سیستم باتری پر کنی
اطول کار سیستم باتری پرکنی
نیازهای برقی اتومبیل های جدید زیاد است و سیستم باتری پرکنی باید بتواند این نیازها را به صورتی اعتمادپذیر برآورده کند. به عبارت ساده تر، سیستم باتری پرکنی اتومبیل باید بتواند، تحت همه شرایط بهره برداری، برق مورد نیاز همه مصرف کننده های نصب شده روی اتومبیل را تامین کند و گذشته از آن باتری را نیز پر نگه دارد
شکل 1
مهمترین جزء سیستم باتری پر کنی آلترناتور است که از این پس آن را دینام می نامیم. در حقیقت در بیشتر اتومبیل های مدرن، هرگاه سیمکشی مربوط به سیستم باتری پر کنی را نادیده بگیریم، دینام تنها جزء این سیستم است. در شکل 1 دو نوع دینام متداول نشان داده شده است. جریان خروجی دینام باید مستقیم یا DC باشد زیرا فقط با این نوع جریان است که باتری پر می شود و مدارهای الکترونیک کار می کنند. ولتاژ خروجی دینام نیز، صرف نظر از دور موتور و برق مصرفی، باید ثابت بماند.
خلاصه اینکه وقتی موتور کار می کند، سیستم باتری پرکنی باید بتواند:
1- جریان مورد نیاز بخشی یا همه مصرف کننده ها را تامین کند.
2- جریان لازم برای پر کردن باتری را تامین کند.
3- اعتمادپذیر، بیصدا و مقاوم در برابر آلاینده ها باشد.
4- وقتی موتور با دور آرام کار می کند، باز هم توانایی های یاد شده را داشته باشد.
5- درهمه وضعیت ها ولتاژ خروجی آن ثابت باشد.
6- به نگهدار کمی نیاز داشته باشد
7- نسبت توان به وزن آن مطلوب باشد
8- شاخصی ربای کسب اطمینان در مورد درست کار کردن آن (مثلا چراغ دینام) وجود داشته باشد.
اصول اساسی
در شکل 2 سیستم باتری پرکنی یک یک اتومبیل به صورت سه بلوک نشان داده شده است؛ این بلوک ها به ترتیب دینام، باتری و مصرف کننده نام دارند. وقتی ولتاژ خروجی دینام از ولتاژ باتری کمتر باشد(یعنی وقتی موتور کار نکند)، جهت جریان از باتری به طرف مصرف کننده هاست. در این حالت دیودهای دینام مانع ورود جریان به دینام می شوند. وقتی خروجی دینام از ولتاژباتری بالاتر باشد، جریان از دینام هم به باتری می رود و هم به سوی مصرف کننده ها.
با توجه به این مثال ساده روشن می شود که وقتی موتور روشن است، ولتاژ خروجی دینام باید همواره از ولتاژ باتری بالاتر باشد. ولتاژ واقعی مورد استفاده به عامل های مختلفی وابسته است که در بخش بعدی مفصلا راجع به آن بحث خواهد شد.
ولتاژ باتری پرکنی
معیار اصلی در تنظیم ولتاژ باتری پرکنی، ولتاژ بین قطبهای باتری کاملا پر است. اگر ولتاژ سیستم باتری پرکنی برابر همین مقدار باشد، آنگاه احتمال بیش از حد پر شدن باتری وجود ندارد. در حقیقت این یکی از راه های استاندارد پر کردن باتری با ولتاژ ثابت است. در قسمت باتری این موضوع با تفصیل بیشتری شرح داده شد. در مورد سیستمی با ولتاژ نامی 12 ولت، ولتاژ مورد استفاده برای پر کردن باتری 14 ولت است. در بعضی از خودرو ها از دو باتری 12 ولتی به صورت متوالی استفاده می شود و ولتاژ نامی این مجموعه 24 ولت است. در این حالت ولتاژ قابل قبول برای پرکردن 28 ولت است. این ولتاژ ورودی استاندارد همه مصرف کننده های نصب شده در خودرو است.
نکته های دیگری که باید هنگام تعیین ولتاژ باتری پزکنی در نظر گرفت افت ولتاژ در سیمکشی سیستم باتری پرکنی و دمای کار سیستم باتری پرکنی و باتری است. البته باید اینها را به حداقل رساند، اما نکته مهم آن است که ولتاژ دو سر دینام باید کمی بالاتر از ولتاژ اعمالی به باتری باشد.
مصرف کننده های برق در خودرو
اگر باتری و استارت را کنار بگذاریم بارهای وارد به دینام را به سه دسته جداگانه می توان تقسیم کرد. این بارها عبارت اند از بارهای پیوسته، بارهای ممتد و بارهای منقطع. سیستم باتری پرکنی یک اتومبیل امروزی باید در شرایط بسیار متنوعی جوابگوی این نیاز های برقی باشد. برای آنکه در مورد خروجی مورد تقاضا از دینام اطلاعاتی تقریبی پیدا کنید، برق مصرفی همه وسایل و اجزای برقی را در نظر بگیرید و جمع بزنید.
در شکل 3 روند رشد توان مورد نیاز در طی سال های اخیر، همراه با پیشبینی نحوه افزایش آن در سال های آینده نشان داده شده است. هدف ما در این بخش آشنا کردن خواننده با بعضی از پیامد های احتمالی این تغییرات برای کل سیستم برقی و باتری پرکنی اتومبیل است. بیشتر بارهای منقطع گاهگاه وارد مدار می شوند و گرمکن شیشه عقب یا گرمکن صندلی ها معمولا رله زمنگیر دارند. بنابراین می توان ضریب 0.1 را برای همه بارهای مصرفی منقطع در نظر گرفت و در محاسبات بعدی به کار برد. در این محاسبات فرض می شود که از اتومبیل در شرایط عادی بهره برداری می شود.
شکل 3
مشکلات سیستم باتری پرکنی و راه حل آنها
سیستم باتری پرکنی اتومبیل باید در شرایط مختلف کارکند. اگر وضعیت بهره برداری قابل انتظار را در نظر بگیریم، تولید توان مطلوب خیلی دشوار است. اولین وضعیت، راه بندان در یک شب سرد بارانی است! در چنین وضعیتی ممکن است موتور مدت زیادی با دور آرام کار کند و تقریبا همه وسایل برقی اتومبیل هم روشن باشند.
وضعیت دوم در اتومبیلی پدید می آید که در یک شب یخبندان در فضای باز پارک شده است. موتور اتومبیل روشن می شود و راننده گرمکن صندلی، گرمکن شیشه عقب و موتور بخاری را روشن می کند و چند دقیقه ای مشغول پاک کردن یخ از روی شیشه های عقب و جلو و بغل می شود و سفری نیم ساعته در خیابان های پر رفت و آمد آغاز می شود. می توان فرض کرد که پس از حدود 15 دقیقه گرمکن صندلی و گرمکن شیشه عقب به صورت خودکار خاموش می شوند.
آزمون ها و شبیه سازی هایی با استفاده از مثال های بالا و نیز بسیاری مثال های دیگر انجام شده است. در پایان وضعیت اول شارژ باتری حدود 35% پایین تر از وضعیت شارژ اولیه آن خواهد بود؛ در وضعیت دوم وضعیت شارژ باتری حدود 10% پایین تر است. این وضعیت ها بدترین حالت های ممکن هستند، اما کاملا ممکن است پیش بیایند. اگر این وضعیت ها به صورت پی در پی تکرار شوند بدون آنکه در این فاصله سفر های دیگری انجام شود، باتری به زودی ضعیف می شود و نمی تواند موتور را روشن کند. حل این مشکل، با توجه به اینکه نیاز به برق تولیدی دینام روز به روز بیشتر می شود، کار دشواری است. با توجه به اینکه حافظه های فرار واحد کنترل موتور و سیستم دزدگیر، وقتی خودرو خاموش و پارک شده است جریان کم ولی قابل اعتنایی می کشند، تضمین پر ماندن باتری دشوارتر می شود.
چندین راه حل برای تضمین تقریبا پر ماندن باتری مطرح شده است. اگر ظرفیت باتری افزایش یابد می تواند نواسانات مصرفی برق و تغییر شرایط کاری را بهتر تحمل کند. اما از لحاظ ابعاد باتری با محدودیت هایی رو به رو هستیم. در زیر 5 راه برای تغییر سیستم تامین برق را نام می بریم و هر یک را به تفصیل شرح می دهیم.
1- نصب یک دینام قوی تر در اتومبیل
2- نصب یک سیستم کنترل برق
3- استفاده از یک مکانیسم محرک دو مرحله ای برای دینام یا افزایش دور آن
4- افزایش دور آرام موتور
5- استفاده از سیستم های دو ولتاژی
این پنج راه حل نیز، مانند همه راه حل ها، محاسن و معایبی دارند که از جمله می توان به عاملهای فنی و اقتصادی اشاره کرد. به عقیده مهندسان تلفیقی از دینام قوی تر، که با دور بالاتری کار کند، همراه با استفاده از سیستمی دو ولتاژی یا با ولتاژ بالاتر، بهترین راه حل است. احتمال می رود که این راه حل از لحاظ اقتصادی و فنی نیز مناسب و امکانپذیر باشد. حال هر یک از این راه حل ها را به تفصیل شرح می دهیم.
آسانترین راه حل برای تامین برق بیشتر استفاده از دینام بزرگتر است و تنها راه اصلاح و ارتقای وضعیت اتومبیل های موجود همین است. اما باید در نظر داشت که دینام به رایگان برق تولید نمی کند. به ازای هر وات برقی که دینام تولید می کند، بین 1.5 تا 2 وات توان از موتور اتومبیل کشیده می شود، زیرا بازده فرایند تبدیل انرژی پایین است. افزایش ظرفیت دینام پیامد هایی از لحاظ اندازه تسمه و فلکه ها و تسمه سفت کن ها نیز دارد.
اما با ارزان تر شدن عناصر الکترونیکی ممکن است استفاده از سیستم کنترل هوشمند برق جاذبه های مالی بیشتری پیدا کند. این سیستم می تواند در هنگام توقف خودرو چراغ های جلو و چراغ های مه شکن را خاموش کند. هزینه استفاده از چنین سیستمی، احتمالا از هزینه بزرگتر کردن دینام کمتر است. در شکل 4 اصول کار چنین سیستمی نسان داده شده است. سیگنال حسگر سرعت از طریق مدار پردازش الکترونیکی تعدادی رله را راه اندازی می کند. از این رله ها میتوان برای قطع بعضی از مدار های روشنایی استفاده کرد. در شرایط استثنایی از یک کلید کنار گذر نیز استفاده می شود.
شکل 4
استفاده از یک مکانیسم محرک دو سرعته که در دور موتور کمتر از 1200 دور در دقیقه با نسبت 5:1 و در دور های بالاتر با نسبت 2.5:1 کار می کند. محاسنی دارد، اما سیستم محرک را پیچیده تر می کند. امروزه با اصلاحاتی که در طرح دینام ها به عمل آمده، دینام هایی تولید می شود که دور آنها تا 20000 دور در دقیقه می رسد. اگر حداکثر دور موتور را در حدود 6000 دور در دقیقه فرض کنیم ،می توان نسبت فلکه را 3.3:1 گرفت. با دو برابر کردن ولتاژ می توان توان مساوی را با شدت جریان نصف انتقال داد (توان = ولتاژ × جریان). در نتیجه ولتاژ کمتر افت می کند. دسته سیم های بزرگ مناسب تر است، به ویژه به این سبب که در خودروهای بزرگ از سیم های طویل تری استفاده می شود. بدین ترتیب حتی هنگامی که موتور با دور آرام کار می کند، سرعت دینام به 2300 دور در دقیقه می رسد. سیستم محرک دو سرعته هنوز در مرحله نمونه سازی است .
افزایش دور آرام موتور، به سبب افزایش مصرف سوخت و آلایندگی عملی به نظر نمی رسد. بعضی از سیستم های موجود اداره موتور، در هنگام افزایش نیاز به برق، سیگنالی از دینام دریافت می کنند. سیستم اداره موتور، پس از دریافت این سیگنال دور موتور را افزایش می دهد تا هم مانع خاموش شدن موتور شود و هم خروجی دینام را افزایش دهد. در شکل 5 سیستم سیمکشی مربوط به این روش نشان داده شده است.
شکل 5
پژوهش هایی روی سیستم های برقی دو ولتاژی در دست انجام است. مدتهاست که می دانیم سیستم 24 ولت برای خودروهای سنگین مورد استفاده قرار می گیرد، اگر از ولتاژ بالاتری استفاده شود، می توان سطح مقطع کابل ها را نصف کرد، بدون اینکه تاثیر چشم گیری بر انتقال برق داشته باشند. چون مدتهاست که خودروهای سنگین از برق5 24 ولت استفاده می کنند، بیشتر اجزای مورد نیاز (لامپ و غیره) در دسترس هست. در حال حاضر استفاده از سیستم 12- ، 0 ، 12+ ولت با سه شین یا ریل در دست بررسی است. مصرف کننده های پر مصرف را می توان به ولتاژ 12- ، 12+ (24 ولت) متصل کرد و مصرف کننده هایی را که برق 12 ولت مصرف می کنند بین ریل های 12- ، 0 ، 12+ متوازن کرد. این وضعیت در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل 6
در شکل 7 بعضی از روش های بالا، وقتی در دوره زمستان به کار گرفته شوند، به صورت ترسیمی مقایسه شده اند. بحث بالا بیشتر به مسایل طراحی مربوط است تا تعمیر و نگهداری و خدمات پس از فروش. به هر حال برای در اختیار داشتن بازار خدمات پس از فروش باید با تکنولوژی در حال تغییر همراه شد. این همراهی، در حوضه های مربوط به سیستم های برقی اتومبیل، غالبا بسیار دشوار است.
شکل 7
محاسبات مربوط به باتری پر کنی
برای تعیین این نکته که دینام می تواند، علاوه بر پاسخ گویی به نیاز های برقی همه وسایل برقی اتومبیل، باتری را نیز پر کند از روش موازنه انرژی سیستم باتری پر کنی استفاده می شود. برای تعیین اندازه دینام مورد نیاز یا وارسی مناسب بودن دینام نصب شده روب خودرو، به ترتیب زیر عمل می کنیم.
محاسبات به یک اتومبیل سواری با سیستم برق 12 ولت مربوط است. این کار را در چند مرحله انجام می دهیم:
ابتدا باید توان مصرفی همه مصرف کننده های پیوسته و ممتد را محاسبه کرد. سپس شدت جریان را به ازای 14 ولت محاسبه می کنیم : ) ( I = w/v
P1 = کل توان مصرفی مصرف کننده های پیوسته و ممتد = 440 w
I = شدت جریان = 31.5 A
P2 = توان مصرفی مصرف کننده های منقطع (با ضریب 0.1) = 170 w
کل توان مصرفی برابر است با (P1 + P2) = 610 W
جریان کل در حالت 12 ولت برابر است با 610/14 = 44 A
و در حالت 24 ولت برابر است با 610/28 = 22 A
یادآوری می کنیم که 14 ولت و 28 ولت ولتاژ هایی هست که، به ترتیب، در سیستم های 12 ولت و 24 ولت، برای پر کردن باتری به کار می روند. با استفاده از این ولتاژها و به شرط ثابت بودن ولتاژ، باتری بیش از اندازه پر نخواهد شد. در حقیقت ولتاژ دو سر باتری سرب- اسیدی در حالت کاملا پر نیز در حدود 14 ولت است. بنابراین وقتی باتری پر شد و ولتاژ آن به این سطح رسید، دیگر از دینام جریان نمی کشد.
سازندگان وسایل برقی خودرو حدول هایی ارایه می کنند که در آنها دینام مناسب، بر اساس محاسبات انجام شده روی توان مصرفی کل و اندازه باتری، توصیه شده است. اما به منزله راهنمایی در مورد اتومبیل های سواری با سیستم برق 12 ولت، می گوییم که خروجی نامی باید در حدود 1.5 برابر کل جریان مورد نیاز باشد، بنابراین در مثال بالا خروجی باید 66 آمپر باشد.
سازندگان معمولا دستگاه هایی با اندازه های استاندارد تولید می کنند؛ در این مثال دستگاه تولیدی احتمالا دینامی با خروجی نامی 70 آمپر خواهد بود. خودروهایی که باتری و استارت بزرگتر دارند، مثلا خودروهایی با موتور دیزل یا خودروهای مسافربری یا باربری، به دینامی با خروجی بیشتر نیاز دارند.
سرانجام باید این نکته را وارسی کرد که خروجی دینام در دور آرام تکافوی برق مورد نیاز همه مصرف کننده های پیوسته و ممتد (P1) را بکند و باز هم قادر به پر کردن باتری باشد. در این جا نیز می توان از ضریب 1.5 استفاده کرد؛ در این مثال دینام باید بتواند در دور آرام موتور، جریانی معادل 31.5 × 1.5 = 47 تولید کند. در سیستم های معمولی، دینام باید با دوری در حدود 2000 دور در دقیقه (یا کمتر) کار کند تا این خروجی تولید شود. با استفاده از منحنی مشخصه دینام که در شکل 8 نشان داده شده است، میتوان این موضوع را وارسی کرد.
شکل
جانبی موتور