Źródła prądu w pojazdach oraz elementy układu ładowania

instalacja elektryczna samochodu

Źródło: Volkswagen

Data publikacji: 2018.03.02    Autor: Robert Kowalczyk

Źródła prądu w pojazdach oraz elementy układu ładowania

Praktycznie każdy pojazd mechaniczny musi być wyposażony w instalacje elektryczną. Każda instalacja elektryczna musi posiadać źródło prądu oraz odbiorniki. Źródłem prądu może być akumulator, prądnica lub alternator. W pojazdach najczęściej stosowane są jednocześnie dwa źródła prądu: akumulator oraz generator prądu - alternator lub prądnica. W starszych motocyklach i motorowerach można było spotkać rozwiązanie, gdzie jedynym źródłem prądu była tylko prądnica. Za sprawne zasilanie pojazdu w energię elektryczną odpowiedzialny jest układ ładowania, w skład którego wchodzi kilka elementów.

Akumulator

akumulator samochodowy

Akumulator zasila instalacje elektryczną, gdy silnik w pojeździe nie pracuje. W czasie pracy silnika akumulator jest doładowywany przez alternator, a w starszych pojazdach przez prądnicę.
W akumulatorach rozróżnia się trzy podstawowe parametry:
Napięcie. W motoryzacji stosowane są akumulatory o napięciu 6V lub 12V. Obecnie produkowane pojazdy osobowe, dostawcze oraz motocykle posiadają instalacje 12V. W przypadku samochodów ciężarowych, gdzie występuje instalacja 24V stosuje się 2 akumulatory 12V połączone szeregowo.
Pojemność akumulatora wyrażona jest w amperogodzinach(Ah) Jest to ilość energii elektrycznej, jaką akumulator jest w stanie dostarczyć przy zachowaniu odpowiednich warunków prądowych. Pojemność akumulatora zależy od powierzchni płyt w akumulatorze. Im jest ich więcej, tym większa ich powierzchnia i pojemność akumulatora. W pojazdach w których producenci stosują dużą ilość odbiorników energii elektrycznej pojemność akumulatora musi być większa, jednak nie może być większa niż przewidział to producent.
Prąd rozruchowy wyrażony jest w amperach(A). Określa prąd jaki może dostarczyć akumulator w temperaturze -18°C w ciągu 60 sekund do uzyskania napięcia 8,4V. Wysoki prąd rozruchowy przydatny jest szczególnie w okresie zimowym, gdy rozrusznik pobiera prąd o natężeniu około 200-300 amperów. Wartość prądu rozruchowego może być mierzona według norm niemieckich DIN lub amerykańskich SAE.
Dobierając akumulator do samochodu należy pamiętać, aby zastosować akumulator o parametrach przez producenta. Przy zastosowaniu akumulatora o większej pojemności alternator może nie być wstanie go doładować. Eksploatacja niedoładowanego grozi utratą jego parametrów. Warto również sprawdzić ułożenie biegunów akumulatora (po której stronie jest biegun dodatni). W przypadku akumulatora z odwrotnymi biegunami może okazać się, że nie będziemy w stanie go zamontować do pojazdu, ponieważ przewody z klemami nie sięgną do odpowiednich biegunów. Należy również uważać, aby nie podłączyć akumulatora odwrotnie (plus z minusem i minus z plusem), bo może dojść do uszkodzenia któregoś z odbiorników.
Przy niskich temperaturach parametry akumulatora ulegają obniżeniu. Teoretycznie w pełni sprawny akumulator w temperaturze 25°C ma 100% pojemności, w temperaturze 0°C będzie miał 80% pojemności, a przy temperaturze - 25°C jego pojemność wynosić będzie tylko 60%. Przy częściowo rozładowanym akumulatorze w ujemnych temperaturach jego pojemność będzie jeszcze mniejsza.
W niektórych pojazdach z systemem Automatic Stop&Start producenci stosują dwa akumulatory. Główny akumulator stosowany do uruchamiania silnika, drugi akumulator o dużo mniejszej pojemności służy do podtrzymania napięcia w modułach elektronicznych, gdy system automatycznie wyłączy silnik podczas postoju.
W zależności od konstrukcji pojazdu akumulator może być usytuowany w komorze silnika, w bagażniku lub we wnętrzu pojazdu.

Alternator

budowa alternatora

Zadaniem alternatora jest zamiana energii mechanicznej silnika w prąd elektryczny zasilający instalację elektryczną pojazdu. Alternator jest prądnicą prądu przemiennego często trójfazowego. W alternatorze wytworzenie prądu odbywa się inaczej niż w przypadku prądnicy prądu stałego. W alternatorze wirujące pole wirnika oddziałuje na nieruchome uzwojenie w stojanie wytwarzając przemienny prąd elektryczny. Alternator jest wzbudzany poprzez podanie napięcia do uzwojenia w wirniku. Nawinięte osiowo uzwojenie wraz z odpowiednio ukształtowanymi elementami ferromagnetycznymi wirnika podczas obrotu wirnika wytwarzają zmienne pole magnetyczne, które przenika uzwojenie w stojanie. Aby alternator mógł zasilać samochodową instalację prądu należy zmienić prąd przemienny na prąd stały - za to odpowiada prostownik z diodami krzemowymi, który montowany jest w alternatorze. Taka konstrukcja sprawia, że alternator jest bardziej wydajny i niezawodny w porównaniu do prądnicy prądu stałego. W alternatorze oprócz prostownika zamontowany jest również regulator napięcia, który utrzymuje napięcie ładowania w określonym zakresie.

W 1891r. Nikola Tesla pierwszy skonstruował alternator i opatentował go w USA. Dzisiaj alternator montowany jest w każdym obecnie produkowanym pojeździe.
W czasie pracy silnika gdy nastąpi awaria alternatora lub z innego powodu alternator przestanie wytwarzać prąd na desce rozdzielczej powinna zaświecić się kontrolka sygnalizująca brak ładowania kontrolka braku ładowania.

Prądnica prądu stałego

budowa prądnicy samochodowej

Prądnica prądu stałego przemienia energię mechaniczną silnika w energię elektryczną. Wprawiony w ruch wirnik (twornik) obraca się w polu magnetycznym wzbudzanym przez elektromagnesy stojana. Uzwojenia twornika przecinają w tym czasie linie sił pola magnetycznego, wskutek tego indukuje się w nich siła elektromotoryczna. Wytworzone w ten sposób napięcie w wirniku poprzez komutator przekazywane jest do zewnętrznego regulatora napięcia. Prądnice spotkać można w starych pojazdach. Prądnice prądu stałego ze względu na dużą masę, dużą awaryjność i niską sprawność zostały wyparte przez dużo lżejsze, dużo wydajniejsze alternatory. W czasie pracy silnika gdy nastąpi awaria prądnicy lub z innego powodu prądnica przestanie wytwarzać prąd na desce rozdzielczej będzie "się żarzyć" lub zaświeci się kontrolka sygnalizująca brak ładowania kontrolka braku ładowania.

Regulator napięcia

budowa prądnicy samochodowej

Regulator napięcia - stosowany jest w układzie ładowania akumulatora pojazdów mechanicznych. Zadaniem regulatora napięcia jest utrzymanie napięcia ładowania akumulatora w odpowiednim zakresie zależnym od prędkości obrotowej generatora, obciążenia i charakterystyki prądowo napięciowej akumulatora.
W motoryzacji stosowane są dwa rodzaje regulatorów napięcia: elektro-mechaniczny oraz elektroniczny.
Regulacja napięcia odbywa się poprzez sterowaniem zmiany prądu wzbudzenia generatora prądu(alternatora lub prądnicy). W elektro-magnetycznych regulatorach stosowano regulacje z trzema poziomami wzbudzenia (pełna, częściowa i wyłączona). W regulatorach elektronicznych stosuje się impulsowe włącznie i wyłączanie prądu wzbudzenia. Regulatory elektro-magnetyczne zostają wypierane przez mniejszych gabarytów regulatory elektroniczne, które także są mniej awaryjne.
W obecnych alternatorach regulatory napięcia tworzą integralną część z elementami trzymającymi szczotki tworząc część alternatora.

Czy jest możliwa praca silnika bez prądu?

Tak - jest to możliwe. Starej konstrukcji silniki Diesla mogą pracować bez źródła prądu. Takie silniki uruchamiane były za pomocą ręcznych rozruszników (korba lub specjalna dźwignia), rozruszników pneumatycznych (ciężki sprzęt wojskowy), małych benzynowych silników spalinowych(niektóre radzieckie spychacze) lub po prostu na pych.

Ramy stosowane w pojazdach samochodowych