,，隔膜采用玻璃纖維,，電解液吸附在隔膜上，充放電速度更快,，允許多次充放電,。如果損壞，不能用普通電池更換,。
一般車上只有一塊電池,，屬于12伏供電系統(tǒng)；有些高檔車會把主副電池并聯(lián)安裝,，供電電壓還是12伏,；在柴油機上，由于啟動扭矩較大,，一般串聯(lián)安裝兩塊電池,，形成24伏供電系統(tǒng)。那么為什么電池電壓是12伏呢,？這要從電池產(chǎn)生電能的原理說起,。
在電池靜止狀態(tài)下，在正極板上,，二氧化鉛與硫酸反應生成帶正電荷的鉛離子,，鉛離子浮在正極板上，使正極板的正電位為2V,；在負極板上,，純鉛電離成鉛離子和電子，兩個電子留在負極板上,，使負極板的負電位約為-0.1V,；從而在正負電極之間形成約2.1V的電位差，這就是鉛酸電池能建立電動勢的原理,。這種由一對正極板和負極板組成的電池稱為單體電池,。電池一般有六對單體電池,。它們串聯(lián)安裝在一起，形成一個電壓為12.6伏的電池,，這個電壓對外標稱是12伏,。然而，實際上,，如果在靜止狀態(tài)下測量電池電壓為12伏,，則剩余電量將非常少。通常,，充滿電的電池電壓介于
那么電池怎么放電呢,？當電池接負載時，由于電壓的存在,，會產(chǎn)生電流,，驅(qū)動電子從負極板流向正極板。正負極板上的金屬鉛和二氧化鉛會變成鉛離子,，然后鉛離子會和硫酸根結合生成硫酸鉛,。重復這個過程，就會形成連續(xù)的放電電流,，分子間的化學能就會轉(zhuǎn)化為電能,。這個過程會消耗電解液中的硫酸，生成附著在正負極板上的硫酸鉛,，所以隨著放電時間的延長,，電解液中的硫酸越來越少，附著在極板上的硫酸鉛越來越多,，硫酸與極板上的金屬鉛接觸越來越少,，反應速度越來越慢，放電電流越來越小,。因此,，電池在長時間放電后會變得越來越弱。當大部分電極板上覆蓋硫酸鉛時,，反應基本停止,，稱為“放電走了”。
因為電池在放電過程中消耗硫酸并生成水,，所以在放電過程中電解液的密度逐漸降低,。當電池完全沒電時，電解液的密度也降到最低,。我們可以通過測量電解液的密度來大致知道電池的放電程度,，這也是免維護電池電量觀察孔的原理。一般充滿電的電池電解液密度在1.28g/ml左右,，完全沒電的電池電解液密度在1.24g/ml左右,。而且完全放電的電池電解液冰點會上升,，在寒冷的冬天有結冰的危險。
表征電池容量的參數(shù)是額定容量,。所謂額定容量,，是指一個充滿電的新電池，在平均溫度為30的條件下,，以20小時的放電速率放電至電池電壓降至10.5V所輸出的容量，比如我們汽車上常用的電池型號是6-QA-60,，其中“60”是額定容量,，一般是以3A的電流連續(xù)放電20小時，電池電壓降至10.5V所得到的,， 電池容量越高,，內(nèi)部的正負極板、電解液等活性物質(zhì)越多,，體積越大,，成本越高。 現(xiàn)在的汽車為了降低成本,，通常會使用更小的電池,，比如用6-QA-45代替6-QA-60。電池的體積和額定容量減小,，成本也降低,。然而，這種電池不耐用,。如果發(fā)動機連續(xù)啟動幾次,，或者關掉發(fā)動機聽音樂，電池很快就會沒電,。
再來說說汽車發(fā)電機,。汽車發(fā)電機是汽車的主要電源。當發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時,，汽車內(nèi)的電能全部由發(fā)電機提供,，剩余的電能也會給蓄電池充電。現(xiàn)在汽車上用的發(fā)電機大多是硅整流三相交流發(fā)電機,。其主要結構由轉(zhuǎn)子,、定子、電刷和滑環(huán)機構,、三相橋式整流器,、軸承、風扇,、前后端蓋等組成,。
那么發(fā)電機是怎么發(fā)電的呢,？當點火開關打開時，蓄電池使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈通電,，產(chǎn)生磁場,。這個過程叫做“激發(fā)”。發(fā)電機運行初期,，這種勵磁電流由蓄電池提供,，稱為“他勵”；發(fā)電機正常運行時,，產(chǎn)生足夠的電力,，勵磁電流由發(fā)電機自身提供，稱為“自勵磁”,。然后發(fā)電機轉(zhuǎn)子在發(fā)動機曲軸的帶動下高速旋轉(zhuǎn),，定子線圈會切割轉(zhuǎn)子線圈的磁力線。根據(jù)楞次定律,，運動的導體切割磁力線時會產(chǎn)生電流,，所以定子線圈中會產(chǎn)生電流。這就是發(fā)電機發(fā)電的,。但是這樣產(chǎn)生的電是三相交流電,，不能直接用在汽車上。它必須被整流成直流電,。這項工作由安裝在發(fā)電機后蓋上的整流器完成,。它是由六個二極管組成的橋式整流電路，能將三相交流電轉(zhuǎn)換成DC脈動電壓,。
從這里我們可以看出,，發(fā)電機發(fā)電的根本原因是轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。沒有這個旋轉(zhuǎn)磁場,，就不可能產(chǎn)生電能,。而帶電導體在磁場中運動時會受到力的作用，所以發(fā)電機轉(zhuǎn)子在運行時會受到很大的阻力,。這個阻力反作用在發(fā)動機的曲軸上,，阻礙了發(fā)動機的運轉(zhuǎn)。因此,，發(fā)電機也消耗發(fā)動機功率,。從最根本的因素出發(fā)，車上的電能全部由燃油轉(zhuǎn)化而來,，所以耗電就是油耗,。一般來說，發(fā)電機的功率在0.8-1.5 kW之間,，足夠滿足車內(nèi)所有電器同時工作所消耗的電能,，還會有多余的電能給電池充電,。在一些特殊情況下，如果發(fā)電機的功率輸出不足,，電池會幫助供電,。
一般汽車發(fā)動機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速比為1，333,，602.5,，也就是說在發(fā)動機800轉(zhuǎn)的時候，也就是發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn),，發(fā)電機能運轉(zhuǎn)2000轉(zhuǎn),，就足夠發(fā)電機產(chǎn)生足夠的電力了。而且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高,，發(fā)電機的電壓和電流也會提高。為了避免電壓過高,，發(fā)電機上安裝了一個調(diào)節(jié)器來接通和切斷勵磁電流,。發(fā)電機發(fā)電過多，勵磁電流被切斷,，發(fā)電機就不發(fā)電了,。電壓降低后，勵磁電流再次接通,，發(fā)電機恢復發(fā)電,。
那么發(fā)電機如何給電池充電呢？在汽車電氣系統(tǒng)中,，發(fā)電機和蓄電池是并聯(lián)的,。發(fā)電機正常工作時，其電壓一般在13.5-14.5伏之間,，高于蓄電池的12伏電壓,。這種情況下，電池是作為負載存在的,，相當于發(fā)電機給電池供電,，也就是發(fā)電機給電池充電。
那么電能是如何儲存在電池中的呢,？電池充電時,，在外接電源的作用下，大量電子從正極片返回負極片,，使極板上的硫酸鉛還原為純鉛和二氧化鉛,，硫酸根與水分子的氫根重新結合生成硫酸，相當于將電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存在電池中,。當硫酸鉛全部還原為純鉛和二氧化鉛時,，電池就充滿電了,。如果此時繼續(xù)充電，電能會分解水,，產(chǎn)生氫氣和氧氣,。有時候電池在充電的時候會“冒泡”，其實就是電解氫和氧的逸出,。在充電過程中,，由于電解液中的硫酸越來越多，電解液的密度逐漸增加,。充電越多,，電解質(zhì)的密度越高。當極板上的硫酸鉛完全轉(zhuǎn)化時,，電解液的密度達到最高值,。
以上是汽車上的電力來源以及電池和發(fā)電機之間的相互轉(zhuǎn)換過程。在這個過程中,，發(fā)電機主要用于供電,，電池只在發(fā)動機熄火啟動時提供動力。當發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時,，如果發(fā)電機的功率不足以滿足汽車的用電需求,，蓄電池也會輔助發(fā)電機供電。比如一些小排量發(fā)動機在低速運轉(zhuǎn)時,，如果同時打開大燈等大功率電器,，發(fā)電機負載過大，運轉(zhuǎn)阻力過大,，就會反作用在發(fā)動機上,，發(fā)動機抖動嚴重。此時蓄電池會參與供電,，以免發(fā)電機過載,，發(fā)動機熄火。
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