CHƯƠNG 3 KHAI THÁC HỆ THỐNG ĐIỆN THÂN XE TRÊN Ô TÔ FORD RANGER
3.3. Hệ thống cung cấp điện
3.3.1. Chức năng của hệ thống cung cấp điện
Xe được trang bị rất nhiều thiết bị điện để lái xe được an toàn và thuận tiện. Xe cần sử dụng điện không chỉ khi đang chạy trên đường mà cả khi dừng tại chỗ. Vì vậy, xe có ắc quy để cung cấp điện và hệ thống nạp để tạo
ra nguồn cung cấp điện khi động cơ đang nổ máy. Hệ thống nạp cung cấp điện cho tất cả các thiết bị điện và để nạp điện cho ắc qui.
Hệ thống cung cấp bao gồm các thiết bị chính sau đây: Ắc quy, máy phát điện, bộ chỉnh lưu (đặt trong máy phát), bộ điều chỉnh điện (đặt trong máy phát), Đèn báo xạc,công tắc máy.
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát.
3.3.2. Ắc Quy
3.3.2.1. Công dụng
Để cung cấp điện cho các vật dùng điện khi động cơ không làm việc, người ta sử dụng nguồn điện hóa học một chiều gọi là ắc quy. Trong ắc quy, hóa năng biến thành điện năng.
3.3.2.2. Phân loại
Có nhiều phương pháp để phân loại ắc quy , tuy nhiên trên ô tô hiện nay thường sử dụng hai loại chính là ắc quy nước và ắc quy khô, việc sử dụng ắc quy khô trên ô tô có tính ưu việt hơn hẳn so với ắc quynước. Tuy nhiên nếu so sánh hai ắc quy có cùng dung lượng như nhau thì ắc quy nước có thời gian đề máy và tuổi thọ cao hơn.
Theo tính chất dung dịch điện phân, ắcquy nước được chia ra các loại:
+ Ắc quy axít: dung dich điện phân là axít H2SO4.
+ Ắc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH.
So sánh hai loại ắc quy axít và kiềm thì ắc quy axít có suất điện động mỗi ngăn cao hơn (~2V), điện trở trong nhỏ hơn, nên khi phóng với dòng lớn độ sụt thế ít, chất lượng khởi động tốt hơn. Ắc quy kiềm có suất điện động mỗi ngăn khoảng 1,38V, giá thành cao hơn (2÷3 lần) do phải sử dụng các loại vật liệu quý hiếm như bạc, niken, cađimi, điện trở trong lớn hơn.
Tuy vậy, ắc quy kiềm có độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn (4÷5 lần), làm việc tin cậy hơn.
Trên đa số ô tô hiện nay đều sử dụng ắc quy axit.
Qp = Ip.tp (A.h) (3.1) Trong đó: Ip- Dòng điện phóng (A); tp- Thời gian phóng (h)
Điện dung nạp Qn): là điện lượng mà ắc quy tiếp nhận được trong quá trình nạp [5]
Qn = In.tn (A.h) (3.2)
Trong đó: In- Dòng điện nạp (A); tn- Thời gian nạp (h)
Do có các tổn hao trong quá trình nạp, nên điện dung nạp thường phải lớn hơn điện dung phóng 10÷15%.
3.3.2.3. Cấu tạo Cấu tạo của ắc quy:
Hình 3.2: Cấu tạo bình ắc quy axít
Để tạo được một bình ắc quy có thế hiệu (6, 12 hay 24V) người ta mắc nối tiếp các khối ắcquy đơn lại với nhau thành bình ắc quy vì mỗi bình ắc quy đơn chỉ cho suất điện động (~2V). Trên ô tô hiện nay thường sử dụng ắc quy 12 (V).
+ Vỏ bình: có dạng hình hộp chữ nhật, làm bằng nhựa êbônít, cao su cứng hay chất dẻo chịu a xít và được chia thành các ngăn tương ứng với số lượng các ắc quy đơn cần thiết. Trong các ngăn đó được đặt các khối bản cực. Dưới đáy vỏ bình có các gân dọc hình lăng trụ để đỡ các khối bản cực. Khoảng trống dưới đáy giữa các gân dùng để chứa các chất kết tủa, các chất tác dụng bong ra từ các bản cực, để chúng không làm chập (ngắn mạch) các bản cực khác dấu.
+ Khối bản cực: Bao gồm các bản cực dương và âm đặt xen kẽ nhau, giữa chúng có các tấm ngăn cách điện. Mỗi bản cực gồm có phần cốt hình mắt cáo và các chất tác dụng trát trên nó. Phần trên của cốt có tai 3 (hình 3.3) để nối các bản cực cùng tên với nhau thành phân khối bản cực. Phần dưới của cốt có các chân để tựa lên các gân ở đáy bình. Các chân được bố trí so le để tránh chập mạch qua sóng đỡ.
Hình 3.3: Cấu tạo của bản cực và khối bản cực.
a. Phần cốt; b. Nửa khối bản cực; c. Khối bản cực và tấm cách; d. Tấm cách
Cốt được đúc từ hợp kim chống ôxy hoá, gồm: 92÷93% chì và 7÷8%
ăngtimon(Sb). Cốt của các bản cực dương còn cho thêm 0,1÷0,2% Asen (As).
Ăngtimon và Asen có tác dụng làm tăng độ bền cơ học, giảm ôxy hoá cho cốt, ngoài ra còn làm tăng tính đúc của hợp kim.
Chất tác dụng trên bản cực âm được chế tạo từ bột chì và dung dịch a xít H2SO4, ngoài ra để tăng độ xốp, giảm khả năng co và hoá cứng bản cực người ta còn cho thêm 2÷3% chất nở. Để làm chất nở có thể sử dụng các chất hữu cơ hoạt tính bề mặt hỗn hợp với sun phát bari BaSO4 như các muối humát chế tạo từ than bùn, bồ hóng, chất thuộc da...
Chất tác dụng trên bản cực dương: Được chế tạo từ minium chì Pb3O4, monoxít chì PbO và dung dịch a xít H2SO4. Ngoài ra, để tăng độ bền người ta còn cho thêm sợi polipropilen.
Các phân khối bản cực và tấm ngăn được lắp ráp lại tạo thành khối bản cực. Số bản cực âm thường lớn hơn số bản cực dương một bản để đặt các bản cực dương vào giữa các bản cực âm, đảm bảo cho các bản cực dương làm việc đều cả hai mặt để tránh cong vênh và bong rơi chất tác dụng.
+ Tấm ngăn là những lá mỏng chế tạo từ vật liệu xốp chịu axít như:
mipo, miplát, bông thuỷ tinh hay kết hợp giữa bông thuỷ tinh với miplát hoặc gỗ. Các tấm ngăn thường có một mặt nhẵn và một mặt hình sóng, lồi lõm. Mặt nhẵn đặt hướng về phía bản cực âm, còn mặt hình sóng hướng về phía bản cực dương để tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển đến bản cực dương và lưu thông tốt hơn.
+ Ngoài ra còn một số các chi tiết khác như: nút, nắp, cầu nối, ống thông hơi.
3.3.3. Máy phát điện 3.3.3.1. Nhiệm vụ
Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo (ở số vòng quay trung bình và lớn của động cơ), nó có nhiệm vụ:
- Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải.
- Nạp điện cho ắc quy.
⇒ Trên hầu hết các ô tô hiện đại ngày nay người ta đều sử dụng loại máy phát xoay chiều 3 pha kích thích kiểu điện từ.
3.3.3.2. Cấu tạo
Hình 3.4: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ.
1. Quạt làm mát; 2. Bộ chỉnh lưu; 3. Vòng tiếp điện; 4. Bộ điều chỉnh điện và chổi than; 5.Rotor;
6. Stato; 7.Vỏ; 8. Puli
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kich thích kiểu điện từ loại có vòng tiếp điện gồm những bộ phận chính là: rô to, stato, puli, cánh quạt, bộ chỉnh lưu, bộ điều chỉnh điện, quạt, chổi than và vòng tiếp điểm.
a/Rôto: Gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục. Giữa các chùm cực có các cuộn dây kích thích đặt trên trục qua ống lót bằng thép. Các đầu của cuộn dây kích thích được nối với các vòng tiếp điện gắn trên trục máy phát.
Trục của rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp bằng hợp kim nhôm. Trên nắp, phía vòng tiếp điện còn bắt giá đỡ chổi điện. Một chổi điện được nối với vỏ máy phát, chổi còn lại nối với đầu ra cách điện với vỏ. Trên trục còn lắp cánh quạt và puli dẫn động.
Hình 3.5: Rotor và các chi tiết chính của rotor
b/Stato: Là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xẻ rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng.
Hình 3.6: Stator và các chi tiết chính của stator 3.3.3.3. Nguyên lý sinh điện của máy phát điện xoay chiều 3 pha
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý sinh điện.
a . Sơ đồ nguyên lý; b. Dòng điện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ
Khi nam châm quay trong cuộn dây, điện áp sẽ sinh ra giữa 2 đầu cuộn dây.
Điện áp này sẽ sinh ra một dòng điện xoay chiều.
Mối liên hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm được chỉ ra trong hình 3.7. Dòng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa vòng quay của nam châm lại ngược nhau.
Dựa trên nguyên lý trên và để sinh ra dòng điện một cách hiệu quả hơn, máy phát điện trên ô tô dùng 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 1200 trên stator.
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý dòng điện xoay chiều 3 pha
Mỗi cuộn A, B, C được đặt chênh nhau 1200. Khi nam châm quay giữa chúng dòng điện xoay chiều được sinh ra trong mỗi cuộn dây. Dòng điện bao gồm 3 dòng xoay chiều được gọi là “dòng xoay chiều 3 pha”.
3.3.3.4. Bộ chỉnh lưu
Các thiết bị điện trên xe đều yêu cầu dòng điện một chiều để hoạt động và ắc quy cần dòng điện một chiều để nạp. Trên ôtô hiện đại đều sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha nên muốn sử dụng dòng điện này cần phải biến đổi thành dòng một chiều. Việc biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều gọi là “chỉnh lưu”. Trên ôtô thường sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Biện pháp đơn giản nhất để chỉnh lưu dòng điện là sử dụng các diod.
Diod là một vật liệu bán dẫn nó chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một chiều, cấu tạo bởi chất bán dẫn Silic hoặc Gecmani có pha thêm một số chất để tăng cường electron tự do.
Điện áp tức thời trên các pha A, B, C theo [6] là :
UA = Um.sinωt; UB = Um.sin(ωt−2π/3); UC = Um.sin(ωt+2π/3) Trong đó:
Um: điện áp cực đại của máy pha.
πf
ω = 2 là vận tốc góc.
Theo [5] giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu:
Umf = 3.Um.Cosωt
( a )
( b )
Hình 3.9: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha (a) và dòng điện phát ra ( b).
Trên sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha này có 6 diode, 3 diode ở nhóm trên hay còn gọi lá các diode dương (D1, D3, D5), có các catod được nối với nhau. Nhóm dưới còn gọi là các diode âm (D2, D4, D6) các anode được nối với nhau.
Khi rôto quay một vòng, trong các cuộn dây Stato dòng điện được sinh ra trong mỗi cuộn dây này đựơc chỉ ra từ (0) tới (2π).
• Từ 0→
6
π cuộn dây C có điện áp dương nhất, cuộn dây B có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây C tới cuộn dây B.
Cuộn dây C→Điểm 3→Diode D5→Tải→Diode D4→Điểm 2→Cuộn dây B
• Từ
π →6 2
π cuộn dây A có điện áp dương nhất, cuộn dây B có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây A tới cuộn dây B.
Cuộn dây A→Điểm 1→Diode D1→Tải →Diode D4 →Điểm 2→Cuộn dây B
• Từ
π →2 6
5π cuộn dây A có điện áp dương nhất, cuộn dây C có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây A tới cuộn dây C.
Cuộn dây A→Điểm 1→Diode D1→ Tải→Diode D6 →Điểm 3 →Cuộn dây C
• Từ
6 5π →
6
7π cuộn dây B có điện áp dương nhất, cuộn dây C có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây B tới cuộn dây C.
Cuộn dây B→Điểm 2→Diode D3→Tải →Diode D6 →Điểm 3→Cuộn dây C
• Từ
6 7π →
6
9π cuộn dây B có điện áp dương nhất, cuộn dây A có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây B tới cuộn dây A.
Cuộn dây B→Điểm 2→Diode D3→Tải→Diode D2 →Điểm 1→Cuộn dây A
• Từ
6 9π →
6
11π cuộn dây C có điện áp dương nhất, cuộn dây A có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây C tới cuộn dây A.
Cuộn dây C→Điểm 3→Diode D5→Tải →Diode D2 →Điểm 1→Cuộn dây A
• Từ
6
11π → π2 cuộn dây C có điện áp dương nhất, cuộn dây B có điện áp âm nhất.
Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây C tới cuộn dây B.
Cuộn dây C→Điểm 3→Diode D5→Tải→Diode D4 →Điểm 2→Cuộn dây B Khi rôto quay các vòng tiếp theomột vòng, dòng điện được sinh ra trong mỗi cuộn dây đựơc lặp lại theo chu trình trên.
Ta nhận thấy dòng điện sau khi được nắn (chỉnh lưu) thành dòng một chiều vẫn còn nhấp nhô, vì vậy trên ô tô thường sử dụng các bộ lọc (tụ điện, cuộn cảm) nắn điện sao cho dòng điện ra đến tải gần với dạng đường thẳng.
3.3.3.5. Bộ điều chỉnh điện
Khi điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện của máy phát trong các hệ thống cung cấp điện thì đối tượng điều chỉnh là máy phát và ắc quy.
Hoạt động đồng thời của máy phát cùng ắc quy xảy ra khi có sự thay đổi vận tốc quay của phần ứng (rotor) của máy phát, của tải và của nhiệt độ trong phạm vi rộng. Để các bộ phận tiếp nhận điện năng làm việc bình thường thì điện thế của lưới điện phải không đổi. Vì vậy cần phải có sự điều chỉnh điện thế.
Trong quá trình vận hành, máy phát có thể có những trường hợp khi tải vượt quá trị số định mức. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bị cháy, làm giảm khả năng chuyển đổi mạch hoặc quá nhiệt, dẫn đến tăng tải trên các chi tiết cơ khí của hệ thống dẫn động máy phát. Vì vậy, cần có thiết bị đảm bảo sự hạn chế dòng điện của máy phát. Tất cả các chức
năng này ở hệ thống cung cấp điện cho ôtô, máy kéo được thực hiện tự động nhờ bộ điều chỉnh điện.
Điện áp của máy phát được xác định như sau [5]:
β φ
= + 1
. .n
Umf CE (V) (3.8) Trong đó: Umf - Điện áp ra của máy phát (V); n - Tốc độ của máy phát (v/ph);
φ - Từ thông cực từ (Wb); CE - Hệ số phụ thuộc kết cấu mạch từ; β - Hệ số tải.
Từ biểu thức 3.8 ta thấy: điện áp ra của máy phát phụ thuộc vào tốc độ máy phát (tức là phụ thuộc vào tốc độ động cơ) và phụ thuộc vào tải.
Trên ôtô, tốc độ động cơ thay đổi trong một phạm vi rộng từ 500 ÷ 700 (v/ph) ở tốc độ cầm chừng và đến khoảng 5000 ÷ 6500 (v/ph) ở tốc độ cao → tốc độ máy phát thay đổi. Ngoài ra, các phụ tải sử dụng trên xe như: đèn, hệ thống điều hòa, gạt nước mưa... luôn thay đổi (tức là β luôn thay đổi) → Làm cho Umf thay đổi.
⇒ Để Um f ổn định cần phải sử dụng bộ điều chỉnh. Từ biểu thức (3-8) ta thấy để Um f = Uđ m cần phải điều chỉnh φ, tức là điều chỉnh dòng kích từ.
Các ôtô hiện đại ngày nay người ta thường sử dụng loại bộ điều chỉnh điện áp bấn dẫn IC (Intergrated Circuit) vì những ưu điểm nổi bật của nó so với các loại bộ điều chỉnh điện áp cơ khí. Khi sử dụng bộ điều chỉnh điện áp cơ khí có hai nhược điểm quan trọng là tính trễ và đặc tính nhiệt độ của nó, tính trễ gây ra sự sụt áp, khi tiếp điểm cơ khí làm việc ở tốc cao với dòng lớn sẽ sinh nhiệt lớn làm tiếp điểm nhanh mòn và phải thường xuyên bảo dưỡng. Ưu điểm của bộ điều chỉnh bán dẫn IC là:
- Điện áp điều chỉnh ổn định, biên độ dao động nhỏ.
- Dải điện áp ra hẹp hơn và ít thay đổi theo thời gian.
- Chịu được rung động và có độ bền cao do không có các chi tiết chuyển động.
Hình 3.10: Sơ đồ mạch bộ điều chỉnh bán dẫn IC Vai trò các thành phần của bộ điều chỉnh điện:
- IC: Theo dõi điện áp ra và điều khiển dòng kích, đèn báo sạc và tải ở đầu dây L.
- TR1: Điều chỉnh dòng điện qua cuộn dây kích từ.
- TR2: Điều khiển nguồn cung cấp cho tải được nối với cực L.
- TR3: Điều khiển tắt mở đèn báo sạc.
- D1: Diode hút lực điện từ của cuộn dây kích từ.
- Chân IG: Nhận biết công tắc máy bật và chuyển thành tín hiệu đến bộ điều chỉnh.
- Chân B: Nhận biết điện áp ra của máy phát (khi có sự cố).
- Chân F: Điều khiển dòng qua cuộn kích từ.
- Chân S: Nhận biết điện áp ắc quy và truyền tín hiệu đến bộ điều chỉnh.
- Chân L: Nối mass cho đèn báo sạc (khi TR3 mở), cung cấp điện cho tải (khi TR2 mở).
- Chân P: Nhận biết tình trạng phát điện và đưa tín hiệu đến bộ điều chỉnh.
- Chân E: Nối mass cho bộ điều chỉnh điện.
Nguyên lý hoạt động:
- Khi công tắc máy bật, động cơ chưa hoạt động, máy phát điện không phát điện, IC nhận biết 0 (V) tại đầu P. Nó điều khiển con TR1 tự đóng ngắt liên tục làm giảm dòng qua cuộn dây kích từ để ắc quy không bị phóng hết điện.Đồng thời nó điều khiển TR3 dẫn khiến dòng qua đèn báo sạc và đèn báo sạc sáng.
- Khi máy phát điện quay và phát điện điện áp tại đầu P sẽ làm IC điều khiển khoá TR3→Đèn báo sạc tắt, lúc này TR2 đóng → có dòng qua tải.
- Khi điện áp ở chân S tăng vượt qua điện áp hiệu chỉnh (động cơ đang hoạt động) IC điều khiển TR1 ngắt →điện áp ở đầu S giảm xuống. Dòng qua cuộn kích giảm làm sinh ra sức điện động tự cảm trong cuộn kích từ có thể đánh thủng TR1 nên sử dụng diode D1 giảm nó.
- Khi điện áp ở đầu S giảm xuống dưới điện áp hiệu chỉnh (động cơ đang hoạt động) IC nhận biết được và điều khiển TR1 dẫn làm tăng dòng qua cuộn dây kích từ →điện áp hiệu chỉnh lại tăng lên.
Việc đóng, ngắt dòng qua cuộn kích từ được thực hiện nhiều lần trong một thời gian ngắn làm cho điện áp ra của máy phát ổn định.
3.3.4. Sơ đồ mạch điện hệ thống cung cấp điện trên xe Ford Ranger.
Hình 3.11: Mạch điện hệ thống cung cấp điện trên xe Ford Ranger.