Tổng quan về hệ thống cung cấp điện trên ô tô

1. Công dụng và yêu cầu

1.1. Công dụng

Cung cấp điện áp một chiều ổn định (12–14V) cho tất cả các hệ thống điện trên ô tô ở mọi chế độ làm việc.

1.2. Yêu cầu

Máy phát phải luôn tạo ra một điện áp ổn định (13.6–14.8V đối với hệ thống điện 14V) trong mọi chế độ làm việc của phụ tải. Máy phát phải có cấu tạo nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, giá thành thấp và tuổi thọ cao. Máy phát cũng phải có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn, có thể làm việc ở những vùng có điều kiện bụi bẩn, dầu nhớt và độ rung lớn. Việc duy tu và bảo dưỡng càng ít càng tốt.

2. Sơ đồ hệ thống và bố trí thiết bị

2.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp điện

1- Máy phát; 2- Ắc quy; 3- Đèn báo nạp; 4- Khoá điện

2.2. Các thiết bị trong hệ thống

Máy phát điện (+ tiết chế): Nguồn điện năng chính
Ắc quy: Nguồn điện năng dự trữ
Cơ cấu báo nạp
Khoá điện

3. Các thiết bị chính trong hệ thống cung cấp điện

3.1. Ắc quy

3.1.1. Tác dụng

Trên động cơ ô tô người ta có thể sử dụng 1 trong 2 loại ắc quy là: ắc quy a xít hoặc ắc quy kiềm. Tuy nhiên ắc quy kiềm thường được dùng cho các xe quân sự vì kích thước to, độ bền và giá thành đắt. Nên ô tô dân dụng chỉ sử dụng ắc quy a xít.

3.1.2. Cấu tạo

Bao gồm nhiều ắc quy đơn mắc nối tiếp, mỗi ắc quy đơn cho điện áp ra U = 2.11–2.13 V.

1- Cực âm; 2- Nút thông hơi; 3- Mắt kiểm tra; 4- Cực dương; 5- Dung dịch; 6- Ngăn ắc quy; 7- Bản cực

*Khối bản cực

1- Chùm cực dương; 2- Đầu cực dương; 3- Các tấm ngăn 4- Đầu cực âm; 5- Chùm cực âm

Dung dịch điện phân: Là dung dịch (H2SO4) có tỷ trọng ρ=1,23–1.26 g/cm3 đặc trưng cho nồng độ dung dịch.

3.1.3. Đặc điểm làm việc

Trên ôtô không có ắc quy khô, chỉ có ắc quy không bảo dưỡng (đổ nước 1 lần) và ắc quy bảo dưỡng (đổ nước nhiều lần).

Ắc quy bảo dưỡng: phải kiểm tra mức dung dịch điện phân và đổ thêm nước cất nếu thiếu

Phải kiểm tra nồng độ dung dịch (tỷ trọng), nếu thấp tức là ắc quy đói, phải nạp thêm.
Phải lau chùi bề mặt ắc quy một các thường xuyên

Ắc quy không bảo dưỡng: cần quan sát mắt màu trên nắp bình

Mức dung dịch điện phân và màu sắc trên nắp bình ắc quy không bảo dưỡng

3.1.4. Các thông số sử dụng của ắc quy

Điện áp: 6V, 9V, 12V, đa cực

Dung lượng ắc quy (điện dung của bình ắc quy)

C10, Q10: Là dung lượng tính theo 10 giờ phóng điện.
C10 = Iphóng điện x 10 giờ, ví dụ: 70 Ah
C20, Q20: Là dung lượng tính theo 20 giờ phóng điện.
C20 = Iphóng điện x 20 giờ, ví dụ: 126 Ah

Nạp ắc quy: Nạp theo hai cách:

Đối với ắc quy mới: Nạp với dòng điện không đổi $I_N = 0,1Q10$ trong suốt thời gian nạp 13 giờ.
Đối với ắc quy cần nạp bổ sung: Nạp với điện áp không đổi:
$U_N = 2,3 – 2,4V/1$ ắc quy đơn, trong thời gian 3 giờ nạp, đạt được 80% điện dung bổ sung.

3.2. Máy phát điện trên ô tô (Alternator)

Máy phát điện trên ôtô là máy phát điện xoay chiều gồm các loại:

Máy phát điện có chổi than: Dùng cho các xe phổ thông;
Máy phát điện không có chổi than;
Máy phát điện loại mới 6 pha, 12 điốt ổn áp;
Máy phát điện cho động cơ điêzen có bơm chân không.

3.2.1. Máy phát điện loại có chổi than

3.2.1.1. Chức năng cơ bản

Phát điện.
Chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha do máy phát tạo ra thành dòng một chiều.
Hiệu chỉnh điện áp: Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra và dòng điện áp hiện thời đi đến thiết bị điện để đảm bảo nó là luôn bằng hằng số khi tốc độ quay của rôto máy phát thay đổi.

3.2.1.2. Cấu tạo

Rô to (phần cảm), cuộn dây kích từ, hai chùm cực hình móng, 2 vòng tiếp điện.

Stato (phần ứng, phần phát điện): là khối thép định hình rãnh và răng, cuộn dây 3 pha (đấu hình sao hoặc tam giác).

Bộ chỉnh lưu (Rectifier – giàn điốt): Có chức năng biến dòng xoay chiều 3 pha trong stato thành dòng một chiều. Bộ chỉnh lưu có từ 6, 8, 9, 11 và 12 điốt (loại máy phát 6 pha đời mới, dùng điốt ổn áp).

Bộ tiết chế IC (IC Regulator): Điều chỉnh dòng điện kích từ đến cuộn dây kích từ để kiểm soát điện áp ra.

Giắc cắm (chân ra) của tiết chế có hai loại, loại nhận biết điện áp máy phát và loại nhận biết điện áp ắc quy.

3.2.1.3. Nguyên lý hoạt động

Điện áp được tạo ra trong cuộn dây stato

Sự chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha:

Đặc tuyến tải theo số vòng quay của máy phát: Khi điện áp đầu ra của máy phát được giữ không đổi là 14V, dòng điện có thể phát tối đa của máy phát tăng theo tốc độ quay. Tuy nhiên nó bị giới hạn bởi hai yếu tố:

Cảm kháng: Cảm kháng sinh ra trong cuộn stato khi dòng điện xoay chiều chạy qua nó. Cảm kháng tăng khi tốc độ tăng.
Hiện tượng phản từ: Từ trường được sinh ra khi có dòng điện chạy qua cuộn dây stato (khi máy phát có tải). Từ trường này làm yếu lực từ của rôto.

Dòng điện phát ra phụ thuộc vào nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, dòng điện phát ra giảm.

Vì khi nhiệt độ tăng, điện trở của cuộn dây kích từ tăng làm giảm dòng kích từ khiến kích từ giảm theo. Thêm vào đó, khi nhiệt độ tăng, điện trở stato tăng nên dòng phát ra giảm.

Chức năng của điốt điểm trung hòa:

Cuộn dây stato mắc hình sao có điểm trung hòa. Điện áp tại điểm này có thành phần xoay chiều khi có tải, giá trị đỉnh của thành phần xoay chiều này sẽ vượt giá trị điện áp ra của máy phát ở tốc độ hơn 2000 – 3000 vòng/phút. Có thêm hai điốt điểm trung tính sẽ lấy được phần điện áp trượt này để làm tăng công suất máy phát.

Thành phần điện áp xoay chiều tại điểm trung hòa

3.2.2. Máy phát điện loại mới 6 pha, 12 đi ốt ổn áp.

6 pha: Cuộn stato có 6 đầu ra, tạo điện xoay chiều mịn hơn, dòng điện ổn định hơn so với máy phát 3 pha.
12 điode: Dùng để chỉnh lưu (biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều) — mỗi pha có 2 điode, nên tổng là 12 điode.
Ổn áp tích hợp: Giữ điện áp ra ổn định ở mức 13.6–14.8V dù tốc độ động cơ thay đổi.

Ưu điểm:

Dòng ra ổn định, ít gợn sóng.
Hiệu suất cao, bảo vệ tốt cho ắc quy và hệ thống điện.
Thường dùng trên xe đời mới có nhiều thiết bị điện tử.

Máy pát điện loại SC:

Một hệ thống thanh dẫn điện nối với nhau (dây đồng tiết diện vuông) được áp dụng trong cuộn dây stato hàn trong hệ thống day quấn như thông thường, điện trở giảm đi và máy phát sẽ gọn hơn.

Máy phát sử dụn 2 bộ dây cuốn 3 pha. Do chúng cân bằng âm thanh trường của nhau (sinh ra trong stato) nên tiếng ồn được cải thiện.

3.2.3. Máy phát điện cho động cơ điêzen có bơm chân không

Đặc tính của máy phát điện xoay chiều có bơm chân không

Nó được trang bị bơm cở chân không và tạo ra áp suất âm cho bộ trợ lức phanh.
Bơm chân khong được lắp trên trục của máy phát và quay cùng trục này.
Có thể chia máy phát này thành 2 loại sau: Loại có bơm chân không ở phía puli và loại có bơm chân không ở phía đối diện với puli.

3.2.4. Máy phát loại không có chổi than

1- Cuộn dây kích thích; 2- bạc lót; 3- trục roto; 4- Cộn dây roto; 5- gông từ; 6- Nắp sau; 7- cuộn dây stato; 8- nắp trước

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện loại không có chổi than tương tự nguyên lý của cảm biến loại từ điện.

Nguyên lý hoạt động của máy phát loại không có chổi than

1- Rotor nam châm; 2- Lõi thép từ; 3- Cuộn phát xung.

Nam châm được gắn trên rotor, còn cuộn phát xung được quấn quanh một lõi thép và cố định trên vỏ của máy phát. Khi nam châm quay, từ thông xuyên qua cuộn phát xung biến thiên tạo nên một sức điện động trong cuộn phát xung.

Do từ thông qua cuộn phát xung đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn phát xung lớn. Tại thời điểm từ trường biến thiên lớn nhất sinh ra sức điện động e là lớn nhất tương ứng với điểm B trên hình trên. Khi từ trường biến thiên nhỏ nhất tại điểm C thì sức điện động giảm về 0 (khi cánh của rôt nam châm và cuộn phát sung đối diên nhau). Khi qua vị trí đối xứng từ thông lại tăng dần cho tới điểm Đ đạt max và sinh ra sức điện động lớn nhất nhưng đổi dấu.

3.3. Bộ điều chỉnh điện (bộ tiết chế IC)

3.3.1. Chức năng của bộ tiết chế

Điều chỉnh điện áp máy phát Umf : ổn định ở một giá trị trong dải 13.6V – 14,8V.
Báo bạp: Bật, tắt đèn báo nạp để báo hiệu máy phát đã cung cấp điện cho mạng điện.
Báo sự cố trong hệ thống cung cấp điện.

3.3.2. Sơ đồ cơ bản của bộ tiết chế

Trong hình này:

M.IC: Theo dõi điện áp ra và điều khiển dòng kích từ, đèn báo sạc và tải ở đầu dây L;
Tr1: Điều chỉnh dòng kích từ;
Tr2: Điều khiển nguồn được nối với tải cung cấp cho cực L;
Tr3: Bật tắt đèn báo nạp;
D1: Điốt hấp thụ dòng điện cảm ứng trong cuộn dây kích từ;
IG: Giắc cấp dương từ khóa điện vào máy phát để kích từ ban đầu (mồi từ) cho máy phát (Igniton switch);
B: Cọc dương của máy phát (Battery);
F: Giắc kích từ (Field) điều khiển dòng qua cuộn dây kích từ;
S: Giắc tín hiệu điện áp máy phát đưa về bộ tiết chế so sánh (Sensing), giắc này chỉ ở tiết chế kiểu nhận biết điện áp ắc quy;
L: Giắc đèn báo nạp (Lamp) nối mát cho đèn báo sạc khi tranzito 3 mở, cung cấp điện cho tải khi tranzito 2 mở;
E: Giắc mát (Earth);
P: Giắc trích điện áp ở một pha xoay chiều đưa vào bộ tiết chế để tắt đèn báo nạp (Phase).\

3.3.3. Cơ chế hoạt động của bộ tiết chế IC loại nhận biết điện áp ắc quy

Hoạt động bình thường:

– Khi bật khóa điện bật ON và động cơ tắt máy:

Khi bật khóa điện ON, điện áp ắc quy được đặt vào cực IG, làm kích hoạt mạch M.IC nơi cảm nhận điện áp ắc quy. Lúc này động cơ vẫn chưa hoạt động máy phát không phát ra điện M.IC nhận biết 0V tại đầu P.
Khi M.IC nhận biết 0V tại đầu P, nó điều khiển Tr1 đóng ngắt liên tục làm giảm dòng qua cuộn dây rotor để ắc quy không bị phóng hết điện.
Khi M.IC nhận biết 0V tại đầu P nó điều khiển Tr3 dẫn khiến dòng qua đèn báo sạc đèn báo sạc sáng.

– Khi máy phát bắt đầu quay và phát điện: Điện áp tại đầu P sẽ làm M.IC điều khiển khóa Tr3 và dòng qua đèn báo sạc. Lúc này Tr2 dẫn và có dòng điện qua tải. Khi tốc độ máy phát tăng cường độ dòng kích từ đủ để điện áp phát ra tăng lên.

– Khi máy phát đang phát điện (điện áp cao hơn điện áp điều chỉnh): Khi điện áp tại chân S tăng vượt quá điện áp hiệu chỉnh (động cơ đang hoạt
động) M.IC điều khiển Tr1 ngắt. Điện áp ở đầu S giảm xuống. dòng điện qua cuộn kích từ giảm làm sinh ra sức điện động tự cảm trong cuộn rotor có thể đánh thủng Tr1 nên sử dụng điốt D1 để giảm nó (D1 có chức năng chống lại lực từ do cuộn rotor sinh ra nó đi từ chân F đến chân B).

– Khi máy phát đang phát điện (điện áp thấp hơn điện áp điều chỉnh): Khi điện áp đầu S giảm xuống dưới điện áp hiệu chỉnh (động cơ đang hoạt
động) M.IC nhận biết được và điều khiển Tr1 dẫn làm tăng dòng qua cuộn dây rotor điện áp hiệu chỉnh lại tăng lên.

Hoạt động không bình thường:

– Khi cuộn dây kích từ bị hở mạch (bị đứt): Khi máy phát đang hoạt động, nếu cuộn dây kích từ bị hở mạch thì máy phát sẽ không sản xuất ra điện áp và điện áp cực P = 0V. Mạch M.IC phát hiện ra máy phát không làm việc điều khiển Tr1 đóng ngắt và Tr3 dẫn, dòng điện đến đèn báo sạc để báo máy phát không hoạt động. Tr2 lúc này ngắt.

Hoạt động của bộ tiết chế khi cuộn dây kích từ bị hở mạch

– Khi cuộn dây kích từ bị chập (ngắn mạch): Khi cuộn dây rotor bị ngắn mạch trong lúc máy phát đang quay điện áp tại chân B+ được cấp tới chân F gây ra dòng lớn qua Tr1 sẽ làm hỏng Tr1. M.IC sẽ khóa Tr1 để bảo vệ. Tr2 ngắt.

Hoạt động của bộ tiết chế khi cuộn dây kích từ ngắn mạch

– Khi cực S bị ngắt: Khi máy phát đang quay, nếu cực S bị ngắt, mạch M.IC nhận thấy không có tín hiệu vào từ cực S sẽ mở Tr2 bật đèn báo nạp, đồng thời mạch M.IC sẽ lấy điện áp cực B để thay cho cực S làm điện áp điều chỉnh.

Hoạt động của bộ tiết chế khi cực S bị ngắt

– Khi cực B bị ngắt:

Khi điện áp tại chân S trên 13V: Khi điện áp ở chân S tăng quá điện áp hiệu chỉnh(động cơ đang hoạt động) M.IC điều khiển Tr1 ngắt. Điện áp ở đầu S giảm xuống. Dòng điện qua cuộn kích thích giảm làm sinh ra sức điện động tự cảm trong cuộn rotor có thể đánh thủng Tr1 nên sử dụng D1 giảm nó.

Khi điện áp chân S dưới 13V: Khi điện áp cực S tiếp tục giảm thấp hơn (11V – 13V), mạch M.IC nhận biết ắc quy không được sạc rồi điều khiển Tr3 mở làm đèn báo sạc sáng. Lúc này nó đóng ngắt Tr1 điều khiển dòng kích từ để điện áp tại đầu B khoảng 14,5 0,5V. Tr2 ngắt.

Hoạt động của bộ tiết chế khi cực B bị ngắt điên áp dưới 13V — Hoạt động của bộ tiết chế khi cực B bị ngắt điên áp chân S dưới 13V

– Khi chân L bị chập: Khi đầu L chập mạch trong lúc máy phát đang quay, Tr2 dẫn và dẫn và điện áp tại chân L = 0. Lúc này sẽ có dòng lớn qua Tr2. M-IC nhận biết 0V ở chân L và làm ngắt Tr2 để Tr2 không bị hỏng.

Hệ thống cung cấp điện