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車輛啟動瞬間電壓降低的原因及解決方案
來源:本站整理  作者:佚名  2014-03-05 13:43:47

    夜間啟動車輛,在發動機的啟動瞬間,大家都能夠明顯感覺到車輛內部燈暗一下,然后又變亮。這是由于汽車起動瞬間,整車電壓被拉低造成的。起動瞬間蓄電池電壓降低,這個過程不可避免。電壓被拉低,會造成內部燈和儀表背光短時變暗、部分電磁閥不能正常工作、ABS報警燈誤報警、起停功能被禁止等。本文試圖全面分析這個問題并提供多渠道的解決方案。

    1 汽車起動系統的構成
汽車發動機的起動由起動系來完成。起動系包括起動控制子系統(即起動控制電路)和起動能量供應與轉換子系統。起動控制電路包括點火開關、起動繼電器、起動機電磁開關線圈。起動能量供應與轉換子系統包括蓄電池、起動機電磁開關觸片、起動機電樞、線束等,這些構成起動主回路。圖1為汽車起動電路圖。在控制系統的作用下,起動機旋轉的小齒輪與發動機飛輪嚙合,帶動發動機飛輪旋轉,實現發動機的起動。

    2 汽車起動瞬間蓄電池電壓低的原因
    2.1起動回路蓄電池內阻分壓造成整車電壓低
起動主回路組成及電流流向是:蓄電池正極→起動機電源接線柱→電磁開關觸片→電樞繞阻→搭鐵→蓄電池負極。在起動過程中特別是在起動瞬間,由于起動機轉速為0,不產生感生電勢,故起動電流為I=EB/(RM+RB+RL)式中,EB———蓄電池開路端電壓;RM———起動機電樞電阻;RB———蓄電池內阻;RL———起動主回路電纜電阻。乘用車蓄電池標稱電壓12V,實際車輛蓄電池電壓為12~12.7V;按照國家標準,電磁開關觸片接觸電阻應低于1mΩ;性能優良的蓄電池內阻一般為6~8mΩ;起動機連接電纜一般要求低于1mΩ;起動機內阻也為數毫歐;總電阻為十多毫歐。
    在汽車起動時,蓄電池要帶動起動機旋轉。在電磁開關接通的瞬間,因起動機電樞沒有旋轉,沒有建立起反電動勢,相當于起動機短路,起動主回路總電阻僅為十多毫歐,起動電流很大,極端的情況瞬間起動電流達1000A。不考慮其它因素,根據歐姆定律,理論計算,起動主回路中蓄電池內阻電壓降即達到8V,蓄電池輸出電壓僅有4~4.5V。這樣的低電壓,整車電器難以正常工作。圖2是試驗中測試到的某款車起動瞬間整車電壓圖形,資料表明該款車用12V、45Ah的蓄電池起動1.9L柴油機的汽車,蓄電池的電壓在起動瞬間由12.6V降到約3.2V!

    筆者在試驗中測得的瞬間電壓和電流的波形見圖3。

    該測試是在25~30℃的環境條件下進行的。毫伏級電壓信號乘以轉換系數13.33即為電流信號。在常溫下,該款車蓄電池電壓由于連續工作低于11.6V時,起動瞬間最低電壓低于9V,起動最大電流210A。

    2.2蓄電池大電流放電造成蓄電池輸出電壓低
    理論上,蓄電池電壓由正負極活性物質、電解質的組成決定。在標準條件下,可從自由能數據計算而來。負極氧化電位+正極還原電位=標準蓄電池標稱電壓。實際蓄電池電壓受電解液離子的濃度和溫度影響很大。
    鉛酸蓄電池負極反應方程:Pb2++SO2-4=PbSO4鉛酸蓄電池正極反應方程:PbO2+4H++SO2-4=PbSO4+H2O25℃時,Pb2+的自由能為-0.13V,PbSO4的自由能為-0.36V,PbO2的自由能為+1.69V,鉛酸蓄電池理論電壓為1.69+0.13+0.36=2.18V。

    電解質離子數決定著電極反應的速度,而電極反應的速度決定著放電電流的大小。放電電流大,蓄電池內阻的壓降大,蓄電池輸出電壓低;當蓄電池大電流放電的時候,一方面:電解液中的離子數被消耗迅速減少,電離和化學反應速度相對于電是緩慢的,活性物質總自由能變小,相當于蓄電池容量變??;另一方面,大電流放電,電解質與活性物質之間的電化學反應更多的是在蓄電池極板表面進行,生成的PbSO4形成結晶,在活性物質表面產生阻塞,使反應無法深入活性物質內部,蓄電池內阻升高,又造成蓄電池輸出電壓變低。蓄電池極板內部結構示意圖如圖4所示。圖4的右圖,極板表面布滿了硫酸鉛晶體,內部的活性物質難以發揮作用,造成起動瞬間蓄電池輸出電壓低。

   3 整車電壓低的影響
    由于眾多因素的共同作用,在起動瞬間,蓄電池輸出電壓即整車電壓降低。標稱12V的蓄電池,降低20%即降低到9.6V是可以接受的。國家標準規定整車電器在9~16V之間應能正常工作。現代汽車電器基本也能做到在9~16V之間正常工作。但是,由于蓄電池老化,蓄電池的電壓會降低到8V以下,在寒冷的冬天,電壓可能會瞬間降到6V左右,對整車功能造成重大影響。

    在低電壓的情況下,整車最常見的故障是報警燈亮。汽車ECU均有檢測供電電壓的功能,ECU檢測到整車電壓低于8V,就記錄1個故障,發出信號,使儀表點亮報警燈;危害最大的是一些電磁閥不能可靠吸合,造成整車功能故障;現代汽車起停功能正在成為標配的功能,起??刂破骷觳獾秸檔繆溝陀?V后,會禁止起停功能;另外,整車電壓低,整車電器功能有癱瘓的風險。因為整車ECU中的邏輯運算單元需要穩壓才能正常工作,而穩壓??櫚氖淙氳繆共荒艿陀諤匭災?,例如最常見的ECU穩壓???805,它要求輸入電壓為7~35V,才能輸出穩定的+5V供給邏輯運算單元。否則各ECU中的邏輯運算單元不能可靠工作。整車電器功能也就無法正常運轉。

    4 穩定整車電壓的措施
    4.1傳統車
    采取的是通過點火開關分時供電的方法,來避開起動瞬間整車電壓低的時間段。點火開關分LOCK(KL30)、ACC(KLR)、ON(KL15)、START(START)4個觸點檔位位置。在起動的START位置,KLR斷開,刮水器、點煙器、內部燈、儀表背光燈、空調鼓風機、CD、DVD等接在KLR,在起動瞬間不給這些舒適系統的單元供電,以便保證起動所需要的電流,同時避免這些部件非正常工作。點火開關外形圖見圖5,點火開關檔位圖見圖6。

    4.2停車怠速熄火功能車
在低油耗、低CO2排放指標的推動下,各大汽車廠爭相開發停車怠速時具有自動控制熄火功能的汽車,或稱具有起停功能的汽車。停車怠速熄火汽車與傳統燃油汽車相比,具有更多的起動發動機的次數,是傳統燃油車的10倍多。起動瞬間,電壓降低對系統影響的概率更大。為了解決起動瞬間電壓降低影響電器功能的問題,BOSCH公司開發了DC-DC???,為在起動瞬間需要正常工作的汽車電器件提供穩定的12V電壓。

    DC-DC電壓輸入輸出波形及控制邏輯見圖7。蓄電池的輸出即DC-DC的輸入(POWERIN),在蓄電池的輸出低至4V的情況下,DC-DC依然能夠保持12±0.5V的電壓輸出(POWEROUT),確保部分電器在起動瞬間也能正常工作。這些電器包括儀表、導航、收音機、內部背光燈等。

    這種方案的優點是對整車電器改變較小,能夠快速構建汽車起停系統。但這種方案屬于修補式的方案,給整車布置帶來了麻煩。而且DC-DC價格比較高,約占整車電器總價的6%。目前除奔馳、寶馬、奧迪、大眾和上海通用以外,與博世合作搭載起停系統,即使用DC-DC的整車廠家還有長安、長城、吉利、一汽、東風、海馬、華晨、比亞迪以及江淮等。

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關鍵詞:電壓降低

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