Источники электрического тока

Самые первые автомобили не имели источников электрического тока. Для получения искры в системе зажигания использовали магнето, которые не нуждаются во внешнем источнике энергии. В качестве осветительных приборов использовались ацетиленовые фонари. Двигатель пускали вручную с помощью заводной рукояти. Со временем на автомобили стали устанавливать аккумуляторные батареи, которые использовались как источники электрического тока для освещения, пуска двигателя с помощью стартера, привода стеклоочистителей и других электропотребителей и, наконец, для работы всех систем автомобиля при неработающем двигателе или при малой частоте его вращения. В качестве автомобильных аккумуляторных батарей в основном применяются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, собранные из отдельных аккумуляторов секций.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи тяжелые и не самые эффективные из существующих на сегодняшний день, но они относительно дешевы и способны в течение короткого времени отдавать ток в несколько сотен ампер, необходимый для питания электрического стартера. Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из свинцовых электродов, погруженных в емкость с раствором серной кислоты (электролитом). В результате взаимодействия электродов с электролитом на них возникает разность потенциалов. Отдельный аккумулятор имеет напряжение около 2 В. Для того чтобы получить напряжение, необходимое для питания электрической сети автомобиля, аккумуляторы соединяют последовательно и собирают в аккумуляторную батарею. Напряжение бортовой сети легковых автомобилей составляет 12 В. Для получения этого напряжения соединяют последовательно шесть отдельных аккумуляторов. На некоторых грузовых автомобилях с дизельным двигателем в бортовой электрической сети используют напряжение 24 В. Для пуска дизелей требуется более высокое напряжение, которое необходимо для работы более мощного стартера. На таких автомобилях используют две соединенные последовательно аккумуляторные батареи с напряжением 12 В.
При разряде аккумуляторной батареи плотность электролита падает. При зарядке аккумуляторной батареи к ее выводам подводится электрический ток. Батарея заряжается, а плотность электролита повышается.

Для зарядки аккумуляторов и питания всех потребителей тока при движении потребовались генераторы электрического тока. Сначала применялись генераторы постоянного тока, а после появления надежных полупроводниковых выпрямителей они были вытеснены более эффективными генераторами переменного тока.
Генераторы переменного тока мощнее, обеспечивают возможность зарядки аккумулятора при малых оборотах двигателя, но требуется специальный выпрямитель, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный. Для поддержания постоянной величины напряжения (примерно 14 В) независимо от оборотов двигателя используются регуляторы напряжения. Современные электронные регуляторы имеют небольшие размеры и, как правило, устанавливаются непосредственно на генераторе.
В автомобилях используется однопроводная схема электрооборудования. Вторым проводом («масса») служит металлический кузов автомобиля. На большинстве автомобилей с «массой» соединяется отрицательный полюс источников тока.

По мере совершенствования конструкции автомобиля появляется все больше потребителей электрического тока, а также много новых электронных систем, сервоприводов с электродвигателями и т. д. Мощности применяемых сегодня генераторов переменного тока, питающих электрооборудование автомобиля напряжением 14 В, которое требуется для зарядки 12-вольтовых аккумуляторных батарей, становится недостаточно. Потребная мощность источника электрического тока на современных автомобилях доходит до 2 кВт. Существующие генераторы с трудом справляются с возросшей нагрузкой. Компания BMW разработала генератор с жидкостным охлаждением, включенным в систему охлаждения двигателя.
Перспективный путь состоит в том, чтобы поднять выходную мощность генератора переменного тока как минимум до 5 кВт. На сегодняшний день является практически решенным вопрос о переходе на электрооборудование автомобиля с напряжением 36 вместо 12 В, а генераторы переменного тока будут работать с напряжением 42 вместо 14 В. Практически это максимально высокое напряжение, которое можно использовать без дополнительных мер безопасности.
Перевод электрических систем на 36 В требует применения специальных аккумуляторных батарей. Это сделать не так трудно, т. к. все батареи, вне зависимости от их напряжения, состоят из соответствующего числа отдельных аккумуляторов. Кроме того, разрабатываются более эффективные аккумуляторы и батареи на топливных элементах.

Сейчас пуск двигателей производится с помощью электрических стартеров, которые используют напряжение 12 или 24 В. Основу таких стартеров составляет электродвигатель постоянного тока с электромагнитным дистанционным включением. Они питаются от аккумуляторной батареи. Стартер приводит во вращение маховик двигателя через зубчатую передачу.

Переход к более высокому напряжению дает возможность использовать стартеры-генераторы, встроенные в маховик двигателя. С помощью таких устройств не только легко проворачивается коленчатый вал ДВС при пуске, что дает возможность глушить двигатель при каждой остановке и пускать его при троганье, но и использовать его при интенсивном разгоне совместно с основным двигателем.

Сравнение автомобилей с разными типами электропроводки. Применение мультиплексных линий дает возможность существенно упростить электропроводку автомобиля

Использование напряжения 36 В также выгодно для электропроводки. Более высокое напряжение означает, что та же самая мощность может быть передана по более тонким проводам. В большинстве современных автомобилей электропроводка стала очень сложной и дорогой. К каждому из многочисленных электрических устройств автомобиля должны быть подведены как силовые, так и управляющие провода. Последние с помощью выключателей и реле замыкают или размыкают соответствующие цепи. Число управляющих проводников может быть очень большим. Сегодня большинство производителей автомобилей начинают использовать другой подход при конструировании электропроводки. Силовые кабели остаются, а управляющие заменяются мультиплексными линиями. Управляющие сигналы для различных устройств могут передаваться по высокоскоростным шинам с использованием кодированных сигналов. При таком подходе электропроводка значительно упрощается и появляется возможность простого диагностирования неисправностей систем автомобиля с помощью компьютера.