16. Elektrické zariadenia motorových vozidiel

http://klasici.sk/old/skola/ss/mov/MOV4.htm

1. Druhy elektrických sústav

Podľa napätia:

  1. jednosmerné - sú najrozšírenejšie, dôvodom je použitie akumulátora
    • 6 V - malé motocykle
    • 12 V - osobné autoobily a veľké motocykle
    • 24 V - stredné a ťažké úžitkové automobily
  2. vyššie napätia
    • striedavé: ak nie je potrebný akumulátor
    • kombinované

Podľa počtu vodičov:

  1. 1-vodičová sústava - druhým vodičom je kovová kostra automobilu obvykle pripojená na záporný pól kvôli kratšiemu oblúku pri skrate a menšej korózii kostry
  2. 2-vodičová sústava - druhý vodič je privedený k riadiacej jednotke
  3. multiplex - informácie sa prenášajú do každého zariadenia po jednom spoločnom vodiči

2. Elektrické zariadenia

  1. zdroje elektrickej energie - akumulátor, alternátor, dynano, nabíjačka
  2. elektrická inštalácia - káble, poistky, svorky, zásuvky, spínacia skrinka a spínače
  3. spotrebiče
    • štartovacie zariadenia - elektromotor, ohrievač motora
    • zapaľovanie - mechanické alebo elektronické
    • prevádzkové spotrebiče - osvetlenie, signalizácia, stierače, ostrekovače, vykurovanie
  4. riadiace
    • regulátor alternátora - zabezpečí stabilné napätie alternátora
    • snímače - poloha kľukovky, lambda sonda, tlak v pneumatikách
    • mikroprocesor - riadiaci motor
    • systémy riadenia podvozku - ABS (proti šmyku), ASR (proti pretáčaniu kolies), BAS (regulácia brzdenia)
    • komfortné systémy - klimatizácia, centrálne uzamykanie, otvárenie okien, nastavovanie sedadiel, ovládanie svetiel a stieračov
    • komunikácia a médiá - tiesňové volania, navigácia, MP3, DVD, telefón, nočné videnie
    • senzorové ovládanie - automatické brzdenie, parkovanie, riadenie
    • informačné a diagnostické zaiadenia - o činnosti motora, vonkajšie informácie, zistenie príčiny poruchy
  5. elektrická výbava - náhradné žiarovky, poistky a sviečky

4. Olovený akumulátor

Časti

  • nádoba - tvrdená guma, alebo polypropylén
  • elektródy, dosky (-) - šedé hubovité olovo (Pb), (+) - hnedý oxid olovičitý (PbO2)
  • separátory
  • elektrolyt - vodou zriedená kyselina sírová (H2SO4) s koncentráciou 35% obj. v plne nabitom akumulátore, pri 20°C 1,285 g/cm3. Elektrolyt môže byť nasiaknutý do sklenej vaty (AGM) alebo ztužený do gelu.
  • pólové mostíky
  • zátky
  • kladný a záporný vývod - (+) je hrubší

Chemicky vratná reakcia

Vybíjaním sa hmota zápornej aj kladnej elektródy premieňa na síran olovnatý (PbSO4) a z elektrolytu ubúda kyselina sírová, a pribúda voda. Pri vybíjaní klesá koncentrácia elektrolytu, pri nabíjaní stúpa.

Celková reakcia vybíjania:

Pb + 2H2SO4 + PbO2 → 2PbSO4 + 2H + 2O

Táto reakcia prebieha aj s kyselinou, ktorá je disociovaná iba do 1. stupňa na H+ a HSO4−. Rovnice potom vyzerajú následovne:

Napätie

  • Menovité napätie jedného článku: 2 V, 6-článkovej batérie: 12 V - tá je uvažovaná ďalej
  • Napätie naprázdno nabitej: 12,6–12,8 V
  • Napätie naprázdno vybitej: 11,8–12,0 V
  • Napätie pri záťaži pri ktorom sa má ukončiť vybíjanie: 10,5 V
  • Všetky napätia sú platné pre 20 °C, v prípade zmeny teploty sa musia vhodne upraviť. Hodnota udržovacieho napätia sa môže líšiť v závislosti na výrobcovi. V prípade dobíjenia udržovacím napätím sa napätie musí presne nastaviť, pretože nízke napätí spôsobuje sulfatáciu pri ktorej sa na elektródach vykryštalizujesíran olovnatý, a vysoké napätie ich koróziu straty elektrolytu, čo významne skracuje životnosť akumulátorov.

  • Napätie pre občasné dobíjanie batérie: 14,2–14,5 V
  • Napätie, pri ktorom začína výrazná tvorba vodíku a kyslíku: 14,4 V
  • Po ukončení nabíjania batérie do plného nabitia, klesne napätie rýchlo na 13,2 V, a potom pomaly na 12,6 V.
  • Typy

    Podle technológie:

    • so zaplavenými elektródami – napríklad autobatérie – elektrolyt je volne nalaita kapalina mezi elektrodami
    • VRLA z anglického Valve Regulated Lead Acid – ventilem řízené olověné akumulátory; jde o označení zapouzdřených akumulátorů s výrazným omezením vývinu plynů; prakticky vůbec se nevyvíjí kyslík a jen ve velmi malé míře se vyvíjí vodík
      • AGM z anglického Absorbent Glass Mat – elektrolyt je nasáknut ve skelné vatě, která je mezi elektrodami
      • Gelové – elektrolyt je zahuštěný ve formě gelu

    Podľa použitia:

    • Záložné (standby) – napr. UPS, bezpečnostní systémy.
    • Štartovacie – autobatérie
    • Trakčné – golfový vozík, vysokozdvižný vozík

    Vlastnosti

    • Samovoľné vybíjanie akumulátora: 3-20% kapacity za mesiac, novšie typy batérií menej.
    • Cyklus je nabitie a následné vybitie batérie. Životnosť je daná počtom cyklov.
    • Životnosti ovplyvní:
      • hĺbka vybíjania
      • počet hĺbkových vybíjaní
      • spôsob nabíjania batérie
      • prevádzkové teploty
      • spôsob skladovania
    • Sulfatácia - je kryštalizácia PbSO4 na elektródach, čím sa obmedzuje prúd a kapacita batérie. Desulfatizovať možno batériu impulzami nabíjania a vybíjania, napríklad striedavé napätie usmernené diódou a batéria zaťažená žiarovkou.
    • Využiteľná kapacita je menšia ako údaj v ampárhodinách (Ah) napísaný na batérii, pretože batériu nemožno úplne vybiť, v zime klesá kapacita batérie, starnutím a sulfatáciou kapacita klesá tiež.
    • Rozdelenie batérií podľa určenia

      ŠTARTOVACIE BATÉRIE

      Olovené batérie určené pre štartovanie nie sú navrhnuté pre hlboké vybitie – majú veľký počet tenkých elektród kvôli čo najväčšej ploche a tým čo najväčšiemu prúdu, ale hlbokým vybitím môžu byť ľahko poškodenie. Opakované hlboké vybitie spôsobí stratu kapacity a významne zníži životnosť. Štartovacie batérie sa skladujú odpojené a mali by sa pravidelne dobíjať podľa doporučenia výrobca (napr. každé 3 mesiace), aby se predišlo sulfatácii.

      TRAKČNÉ BATÉRIE

      Špeciálne betérie navrhnuté na pohon napríklad manipulačnej techniky, golfových vozíkov, nožnicových plošín. Tieto batérie sú rozdelené na článkové 2V a na blokové 6V; 8V; 12V. Konštrukcia článku je najčastejšie mriežková olovená elektróda s vlisovanou aktívnou hmotou a ďalej medzi elektródami odděľujúce separátory. Konštrukcia blokové batérie je buď mriežková elektróda alebo trubková elektróda. Tieto batérie sú stavané na dlhodobé odoberanie energie a následne znovu nabitie. napr. manipulačná technika a batérie v nej je stavaná na 8 hod. prevádzku. Je nutné pre tieto trakčné batérie dodržanie cyklov a to nabitie na 100% a následné odobratie 80% a tak ďalej sa opakuje, tento úkon je jeden nabíjací cyklus. Štandardná trakčná článková batéria má 1500 nabíjacích cyklov a blokové batérie napríklad pre golfové vozíky od 400 do 1200 nabíjacích cyklov. tieto batérie ak su hlboko vybité - pod ostávajúcich 20% energie, sulfatujú a znižuje se daná kapacita batérie až do trvalého poškodenia, nesmú sa teda hlboko vybíjať a ďalej ani medzidobíjať.

PrílohaVeľkosť
BateriaZlozenie.png333.1 KB

5. Lítiová batéria

Lithium-iontová (Li-Ion) batéria je rozšírená v prenosnej elektronika a používa sa v elektromobiloch.

Technológia

Anóda je vyrobená z uhlíku, katóda je oxid kovu, a elektrolyt je lítiová soľ v organickom rozpúšťadle.

Základná zjednodušená chemická reakcia:

Li1/2CoO2 + Li1/2C6 ⇆ C6 + LiCoO2

Vo vnútri každej bežnej batérie je (battery packu) je čip, ktorý stráži stav a kontroluje priebeh nabíjania.

Zásoby lítia sa odhadujú na pokrytie výroby 10 miliárd automobilov. Pri odhadovanom počte automobilov a životnosti akumulátorov nemožno očakávať pokrytie spotreby do konca 21. storočia, ak se od polovice storočia budú vyrábať iba elektromobily.

Napätie

  • Menovité napätie článku podľa normy: 3,6 V, v USA 3,7 V, batérie 7,2 - 10,8 - 14,4 - 18 V, niektorí výrobcovia uvádzajú aj iné hodnoty.
  • Skutočné napätie: 3 – 4,2 V.
  • Pomocná elektronika zisťuje mieru vybitia podľa napätia batérie, prekročenie nabíjacieho a vybíjacieho napätia, odpojí batériu po nabití, napr. pri 4,2 V. Bráni tak zničeniu akumulátora a predlžuje jeho životnosť.

Výhody

  • Možno vyrobiť rôzne tvary.
  • Vysoká kapacita v malom objeme a hmotností. 200 Wh/kg, 530 Wh/l – 3x väčšia ako u Ni-MH.
  • Skoro žiadne samovybíjanie (do 5 %).
  • Nemá pamäťový efekt – možno je kedykoľvek nabíjať.
  • Netreba ju formátovať – niekoľkokrát nabíjať a vybíjať pred prvým použitím
  • Vysoké nominálne napätie: 3,6 V
  • Životnosť 500 – 1200 nabíjacích cyklov.

Nevýhody

  • Batéria starne, teda stráca kapacitu, bez ohľadu či sa používa alebo nie. Rýchlosť starnutia sa zvyšuje teplotou, väčším nabitím, vyšším vybíjacím prúdom.
  • Nebezpečie výbuchu alebo zapálenia pri nesprávnom používaní (skratovanie, nabíjanie na vyššiu kapacitu).
  • Vadí jej úplné vybitie. Keď se dostane pod napätie 2,8 V, je veľmi ťažké ju znovu „oživiť“, napríklad keď je dlho vybitá.

Ako predĺžiť životnosť

  • Skladujte a používajte ich pri nižších teplotách (5 - 15 °C).
  • Nenechávajte zbytočne dlho plne nabité nebo úplné vybité batérie stáť.
  • Neudržujte stále pri 100% nabití. Ideálne je udržiavať akumulátor medzi 20% - 80% kapacity. Pri 40% nabití je životnosť 3 x dlhšia.
  • Nevybíjajte do úplného vybitia. S hĺbkou vybíjania (DoD) se životnosť batérie znižuje. Občasné vybíjanie, ktoré je často doporučované, rekalibruje indikátor nabitia, ale životnosti batérie neprospieva.

6. Automobilový alternátor

Stator má na obvode plechy, v ktorých sú drážky. V drážkach je uložené pracovné vinutie, v ktorom sa indukuje napätie. Vinutie môže byť 3-ázové nebo 1-fázové. Trojfázové vinutí býva zapojené do hviezdy s vyvedeným stredným vodičom. Striedavé napätie sa usmerňuje usmerňovačom.

Rotor obsahuje kotvu, ktorá vytvára hlavné magnetické pole. Na obvode môžu byť elektromagnety s budiacim vinutím. Alebo je cievka vinutá v smere osi, magnetické póly sú vyvedené na obvod pomocou 12 pólových nástavcov z magneticky mäkkej oceli. Vinutie je vyvedené na konci rotoru na zberacie krúžky s povrchom z medi, od seba a od kostry izolované. Na krúžky dosadajú kefky, uhlíky, ktorým sa privádza prúd z regulátora. Kotva je poháňaná pomocou klíinového remeňa. Na oboch stranách osy sú guličkové ložiská.

Regulátor alternátora má za úlohu meniť budiaci prúd tak, aby alternátor vytváral požadované napätie pri rôznych otáčka. Pri nižších otáčkach dodáva väčší prúd, pri vyšších menší. Pracuje na princípe spätnej väzby, kedy sa sleduje výstupné napätie alternátora. Ak je vysoké, budiaci prúd sa zníži, ak je nízke, budiaci prúd sa zvýši.

Regulátor:

Usmerňovač:

Schéma:

PrílohaVeľkosť
alternator_konstrukcia.png210.53 KB
alternator_rebuilt.jpg71.58 KB
AlternatorVmotore.jpg52.72 KB
RegulatorSkoda.jpg8.66 KB
UsmernovacSkoda.jpeg7.09 KB
AlternatorSchema.gif6.93 KB
AlternatorSchema.gif7 KB

Otázky na opakovanie

  1. Aké napätia a počty napájacích vodičov sa používajú v automobiloch?
  2. Vymenujte elektrické zariadenia v motorových vozidlách:
    1. zdroje elektrickej energie
    2. elektrická inštalácia
    3. spotrebiče
    4. riadiace
    5. elektrická výbava
  3. Aký je rozdielmedzi blokovou, náučnou a zapojovacou schémou? Uveďte názov značiek:

  4. Olovený akumulátor: Vymenujte časti a použité materiály. Aké je menovité napätie článku a batérie? Ako sa mení napätie a kapacita v závislosti od nabitia, teploty vzduchu, sulfatácie? Ako sa líšia údržbou, prevádzkou a nabíjaním rôzne typy podľa technológie (so zaplavovanými elektródami, alebo ventilom riadené) a podľa účelu (štartovacie, trakčné, záložné)?
  5. Lítiová batéria: Vymenujte časti a materiály. Aké je menovité napätie článku? Prečo je potrebná pomocná elektronika v článku? Aké má výhody a nevýhody oproti olovenému článku? Ako možno predĺžiť životnosť?
  6. Automobilový alternátor: Čo obsahuje a akú majú funkciu jeho časti: stator, rotor, regulátor a usmerňovač.

  7. Dynamo: Vymenujte časti a ich funkciu. Aký je rozdiel v používaní pri sériovom, paralelnom a kombinovanom zapojení cievok statora a rotora?
PrílohaVeľkosť
ZnackyElektrotechnickeAutoBezPopisu.gif3.13 KB