Система зарядки автомобиля. Проблемы и решения

Система зарядки автомобиля должна справляться с нагрузками при различных условиях. Задачу определения необходимой выходной мощности осложняют реальные условия эксплуатации.

Один вариант — дорожная пробка холодной ночью под дождем. Возможны длительные периоды, когда двигатель едва крутится, но требуется использовать почти все электрооборудование. Другой вариант — автомобиль припаркован морозной ночью на открытом месте. Двигатель запущен, включена вентиляция салона, обогреватели сидений, заднего стекла (выключаются автоматически приблизительно через 15 минут работы). Несколько минут уходит на прогрев салона и стекол. Затем включаются фары и дворники, и автомобиль полчаса движется в плотном потоке.

Были проведены испытания и моделирование для упомянутых и других вариантов. В конце первого сценария заряд батареи будет приблизительно на 35% меньше первоначального уровня, во втором случае заряд будет еще на 10% меньше. Эти ситуации — худшие сценарии из всех случаев, но, тем не менее, возможные. Если описанные ситуации повторялись бы без других поездок между ними, то батарея очень скоро сказалась неспособной запустить двигатель. Объединение этих режимов с постоянно растущей потребностью в росте мощности генератора делает эту проблему трудноразрешимой. Поскольку блок управления двигателем с оперативной памятью и сигнальными системами потребляют энергию во время стоянки, все более важно гарантировать, что батарея останется полностью заряженной.

Есть много возможных решений, которые могут гарантировать, что батарея останется всегда в состоянии, близком к полному заряду. Чтобы «проглатывать» изменения в электрических нагрузках и эксплуатационных режимах, можно использовать батарею большей емкости, однако физические размеры батареи обуславливают некоторый предел. На рисунке графически представлены пять вариантов модернизации системы электропитания:

• установка более мощного генератора переменного тока;
• работа системы управления мощностью;
• двухступенчатый механизм привода от двигателя или увеличенная скорость генератора переменного тока;
• увеличенная скорость холостого хода двигателя;
• системы с удвоенным напряжением литания.

Рис. Различные методы зарядки в условиях зимней эксплуатации

Каждый из перечисленных пяти методов имеет свои «плюсы» и «минусы», которые не в последнюю очередь обусловлены техническими и экономическими факторами. Что касается автопроизводителей, я бы предсказал, что будущее за комбинацией мощного генератора переменного тока, имеющего высокую скорость вращения с повышенным (или даже удаленным) напряжением. Вероятно, такое решение было бы самым эффективным по затратам и в то же время технически выполнимым. Обсудим каждое из предложений более подробно.

Самое простое решение для получения большей мощности — более мощный генератор, и это, по сути, единственный доступный способ усовершенствовать систему зарядки после покупки автомобиля. Нужно помнить, однако, что мощность, поставляемая генератором переменного тока, берется не из воздуха. Для каждого ватта электроэнергии, произведенной генератором переменного тока, у двигателя будут взяты полтора-два ватта энергии (из-за неидеального процесса преобразования). Увеличение мощности генератора переменного тока будет также влиять на размер приводного ремня от двигателя, связанных шкивов и натяжных приспособлений.

Поскольку электронные компоненты становятся все дешевле, интеллектуальная система управления мощностью может стать финансово привлекательной как никогда раньше.

Эта система позволяет, например, выключать фары и противотуманные фары, когда транспортное средство не движется. Такая система может оказаться дешевле, чем генератор переменного тока повышенной мощности. На рисунке показан принцип действия такой системы. Сигнал датчика скорости через электронные схемы обработки активирует различные реле, отключающие освещение. Для исключительных случаев предусмотрен выключатель, блокирующий работу системы.

Рис. Принцип действия системы управления потреблением мощности

Некоторые преимущества обещает применение двухскоростной передачи, которая использует отношение 5:1 для скоростей двигателя до 1200 об/ мин и обычное отношение 2,5:1 при более высоких скоростях. Однако это заметно усложняет конструкцию привода, в настоящее время такие разработки находятся на стадии опытных образцов. Впрочем, благодаря совершенствованию конструкции современные генераторы способны работать при скоростях до 20000 об/мин. Если предположить максимальные обороты двигателя приблизительно 6000 об/мин, то можно использовать отношение шкивов привода 3,3:1. Это позволит генератору переменного тока вращаться со скоростью порядка 2300 об/мин даже с двигателем, работающим на холостом ходу (700 об/мин).

Увеличение скорости холостого хода двигателя, возможно, окажется непрактичным ввиду увеличения расхода топлива и роста выбросов. Тем не менее, этот выбор может быть оптимальным для дизельных транспортных средств. Некоторые существующие системы управления двигателем получают сигнал от генератора переменного тока, когда требования к мощности системы зарядки слишком велики, и увеличивают обороты холостого хода, чтобы и предотвратить остановку двигателя, и увеличить выходную мощность генератора. На рисунке показана схема соединений для этого случая.

Рис. Схема соединений, обеспечивающая связь системы управления двигателем с генератором переменного тока для контроля холостого хода

Серьезные исследования выполняются в настоящее время по проблемам использования электрических систем с удвоенным напряжением питания. Давно известно, что 24-вольтовые системы выгоднее для больших транспортных средств — в основном из-за больших длин используемых проводов. Удвойте напряжение — и та же самая мощность может быть передана при токе половинной величины (ватты = вольты * амперы). Уменьшение тока приведет к уменьшению падения напряжения в длинном кабеле. Разводка кабельных жгутов, используемых на легковых автомобилях, становится все более и более тяжелой и трудоемкой. Если бы использовалось более высокое напряжение питания, то поперечной сечение индивидуальных кабелей без особых проблем можно было бы уменьшить вдвое. Поскольку электрооборудование тяжелых транспортных средств уже давно работает при напряжении 24 В, большинство компонентов (лампы и т.д.) уже имеются в наличии, и это довод в пользу изменения стратегии изготовителей транспортных средств. Идет дискуссия по поводу применения техники, использующей три шины с напряжениями -12, 0, +12 В. Нагрузка большой мощности может быть подключена между шинами -12 и. -12 (24 В), а нагрузки, которые должны получать 12 В, могут быть равномерно распределены между шинами питания -12,0 и 0, +12. Общая схема такой сети изображена на рисунке. Отметим, однако, что изготовление некоторых ламп (таких как мощные лампы в передних фарах) может стать при этом проблемой, потому что при таком напряжении питания спираль должна быть очень тонкой. Некоторые коммерческие транспортные средства с напряжением бортовой сети 24 В используют фары с питанием 12 В именно по этой причине.

Рис. Схема с двойной шиной электросигнала