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第一章 电源系统汽车拖拉机电源系统的功用是向整车用电设备提供电能。电源系统主要由蓄电池、发电机和调节器组成。在汽车拖拉机上装备的蓄电池和发电机两个直流电源中，蓄电池是辅助电源，发电机是主要电源；调节器是一种电压调节装置，其功用是在发电机转速变化时自动调节发电机的输出电压并使其保持稳定。在汽车拖拉机上，蓄电池与发电机并联工作，整车电器与电子设备均与两个直流电源并联连接（图1-1）。电路一般采用电压为12V或24V的单线制直流电路。图1-1 整车用电设备与电源并联连接第一节 蓄电池一、蓄电池的功用蓄电池种类较多，根据电解液不同，有酸性和碱性之分。由于铅酸蓄电池内阻小，电压稳定，在短时间内能供给较大的起动电流，而且结构简单，价格较低，所以在汽车拖拉机上被广泛采用。蓄电池为一可逆直流电源，在汽车拖拉机上与发电机并联，它的主要作用是：（1）发动机起动时，蓄电池向起动机和点火装置供电。起动发动机时，蓄电池必须在短时间内（510s）给起动机提供强大的起动电流（汽油机为200600A。柴油机有的高达1000A）。（2）在发电机不发电或电压较低发动机处于低速时，蓄电池向点火系及其它用电设备供电，同时向交流发电机供给他激励磁电流。（3）当用电设备同时接入较多，发电机超载时，蓄电池协助发电机共同向用电设备供电。（4）当蓄电池存电不足，而发电机负载又较少时，可将发电机的电能转变为化学能储存起来，即充电。（5）蓄电池还有稳定电网电压的作用。当发动机运转时，交流发电机向整个系统提供电流。蓄电池起稳定电器系统电压的作用。蓄电池相当于一个较大的电容器，可吸收发电机的瞬时过电压，保护电子元件不被损坏。延长其使用寿命。二、蓄电池的构造蓄电池的构造如图12所示，车用12V蓄电池均由6个单格电池串联而成，每个单格的标称电压为2V，串联成12V的电源，向汽车拖拉机用电设备供电。图12 蓄电池的构造1.正极板 2.负极板 3.肋条 4.隔板 5.护板 6.封料 7.负极接线柱 8.加液孔螺塞 9.连接条 10.正板接线柱 11.电极衬套 12.蓄电池外壳蓄电池主要由极板、电解液、格板、电极、壳体等部分组成。1极板极板分为正极板和负极板两种。蓄电池的充电过程是依靠极板上的活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。正极板上的活性物质是深棕色的二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质是海绵状、青灰色的纯铅（Pb）。极板的形状如图1-3所示。 图1-3 极板的形状正、负极板的活性物质分别填充在铅锑合金铸成的栅架上，加入锑的目的是提高栅架的机械强度和浇铸性能。但锑有一定的副作用，锑易从正极板栅架中解析出来而引起蓄电池的自行放电和栅架的膨胀、溃烂，从而影响蓄电池的使用寿命。负极板的厚度为1.8mm，正极板为2.2mm，为了提高蓄电池的容量，国外大多采用厚度为1.11.5mm的薄型极板。另外，为了提高蓄电池的容量，将多片正、负极板并联，组成正、负极板组。在每单格电池中，负极板的数量总比正极板多一片，正极板都处于负极板之间，使其两侧放电均匀，否则因正极板机械强度差，单面工作会使两侧活性物质体积变化不一致，造成极板弯曲。2隔板为了减少蓄电池的内阻和体积，正、负极板应尽量靠近但彼此又不能接触而短路，所以在相邻正负极板间加有绝缘隔板。隔板应具有多孔性，以便电解液渗透，而且应具有良好的耐酸性和抗碱性。隔板材料有木质、微孔橡胶、微孔塑料以及浸树脂纸质等。近年来，还有将微孔塑料隔板做成袋状，紧包在正极板的外部，防止活性物质脱落。3壳体蓄电池的外壳是用来盛放电解液和极板组的，外壳应耐酸、耐热、耐震，以前多用硬橡胶制成。现在国内已开始生产聚丙稀塑料外壳。这种壳体不但耐酸、耐热、耐震，而且强度高，壳体壁较薄（一般为3.5mm，而硬橡胶壳体壁厚为10mm），重量轻，外型美观，透明。壳体底部的凸筋是用来支持极板组的，并可使脱落的活性物质掉入凹槽中，以免正、负极板短路，若采用袋式隔板，则可取消凸筋以降低壳体高度。4电解液电解液的作用是使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应，它由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成。电解液的相对密度一般为1.241.30（15）5联条车用12V蓄电池的6个单格电池之间的连接方法有两种，一种是用装在盖子上面的铅质联条串联起来，连条露在蓄电池盖表面（图1-4a），这是一种传统的连接方式，不仅浪费铅材料，而且内阻较大，故这种连接方式正在逐渐被淘汰。第二种是采用穿壁式连接方式（图1-4b）。 （a） （b）图1-4 单格电池的连接方式1.容器间壁 2.连条 3. 蓄电池盖（a）外连接式 （b）穿壁式蓄电池各单格电池串联后，两端单格的正负极桩分穿出蓄电池盖，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。6加液孔盖加液孔盖可防止电解液溅出。加液孔盖上有通气孔，便于排出蓄电池内的H2和O2，以免发生事故，如在孔盖上安装氧过滤器，还可以避免水蒸汽的溢出，减少水的消耗。 三、蓄电池的型号蓄电池的型号按我国机械工业部JB259985起动用蓄电池标准规定，其型号编制和含义由5个部分组成：串联单格数蓄电池类型蓄电池特征额定容量特殊性能 1 2 3 4 51表示串联单格数，用阿拉伯数字表示。如：6表示有6个单格，12V的蓄电池。2表示蓄电池类型，用汉语拼音的第一个字母表示，如Q为起动型。3表示蓄电池特征，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，特征也以汉语拼音字母表示（表1-1），如“A”表示干式负荷电极板。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。而干封蓄电池一般略去不写。4表示20h放电率额定容量，用阿拉伯数字表示，单位为Ah。5表示特殊性能，用汉语拼音第一个字母表示，如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。例如：东风EQl40汽车用6Q105型起动蓄电池，即是由6个单格电池串联，额定电压为12V，额定容量为105Ah的干封式起动型蓄电池。解放CAl41汽车用6QA100型蓄电池，即是由6个单格电池串联，额定电压为12V，额定容量为100Ah的干荷式起动型蓄电池。表1-1 铅酸蓄电池特征代号特征代号蓄电池特征特征代号蓄电池特征特征代号蓄电池特征A干荷电J胶体电解液D带液式H湿荷电M密闭式Y液密式W免维护B半密闭式Q气密式S少维护F防酸式I激活式四、蓄电池的工作原理蓄电池的充电过程和放电过程是一种可逆的化学反应，充放电过程中蓄电池内的导电是靠正、负离子的反向运动来实现的。1放电过程当极板浸入电解液时，在负极板，有少量铅溶入电解液生成Pb2+，从而在负极板上留下两个电子2e，使负极板带负电，此时负极板具有0.1V的负电位。在正极板处，少量PbO2溶入电解液，与水反应生成Pb（OH）4再分离成四价铅离子和氢氧根离子。一部分Pb4+沉附在正极板上，使极板呈正电位，约为2.0V。故当外路未接通时，蓄电池的静止电动势E0约为：E02.0 -（0.1）2.1V若接通外电路，在电动势的作用下，使电路产生电流If，在正极板处Pb4+ 和负极板来的电子结合，生成二价铅离子Pb+ +，Pb+ +再与电解液中的SO42- 结合，生成PbSO4而沉附在正极板上，使得正极板电位降低，则正极板上的总反应式为：在负极板处Pb2+与SO42-结合，生成PbSO4而沉附在负极板上。正极板上的总反应式为：放电过程可归纳为图1-5来表示。图1-5 蓄电池的放电过程如果外电路不中断，正、负极板上的PbO2和Pb将不断地转化为PbSO4。电解液中的H2SO4将不断的减小，而H2O增多，电解液相对密度下降。理论上讲，放电过程将进行到极板上的活性物质全部变为PbSO4为止。但由于电解液不能渗透到活性物质的最内层中去，在使用中，所谓放电完了的蓄电池，也只有2030的活性物质变成了PbSO4。故采用薄型板，增加多孔率，有促于提高活性物质的利用率。2充电过程充电时，蓄电池接直流电源，因直流电源端电压高于蓄电池电动势，故电流从正极流入，负极流出。这时，正、负极板发生的反应与放电过程相反，如图1-6所示。图1-6 蓄电池的充电过程正极板处有少量PbSO4溶于电解液变成Pb2+和SO42-，Pb2+在电源力作用下失去两个电子变成Pb4+，它又和电解液中OH结合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉附在正极板上，而SO42-与电解液中的H+结合成H2SO4，则正极板上总反应为：负极板上有少量PbSO4溶入电解液中，变成Pb2+和SO42-，Pb2+在电源作用下获得两个电子变成Pb，沉附在附报板上，SO42-则和电解液中H+结合变成H2SO4，则负极板上总反应为：可见充电过程中消耗了水，生成了硫酸，故充电时电解液的相对密度是上升的，而放电时电解液相对密度是下降的。蓄电池在充、放电过程中，总的反应如下：五、蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性主要包括静止电动势、内阻、充放电特性和容量等。1静止电动势和内阻在静止状态下（是指不充电不放电的情况），蓄电池正、负极板的电位差（即开路电压）称为蓄电池的静止电动势E0，其大小取决于电解液的相对密度和温度。在相对密度为1.0501.300范围内，单格电池的静止电动势E0可用如下经验公式来近似计算：E0 =0.84 15式中，15为电解液在15时的相对密度。实测所得电解液相对密度应按下式换算成15时的相对密度：15 = t（t15）式中，t实际测得的相对密度；t实际测得的温度；相对密度温度系数，=0.00075，即电解液温度升高1，相对密度下降0.00075。蓄电池电解液的相对密度在充电时增高，放电时下降，一般在1.121.38之间波动，因此蓄电池的静止电动势也相应的变化在1.972.15V之间。蓄电池的内阻包括极板、隔板、电解液、铅质联条等的内阻。充电后，极板电阻变小；放电后，由于生成的PbSO4增多，极板电阻增大。隔板电阻因所用材料而异，木质隔板电阻比其他隔板电阻大。电解液的电阻随相对密度、温度而变化，电阻随温度的降低而增大，另外，当相对密度为1.2（15），因电解液离解最好，电阻最小。总之，蓄电池的内阻比较小，能获得较大的输出电流，适合起动的需要。2充电特性蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压UC、电动势E和电解液相对密度15随时间变化的规律。图1-7为蓄电池以恒电流充电时的特性曲线。图1-7 蓄电池的充电特性曲线Ic.充电电流 Uc.充电端电压 E.电动势 E0.静止电动势 R0.内阻 t.充电时间 E.电位差 15.电解液在15时的相对密度在充电过程中，电解液相对密度r15，静止动电势E0与充电时间成直线关系增长。端电压Uc也不断上升，并总大于电动势E0。充电开始阶段，电动势和端电压迅速上升，然后缓慢上升到2.32.4V，开始产生气泡，接着电压急剧上升到2.7V，但不再上升，电解液呈现“沸腾”状态，这就是充电终了。如果此时切断电流，电压将迅速降低到静止电动势E0的数值。端电压Uc如此变化的原因是：刚开始充电时，在极板孔隙表层中，首先形成硫酸，使孔隙中电解液相对密度增大，Uc和E0迅速上升，当继续充电至孔隙中产生硫酸的速度和向外扩散速度达到平衡时，Uc和E0随着整个容器内电解液相对密度缓慢上升。当端电压达到2.32.4V时，极板上可能参加变化的活性物质几乎全部恢复为PbO2和Pb，若继续通电，便使电解液中水分解，产生H2和O2，以气泡形式放出，形成“沸腾”现象。因为氢离子在极板与电子的结合不是瞬时的而是缓慢的，于是在靠近负极板处积存大量的正离子H+，使溶液和极板产生附加电位差（0.33V），因而端电压急剧升高到2.7V左右，此时应切断电路，停止充电，否则不但不能增加蓄电池的电量，反而会损坏极板。由此可知，蓄电池充电终了的特征是：（1）蓄电池内产生大量气泡，形成“沸腾”现象；（2）电解液相对密度，端电压上升到最大值，且23h内不再增加。3放电特性蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf、电动势E和电解液相对密度r15随时间而变化的规律，图1-8为蓄电池以恒电流放电时的放电特性曲线。图1-8 蓄电池的放电特性If.放电电流 Uf.放电端电压 E.电动势 E0.静止电动势 R0.内阻 t.放电时间 E.电位差 15.电解液在15时的相对密度放电过程中，电流恒定，单位时间内所消耗的硫酸量是一定的，所以电解液的相对密度r15沿直线下降，一般r15每下降0.0280.030，则蓄电池放电约为额定容量的25。因静止电动势E0与r15成正比，所以E0也是沿直线下降。放电过程中，因为蓄电池内阻只上有压降，所以端电压Uf总是小于电动势E，放电刚开始时，端电压Uf从2.1V迅速下降，这是因为极板孔隙中硫酸迅速消耗，相对密度降低的缘故。当渗透到极板孔隙的硫酸和消耗的硫酸达到平衡时，端电压将随着整个容器电解液的相对密度降低而缓慢下降到1.85V，接着迅速下降到1.75V，此时应停止放电，若继续放电，端电压将急剧下降，损坏极板，这是因为放电接近终了时，极板的活性物质大部分已转变为PbSO4而积聚在孔隙中，将孔隙堵塞，容器中电解液渗入极板内层比较困难，使极板孔隙中电解液相对密度迅速下降，从而使端电压急剧下降。蓄电池放电终了的特征是：(1) 电解液相对密度降低到最小许可值（约1.11）；(2) 单格电池的端电压降至放电终止电压值1.75V。容许的放电终止电压与放电电流强度有关，放电电流强度越大，则放完电的时间越短，而容许的放电终止电压越低，见表1-2。表1-2 放电电流与终止电压放电电流（A）0.05 C200.1 C200.25 C20C203 C20连续放电时间（h）201030.5（30min）5min单格电池终止电压（V）1.751.701.651.551.5注：表中C20为蓄电池的额定容量。4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在放电容许的范围内蓄电池输出的电量，它标志蓄电池对外供电的能力。即式中，C蓄电池容量（Ah）；If放电电流（A）；tf放电时间（h）。蓄电池的容量与放电电流大小、电解液的温度有关，因此，蓄电池的标称容量是在一定的放电电流、一定的终止电压和一定的电解液温度下确定的。标称容量有两种：额定容量和储备容量。1）额定容量C20 根据国标GB5008.191起动型蓄电池技术条件规定，额定容量是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25，以20h的放电率放电至单格电压降到1.75V（12V蓄电池端电压下降至10.500.05V）时所输出的电量。2）储备容量Cm 根据国标GB5008.19起动型蓄电池技术条件规定，Cm是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25时，以25A电流连续放电到单格电池电压降至1.75V所持续的时间，其单位为min。蓄电池的储备容量说明当汽车拖拉机充电系失效时，蓄电池尚能持续提供25A电流的能力。表示蓄电池在发动机起动时的供电能力，一般有常温起动容量和低温起动容量两种。（2） 蓄电池容量的影响因素影响蓄电池容量的因素主要有：放电电流、电解液温度、电解液相对密度和极板构造等。1）放电电流放电电流越大，则极板表面活性物质的孔隙很快被生成的PbSO4所堵塞，使极板内层的活性物质不能参加化学反应，故蓄电池容量减小，蓄电池放电电流对蓄电池容量的影响如图1-9a所示。（a）放电电流 （b）电解液温度 （c）电解液相对密度图1-9 不同因素对蓄电池容量的影响2）电解液的温度温度降低，则容量减小，这是因为温度降低后，电解液的粘度增加，渗入极板内部困难，同时内阻增大，蓄电池端电压下降所致。蓄电池电解液温度对蓄电池容量的影响如图1-9b所示。3）电解液的相对密度适当增加电解液的相对密度，可以提高蓄电池的电动势和容量，但相对密度过大又将导致粘度加和内阻增大，反而使容量减小。蓄电池电解液相对密度对蓄电池容量的影响如图1-9c所示。4）极板的构造极板有效面积越大，片数越多，极板越薄，蓄电池的容量也越大。四、蓄电池的充电1充电种类（1）初充电对新电池或修复后的蓄电池的首次充电，叫初充电。初充电的特点是充电电流小，充电时间较长。首先按厂家的规定，加注一定相对密度的电解液，电解液加入蓄电池之前，温度不能超过30。注入电解液后，静置36h。此时，若液面因电解液的渗入而降低，应补充到高出极板上缘15mm，然后按表1-3蓄电池充电规范中初充电电流大小进行充电。初充充电常分为二个阶段，第一阶段充电至电解液中放气泡，单格电池为2.4V为止；第二阶段将电流减半，继续充到电解液中剧烈放出气泡（沸腾），电解液相对密度和电压连续3h稳定不变为止。全部充电时间为6070h。表1-3 蓄电池充电电流规范充电过程中应经常测量电解液温度，当上升到40时应将充电电流减半，若继续上升到45，则应停止充电，待冷却到35以下再充电。充电临近完毕时，应测量电解液相对密度，如不符合规范，应用相对密度为1.4的电解液或蒸馏水进行调整，然后再充电2h，直至相对密度符合规范为止。（2）补充充电蓄电池在使用中，常有充电不足的现象，应根据需要及时进行补充充电，一般每月一次。如发现下列现象，必须随时进行充电：1）电解液相对密度下降到1.150以下。2）冬季放电超过25，夏季超过50。3）起动无力，灯光暗淡，单格电池电压降至1.7V以下。补充充电电流值见表13，常分两阶段进行，方法和初充电相同，一般为1316h。（3）预防硫化过充电为预防蓄电池因充电不足而造成的硫化，每隔3个月进行一次预防硫化过充电，即用平时补充充电的电流值将电流充足，中断1h，再用1/2的补充充电电流值进行充电至沸腾为止。反复几次，直到刚接入充电，蓄电池立即“沸腾”为止。（4）锻炼循环充电蓄电池在使用中常处于部分放电状态，参加化学反应的活性物质有限。为了迫使相当于额定容量的活性物质参加工作，以避免活性物质长期不工作而收缩，可每隔三个月进行一次锻炼循环充电，即在正常充电后，用20h的放电率放完电，再正常充足后送出使用。2充电方法蓄电池的充电方法有定电流充电、定电压充电、快速脉冲充电。（1）定电流充电在充电过程中，充电电流保持一定的充电方法称为定流充电。在充电过程中随着蓄电池电动势的提高，要保持电流恒定，充电电压也须相应提高。当单格电池电压上升到2.4V时，应将电流减半，直到蓄电池完全充足。采用这种方法充电，不论6V或12V蓄电池均可串联在一起，但各个电池的容量应尽可能接近，否则充电电流的大小应按容量小的蓄电池来计算，待小容量电池充满后，应随时拿出，再继续给大容量的蓄电池充电。定电流充电有较大的适应性，可任意选择充电电流，适用初充电和去硫化充电，其缺点是充电时间长，且须不断地调整充电电压。（2）定电压充电在充电过程中，将充电电压保持恒定的方法称为定电压充电，这种方法在充电过程中，蓄电池电动势E，充电电流Ic的变化规律如图1-10所示，随着电动势的提高充电电流会逐渐减小，如果充电电压调节得当，就必然会出现充满电的情况，即充电电流为零时，这就表示充电终了。图1-10 定电压充电曲线采用定电压充电，要选择好充电电压，若电压过高（图1-10虚线2），充电电流大，导致过充电，从而影响蓄电池的使用寿命，若电压过低（图1-10虚线1），则会使蓄电池充电不足，一般每单格电池约需2.5V。定电压充电，充电电流较大，开始充电后45h内蓄电池就可获得本身容量9095，因而可大大缩短充电时间，比较适合于补充充电。定电压充电中，各蓄电池必须并联，且各蓄电池的额定电压要相同。（3）脉冲快速充电上述的充电方法统称“常规充电”，要完成一次初充电需6070h，补充充电也需20h，由于充电时间较长，给使用带来了不便。但是单纯地加大充电电流来缩短充电时间是行不通的。因为这样不仅使充电时蓄电池达不到额定容量，反而会使蓄电池温升快，产生大量气泡，造成活性物质脱落而影响使用寿命。近年来，我国的快速充电技术发展较快，并成功地研制了可控硅快速充电机，使新蓄电池初充电一般不超过5h，补充充电也只需0.51.5h，大大缩短了充电时间，提高了效率。五、其他类型蓄电池普通的铅酸蓄电池也称之为干封蓄电池，此种蓄电池启用时需加电解液再经初充电后才能使用。通过结构、工艺和材料等方面的改进，使蓄电池使用性能、维护性能等均有所提高。因此，产生了多种新型蓄电池。1干荷电铅蓄电池干式荷电蓄电池，与普通干封式电池的区别是极板组在干燥状态下能够长期保存在制造过程中所得到的电荷，在规定的保存期内（两年）如需使用，只要灌入符合规定相对密度的电解液，搁置30min，调整液面高度至规范值，不需要充电，即可使用。因此，它使用方便，是应急的理想电源，已成为近年来发展的方向。干荷电铅蓄电池之所以具有干荷电性能，主要在于负极板的制造工艺与普通蓄电池不同。正极板的活性物质PbO2化学活性比较稳定，其荷电性能可以较长期的保持。而负极板上的活性物质铅（Pb），由于表面积大，化学活性高，容易氧化，所以在负极板的铅膏中加入松香、油酸、硬脂酸等防氧化剂；并且在化成过程中有一次深放电循环，使活性物质达到深化。化成后的负极板，先用清水冲洗后，再放入防氧化剂溶液（硼酸、水扬酸混合液）中进行浸渍处理，让负极板表面生成一层保护膜，并采用特殊干燥工艺（干燥罐中充入惰性气体），这样即可制成干荷电极板。对贮存期超过的干荷电铅蓄电池，因极板部分氧化，使用前应进行补充充电。2湿荷电蓄电池存放期极板呈湿润状态而保持其荷电性的蓄电池称之为湿荷电蓄电池。湿荷电蓄电池较之干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荷电蓄电池加注电解液后立即放电，可放出额定容量的50。湿荷电蓄电池使用前对其进行补充充电，就可以达到额定的容量。湿荷电蓄电池适宜于无需长期存放的场合。3胶体电解质铅蓄电池在胶体电解质蓄电池中，电解质用经过净化的硅酸钠溶液和硫酸水溶液混合后，凝结成稠厚的胶状物质，故而得名。胶体电解质铅蓄电池的主要优点是电解质呈胶体状，不流动，无溅出，使用时只需加蒸馏水，不需要调整和测量相对密度值。使用、维护、保管、运输都比较安全和方便。同时，可保护极板活性物质不易脱落。寿命比一般铅蓄电池长20以上。其缺点是内阻较大，起动容量较小，自放电程度较高。4免维护蓄电池免维护蓄电池（也叫MF蓄电池），在合理使用过程中不需添加蒸馏水，如短途车可行驶8万公里，长途车可行驶4048万公里，不需进行维护，可用3.54年不必加水，同时电桩腐蚀轻，自行放电少。在车上或贮存时不需要补充充电。免维护蓄电池的结构特点：（1）极板栅架采用铅钙合金或低锑合金，减少了析气量和耗水量，自行放电也大大减小。（2）采用袋式聚乙烯隔板，将极板包住，减小了极板上活性物质的脱落，同时也防止了极板短路。（3）在气孔盖的内部设置了一个氧化铝过滤器，它既可以使H2和O2顺利溢出，又可防止水蒸气和H2SO4气体散失，故减小了电解液的消耗。（4）单格电池间的连接条采用穿壁式贯通连接，可减小内阻。（5）采用聚丙烯塑料外壳，底部无筋条，降低了极板的高度，增加了上部的容积，使电解液的贮存增多。总之，免维护蓄电池在使用中不需加水，具有放电少、寿命长、起动性能好、接线柱腐蚀较小等优点。5碱性蓄电池碱性蓄电池与酸性蓄电池比较，具有寿命长、维护简便、腐蚀性小、极板机械强度高等优点，但价格高，内阻大，故未能广泛用于汽车拖拉机上。碱性蓄电池按极板活性材料不同，可分为镉镍蓄电池，铁镍蓄电池和银锌蓄电池等，下面以镉镍蓄电池为例，说明其工作原理。镉镍蓄电池正极为氢氧化镍，负极为镉，电解液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，隔板的材料是橡胶或塑料。外壳用优质钢板制成，或耐寒ABS树脂注成。两极的化学反应是可逆的，其化学反应式为：放电充电2Ni（OH）32KOHCd 2Ni（OH）22KOHCd（OH）2电解液KOH只作电流的传导，在充、放电过程中，其浓度几乎不变，因而不能根据电解液相对密度的高低来判断其充放电程度，只能从电压的变化进行判断。镉镍蓄电池单格电压为1.2V，因此6V蓄电池由5个单格组成，12V蓄电池由9个单格组成，与相同特性的铅蓄电池相比，重量轻35、体积小30、价格高35倍，但使用寿命要长46倍。第二节 发电机及调节器发电机是汽车拖拉机上的主要电源。在正常工作时，发电机应对除电起动机外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电，以补充蓄电池在使用中所消耗的电能。汽车拖拉机上采用的发电机有直流发电机和交流发电机两种。长期以来，汽车拖拉机上采用的是直流发电机，由于靠整流子换向的直流发电机已不能适应现代汽车拖拉机的要求，而逐渐被交流发电机所取代。交流发电机的采用，是汽车拖拉机电器的一大突破。它始用于50年代，当今世界发达国家均已在汽车拖拉机上普遍采用硅整流交流发电机，我国也从70年代开始使用，并已迅速普及。所以本书不再叙述直流发电机及其调节器。交流发电机与直流发电机相比，在结构方面带有根本性差别的是用硅二极管的固体换向器取代了机械整流器。这就是交流发电机优于直流发电机的主要原因之一。一、交流发动机的类型车用交流发电机是一个三相同步交流发电机，通过硅二极管组成的三相桥式整流电路将定子绕组所产生的交流感应电流变为直流电流输出，所以也称之为硅整流发电机。交流发电机按总体结构的不同，可分为普通式、整体式、带泵式、无刷式和永磁式等多种型式。按磁场绕组搭铁型式不同，交流发电机可分为：内搭铁式和外搭铁式两种。二、交流发电机的构造普通硅整流交流发电机由三相同步交流发电机和6只硅二极管组成的三相桥式全波整流器组成，图1-11为交流发电机的构造，图1-12为交流发电机的分解图。图1-11 交流发电机的结构图1-12 交流发电机分解图1.后端盖 2.电刷架 3.电刷 4.电刷弹簧压盖 5.硅二极管 6.元件板（散热板）7.转子总成 8.定子总成 9.前端盖 10.风扇 11.V带轮1转子转子是交流发电机的磁场部分，主要由两块爪极、磁场绕组、轴和滑环等组成，如图113所示。两块爪极各具有6个鸟嘴形磁极，压装在转子轴上，在爪极的空腔内装有磁轭，其上绕有磁场绕组（又称励磁绕组或转子线圈）。磁场绕组的两引出线分别焊在与轴绝缘的两个滑环上，滑环与装在后端盖上的两个电刷接触。当两电刷与直流电源接通时，磁场绕组中便有磁场电流通过，产生轴向磁通，使得一块爪极被磁化为N极，另一块爪极为S极，从而形成了六对相互交错的磁极。图1-13 转子结构1.滑环 2.转子轴 3.爪极 4.磁轭 5.磁场绕组2定子定子又叫电枢，由铁心和三相绕组组成，其功用是产生感应电动势。定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成。定子槽内置有三相电枢绕组。为了使三相电枢绕组中产生大小相等、相位上互差120（电角度）的对称电动势，三相电枢绕组的绕法需遵循下列原则：（1）每相绕组的线圈个数和每个线圈的节距与匝数都必须完全相等。以JF11型发电机为例（图1-14），磁极对数为6，定子总槽数为36，每相绕组占有的槽数为36/312，并且采用的是单层集中绕法，即每个槽内放置一个有效边（一个线圈有两个有效边，放在两个定子槽内）。因此，每相绕组都由6个线圈串联而成，每个线圈有13匝，则每相绕组共有613=78匝。每个线圈的两个有效边之间间隔的定子槽数叫做线圈节距，相邻两异性磁极中心线之间的槽数称为极距。即：图1-14 JF11型发电机定子绕组及展开图1.定子铁心 2.定子槽 3.铆钉 4.定子绕组（2）三相绕组的首端A、B、C在定子槽内的排列必须相隔120电角度。转子旋转时，磁极的磁场不断地和定子中的导体做相对运动，在定子绕组中产生交流电动势。每转过一对磁极，定子导体中的感应电动势就变化一个周期，即360电角度。每个磁极在定子圆周上占有的槽数为36/123，即180电角度，所以每两个相邻的槽的中分线之间为180/360电角度。为了使三相绕组各个首端之间相隔120电角度，即线圈的节距为3，各首端之间的距离应为23n个槽（n0、1、2、）即2、5、8、11 槽均可。三相绕组展开图如图112所示。A、B、C三个首端依次放入1、9、17三个槽中，而末端x、y、z则相应地放入3、6、14三个槽内，就可保证三相绕组之间的相位差为120电角度。三相电枢绕组的连接方法有星形接法（亦称Y形接法）和三角形接法（亦称形接法）两种，如图1-15所示。Y形接法即将三相绕组的3个末端x、y、z连接在一起，将三相绕组的首端A、B、C作为交流发电机的交流输出端。形接法是将每相绕组的首端和另一绕组的末端依次相连接，因而有3个接头，这3个接点即为交流发电机的交流输出端。车用交流发电机大多采用Y形接法，只有少数大功率交流发电机采用形接法。图1-15 三相绕组的连接方法3.整流器整流器的功用是将发电机定子绕组产生的交流电变换为直流电。一般由6只整流硅二极管和安装二极管的散热板组成。目前国内外采用的交流发电机均为负极搭铁。压装在后端盖上的二极管，其引线为二极管的负极，俗称负极管子，壳体上涂有黑色标记。负极管子的外壳（二极管的正极）和发电机的外壳接在一起成为发电机的负极（搭铁极）。压装在元件板上的二极管，其引线为二极管的正极，俗称正极管子，壳体上涂有红色标记。3个正极管子的外壳压装在元件板的3个孔中，与元件板接在一起成为发电机的正极，经螺栓引至后端盖的外部作为发电机的电枢（火线）接线柱，标记“电枢”或“”，如图1-16所示。元件板与后端盖之间用尼龙或其他绝缘材料制成的垫片隔开，并固定在后端盖上。图1-16 硅二极管安装示意图1.元件板 2.正极管（红色标记） 3.负极管（黑色标记） 4.后端盖 B.电枢接柱 E.搭铁4.端盖前后端盖均由铝合金压铸或砂模铸造而成，这是因为铝合金为非导磁性材料，可减少漏磁并具有轻便、散热性能良好的优点。为了提高轴承孔的机械强度，增加其耐磨性，在端盖的轴承座孔内镶有钢套。为了保证发电机在工作时不致因温升过高而损坏，在发电机转子轴上装有风扇（用钢板冲制而成或铝合金压铸而成），后端盖上有进风口，前端盖上有出风口。当发电机轴旋转时，风扇也一起旋转，使空气高速流经发电机内部对发电机进行强制冷却。5.电刷组件电刷组件由电刷、电刷弹簧和电刷架组成。电刷装在电刷架的孔内，借电刷弹簧的压力与转子总成上的滑环保持接触，用于给转子绕组提供励磁电流。电刷架由酚醛玻璃纤维塑料模压而成或用玻璃纤维增强尼龙制成，安装在发电机的后端盖上。电刷架有两种形式，一种是外装式，从发电机的外部拆下电刷弹簧盖板即可拆下电刷（图1-17a）；另一种是内装式，需拆开发电机后才能拆下电刷（图1-17b）。电刷通过弹簧与转子轴上的滑环保持接触。（a） （b）图l-17 发电机电刷组件（a）外装式 （b）内装式三、交流发电机的工作原理1.三相交变电动势的产生汽车拖拉机用交流发电机的工作原理示意如图1-18所示。图1-18 交流发电机工作原理当转子旋转时，磁力线和定子绕组之间产生相对运动，在三相定子绕组中产生交流电动势。交流电动势的频率f （HZ）为：式中，p磁极对数；n发电机转速，rmin。在交流发电机中，其磁场的分布近似正弦规律，所以交流电动势也近似正弦波形。三相电枢绕组在定子槽中是对称绕制的，因此，三相交流电动势大小相等，相位差互为120电角度，其瞬时值为：式中，E每相电动势的有效值，V；电角速度，。每相电动势的有效值 E为：E = 4.44 k f nm （V）式中，k绕组系数，采用整距集中绕组时k =1；f感应电动势的频率，Hz；n每相绕组匝数；m每极磁通，Wb。2.整流原理定子绕组中感应出的交流电动势，是通过6个硅二极管组成的三相桥式整流电路改变为直流电的。二极管具有单向导电性。当给二极管加上正向电压（正极电位高于负极电位）时导通，即呈现低电阻电状态；当给二极管加上反向电压（正极电位低于负极电位）时截止，即呈现高电阻状态。利用二极管的这种单向导电特性，就可以把交流电变为直流电。三相桥式整流电路的原理如图1-19所示。图1-19 三相桥式整流电路及电压波形（a）电路 （b）三相交流电动势 （c）整流后的直流输出电压在三相桥式整流电路中，三只正极管子VD1、VD3、VD5的负极连接在一起，在某一瞬间，正极电位最高的管子导通。而3只负极管子VD2、VD4、VD6的正极连接在一起，在某一瞬间，负极电位最低的管子导通。根据上述原理，其整流过程如下：在t0时，uA0，uB为负值，uC为正值。则二极管VD5、VD4处于正向电压作用下而导通。电流从C相流出，经VD5负载、VD4回到B相构成回路。由于二极管内阻很小，所以此时B、C之间的线电压几乎都加在负载上。在t1t2时间内，A相电压最高，而B相电压最低，VD1、VD4处于正向电压而导通，A、B之间的线电压加在负载上。在t2t3时间内，A相电压仍最高，而C相电压变为最低，VD1、VD6导通。A、C之间的线电压加在负载上。在t3t4时间内，VD3、VD导通。依次下去，周而复始，在负载上得到一个比较平稳的直流脉动电压，其电压波形见图116（c）。发电机输出直流电压的平均值为U1.35UL2.34 U（Y连接）U1.35UL1.35 U（连接）式中，UL线电压的有效值，V；U相电压的有效值，V。如考虑硅二极管正向导通时电压降Ud值，侧应减去Ud值（Ud =0.20.6）。由于三相桥式整流电路中，在交流电的每一个周期内，每只二极管只有1/3时间导通，所以每只二极管的平均电流ID。为负载电流I的1/3，即：实际上，汽车拖拉机交流发电机中所选用的二极管其最高反向工作电压要高得多，这是因为考虑到拖拉机电路中由其他电器设备产生的自感电动势可能会作用于发电机的二极管，所以反向电压必须有一定的安全系数。国产交流发电机配用的ZQ型二极管，其最高反向工作电压为200V。三相定子绕组采用星形接法时，三相绕组3个末端的公共接点称为三相绕组的中性点（N），中性点对发电机的搭铁端是有电压的，称为中性点电压。它是通过3个负极管子整流后得到的直流电压，故该点的直流电压等于发电机直流输出电压的一半，即：式中，UN中性点直流电压，V；U发电机直流输出电压，V。有些交流发电机用导线将中性点引出，接线柱标记为“N”，如图1-20所示。中性点通常用来控制各种用途的继电器，如磁场继电器、充电指示灯继电器等。3.励磁方法发电机不接外电源时，也能自激发电，但必须有剩磁并且发电机转速要足够高才行。为了克服发电机在低速时不能很快建立电压的缺点，在发电机转速较低，发电机电压低于蓄电池电压时，由蓄电池通过电源开关供给磁场电流，进行他激，使电压很快上升。当发电机转速升高，发电机电压超过蓄电池电压时，进行自激，并对外输出。图1-20 带有中性点接线柱的交流发电机四、交流发电机的工作特性交流发电机的工作特性包括空载特性、输出特性和外特性。1.空载特性当发电机空载时（即负载电流I0），发电机端电压U与发电机转速率n的函数关系U=f（n），称为发电机的空载特性，其曲线如图1-21所示。曲线形状与发电机的磁路关系较大，磁路气隙越小，漏磁越小，电压上升率越大。随着磁路的饱和，气隙磁通会在某一转速下保持恒定而不再增加，若发电机不配用调节器，随着转速的增加，端电压将不断上升。U=f（n）曲线的渐近线为一直线。图1-21 交流发电机的空载特性2.输出特性输出特性也称负载特性，是指发电机向负载供电时，保持发电机输出电压一定，输出电流I与发电机转速n之间的函数关系If（n）。如图1-22所示为某交流发电机的输出特性曲线。图1-22 交流发电机的输出特性该特性曲线表明，当发电机端电压保持不变时，（12V发电机保持14V，24V发电机保持28V），其输出电流随着转速（nn1）增加而逐渐增大。当nn1时，因发电机端电压低于额定值，发电机不能对外输出电流，车用电器只能由蓄电池供电，故n1称为空载转速。n1常用来作为选择发电机与发动机传动比的主要依据。发电机达到额定功率（或电流）时的转速称为额定转速（或满载转速）n2，这时发电机的负载电流为额定电流IN。空载转速n1和满载转速n2是发电机的主要性能指标。在产品说明书中均有规定。使用中，只要测得这两个数据，与规定值相比即可判断发电机性能是否良好。当发电机的转速超过某一数值后，输出电流逐渐超过某一稳定值最大输出电流Im。这表明交流发电机具有自动限制输出电流的自保护能力。一般情况下，Im1.5IN。交流发电机的自限流能力来自下面两个原因：其一，定子电流的增大，电枢反应增强，即定子电流形成的磁场对转子磁场产生去磁作用，反过来使定子绕组中的感应电动势下降；其二，定子绕组的阻抗，表现为电源的内阻抗，其中相绕组电阻r随输出电流的热效应略有增加，但其值变化不大，可忽略不计，但感抗XL与转速n成线性关系，因此，转速nXLZ电源内阻抗压降发电机端电压。以上两种因素共同作用的结果就使发电机的输出电流不再增加，即交流发电机具有自身限制其输出电流的能力。因此，交流发电机不需要限制输出电流的电流限制器。3.外特性外特性是指发电机转速不变时，发电机的端电压U与输出电流I的关系Uf（I），如图1-23所示。从外特性曲线可以看出，随着负载即输出电流的增加，发电机的端电压会很快下降，且转速越高，下降的斜率越大。这是由于随着输出电流的增加，定子绕组的压降也会增加，而且转速越高，定子绕组的阻抗就越大，其压降就越大；输出电流的增加还会使电枢反应加强，引起发电机端电压的下降，而端电压的下降又会使磁场电流减小，从而导致端电压的进一步下降。因此，当发电机在高转速下运转时，如果突然失去负载，则其端电压会急剧升高，这时发电机中的二极管以及调节器中的电子元器件将有被击穿的危险。当输出电流增大到一定值时，如负载再增加，其输出电流不仅不会增加，反而会同端电压一起下降，即在外特性曲线上存在一个转折点。因此，当发电机短路时，其短路电流是很小的，这也说明交流发电机具有自身限制电流的功能。一般交流发电机是工作在转折点以前的。图1-23 交流发电机的外特性五、交流发电机电压调节器1. 交流发电机电压调节器的作用汽车拖拉机交流发电机工作时，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，这与汽车拖拉机用电设备要求电压恒定相矛盾。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，自动对发电机的电压进行调节，使发电机的电压稳定，以满足车用电设备的要求。交流发电机电压调节器有触点式和电子式两大类型。1触点式电压调节器触点式调节器以电磁振动的方式工作，通过电磁铁控制触点的开闭来控制磁场绕组的励磁电流，实现对发电机电压的调节。因此，触点式调节器也称之为电磁振动式调节器。触点式调节器的原理如图1-24所示。图1-24 单触点电压调节器原理1.蓄电池 2.发电机 3.发电机磁极绕组 4.调节器电磁线圈 5.触点弹簧 Rtj.调节器调节电阻 K.调节器触点 .触点衔铁与铁心间的气隙调节器触点在其弹簧力的作用下保持闭合，调节器的电磁线圈输入发电机的电压。当发电机转速在调节器起作用的范围内，发电机的电压达到上限电压U1时，调节器电磁线圈产生的磁力克服触点弹簧力使触点K断开，Rtj串人励磁回路，励磁电流减小，磁极磁通量减弱，使发电机的电动势及端电压下降；当发电机电压下降至下限电压U2时，调节器电磁线圈的磁力已减弱至不足以保持K断开，K在弹簧力的作用下又闭合；K闭合后，Rtj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U1时，触点又被打开。触点如此不断地振动，使发电机电压在U1U2范围内波动，得到一个稳定的电压调节值Ue。由于触点打开时，会产生强烈的火花，使触点烧蚀，目前，电磁振动式电压调节器已趋于淘汰。 2电子式电压调节器电子式电压调节器又分为晶体管电压调节器和集成电路电压调节器两类。（1）晶体管电压调节器晶体管电压调节器以开关管代替触点，不但开关频率提高，且不会产生火花，调节效果好，具有重量轻、