現(xiàn)在的汽車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，絕大多數(shù)的功能運(yùn)行都是由電來控制的，比如發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱電控系統(tǒng)、車身電控系統(tǒng)、制動(dòng)與轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)，燈光系統(tǒng)，等等。那么有些人就會(huì)感到奇怪了：這汽車上沒有外接電源，這些電都是從哪兒來的呢？怎么感覺電能是取之不盡用之不竭的？雖然汽車上有一個(gè)蓄電池，不過它所儲(chǔ)存的電量應(yīng)該是有限的，當(dāng)它的電能消耗殆盡的時(shí)候，又是如何補(bǔ)充的呢？
汽車雖然沒有外接電源，但是汽車本身是有電源的，可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)電，這就是汽車的充電系統(tǒng)。在汽車上有兩個(gè)電源，一個(gè)是蓄電池，可以儲(chǔ)存一定的電能，在發(fā)動(dòng)機(jī)沒有啟動(dòng)之前，汽車上所有的電能都是由它提供的，比如啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、聽音樂、汽車防盜系統(tǒng)等；另一個(gè)是發(fā)電機(jī)，它是汽車上的主電源，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，汽車上的所有電能都是由發(fā)電機(jī)提供的，多余的電能會(huì)儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)發(fā)電機(jī)電能不足以應(yīng)付汽車用電時(shí)，蓄電池會(huì)提供一部分電能輔助發(fā)電機(jī)工作。它們二者協(xié)同工作，就構(gòu)成了汽車的電源系統(tǒng)。下面我們就來說說這套系統(tǒng)是如何工作的，電能又是如何相互轉(zhuǎn)化的。
首先說明一下，汽車上的電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)是直流、低壓（12伏或24伏）、負(fù)極搭鐵，以下所有的論述，都是在這個(gè)前提下進(jìn)行的。
首先來說說蓄電池。汽車上的蓄電池是汽車的輔助電源，絕大多數(shù)都是鉛酸蓄電池，它是一種低壓直流可逆電源，可以讓化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化。它的基本結(jié)構(gòu)是由極板、電解液、隔板、殼體這幾大部分組成的，其中極板分為正負(fù)極板，正極板上涂敷著二氧化鉛，負(fù)極板上涂敷著海綿狀的純金屬鉛，電解液是36%左右的硫酸水溶液。根據(jù)極板的型式以及隔板結(jié)構(gòu)的不同，蓄電池大致可以分為普通型蓄電池、免維護(hù)蓄電池、干荷電蓄電池以及膠體蓄電池這幾大類，現(xiàn)在汽車上最常用的是免維護(hù)蓄電池。帶有自動(dòng)啟停功能的車型，它的蓄電池是特制的，隔板是玻璃纖維的，電解液被吸附在隔板上，它的充放電速度更快，并且允許多次充放電。如果它損壞了，是不能用普通蓄電池代替的。
一般汽車上只有一個(gè)蓄電池，屬于12伏電源系統(tǒng)；有些高檔汽車會(huì)并聯(lián)安裝主-副兩個(gè)蓄電池，電源電壓仍然是12伏；而在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于啟動(dòng)力矩較大，一般串聯(lián)安裝兩個(gè)蓄電池，形成24伏電源系統(tǒng)。那么蓄電池電壓為什么都是12伏呢？這就要從蓄電池的電能生成原理說起了。
蓄電池在靜止?fàn)顟B(tài)下，在正極板處，二氧化鉛與硫酸作用生成帶正電荷的鉛離子沉浮在正極板上，使正極板具有2V的正電位；在負(fù)極板處，純鉛電離為鉛離子和電子，兩個(gè)電子留在負(fù)極板上，使負(fù)極板具有約-0.1V的負(fù)電位；這樣在正負(fù)極之間就形成了大約2.1V的電位差，這就是鉛酸蓄電池能夠建立起電動(dòng)勢的原理。這樣由一對正負(fù)極板組成的電池稱為一個(gè)單格蓄電池，一般蓄電池中有六對單格蓄電池，它們串聯(lián)安裝在一起，就組成了電壓為12.6伏的蓄電池，對外標(biāo)稱12伏。但事實(shí)上，如果在靜止?fàn)顟B(tài)下測量蓄電池電壓為 12伏，它的電量就所剩無幾了，一般充滿電的蓄電池電壓都在12.6~12.8伏之間。
那么蓄電池又是如何放電的呢？當(dāng)蓄電池接上負(fù)載后，由于有電壓的存在，所以會(huì)產(chǎn)生電流，驅(qū)動(dòng)電子會(huì)從負(fù)極板流向正極板，正負(fù)極板上的金屬鉛和二氧化鉛就變成了鉛離子，然后鉛離子與硫酸根結(jié)合生成硫酸鉛。這個(gè)過程循環(huán)進(jìn)行，就會(huì)形成持續(xù)的放電電流，分子間的化學(xué)能就轉(zhuǎn)換成了電能。由于這個(gè)過程會(huì)消耗電解液中的硫酸，并生成硫酸鉛附著在正負(fù)極板上，所以隨著放電時(shí)間的延長，電解液中的硫酸越來越少，附著在極板上的硫酸鉛越來越多，硫酸與極板上的金屬鉛接觸的越來越少，反應(yīng)速度越來越慢，放電電流也隨之越來越小，所以蓄電池放電時(shí)間長了越來越無力，就是這個(gè)緣故。當(dāng)極板上大部分被硫酸鉛覆蓋的時(shí)候，反應(yīng)基本就終止了，這時(shí)候就是所說的“電放沒了”。
由于蓄電池在放電過程中消耗硫酸，生成了水，所以在放電過程中電解液的密度是逐漸下降的，當(dāng)蓄電池完全沒電的時(shí)候，電解液的密度也下降到了最低。我們測量電解液的密度就可以大致的知道蓄電池的放電程度，這也是免維護(hù)蓄電池電量觀察孔的原理。一般充滿電的蓄電池電解液密度是1.28g/ml左右，完全沒電的蓄電池電解液密度是1.24g/ml左右。并且完全放電的蓄電池電解液冰點(diǎn)會(huì)升高，在寒冷的冬季有結(jié)冰的危險(xiǎn)。
表征蓄電池容電量的參數(shù)是額定容量。所謂的額定容量，就是把充滿電的新電瓶在平均溫度為30°C的條件下，以20h放電率連續(xù)放電，直到電瓶電壓降低到10.5V為止，電瓶所輸出的容量。比如說我們汽車上常用的蓄電池型號是6-QA-60，其中的“60”就是額定容量，是以3A的電流持續(xù)放電20小時(shí)，電瓶電壓下降到10.5V所得到的。一般容電量越高的蓄電池，內(nèi)部的正負(fù)極板、電解液等活性物質(zhì)越多，體積越大，成本也越高?，F(xiàn)在的汽車為了降低成本，通常會(huì)使用更小的蓄電池，比如把6-QA-60換成6-QA-45的，蓄電池的體積和額定容量都降低了，成本也降低了，但是這樣的蓄電池很不耐用，連續(xù)啟動(dòng)幾次發(fā)動(dòng)機(jī)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)熄火聽音樂，蓄電池很快就虧電了。
再來說說汽車發(fā)電機(jī)。汽車發(fā)電機(jī)是汽車上的主電源，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，汽車上所有的電能都是由發(fā)電機(jī)提供的，剩余的電能還會(huì)給蓄電池充電?，F(xiàn)在汽車上所用的發(fā)電機(jī)大多為硅整流三相交流發(fā)電機(jī)，它的主要結(jié)構(gòu)是由轉(zhuǎn)子、定子、電刷與滑環(huán)機(jī)構(gòu)、三相橋式整流器、軸承、風(fēng)扇和前后端蓋等組成。
那么發(fā)電機(jī)又是如何發(fā)電的呢？當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打開之后，蓄電池給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈通電，產(chǎn)生一個(gè)磁場，這個(gè)過程稱為“勵(lì)磁”。在發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)初期，這個(gè)勵(lì)磁電流是由蓄電池提供的，稱為“他勵(lì)”；當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，發(fā)出的電量足夠多了，這個(gè)勵(lì)磁電流就由發(fā)電機(jī)自身提供，稱為“自勵(lì)”。然后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，定子線圈就會(huì)切割轉(zhuǎn)子線圈的磁力線，根據(jù)楞次定律，運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體切割磁力線就會(huì)產(chǎn)生電流，所以在定子線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流，發(fā)電機(jī)就是這樣發(fā)電的。不過這樣發(fā)出來的電是三相交流電，是不能直接在汽車上使用的，必須將其整流為直流電。這個(gè)工作由安裝在發(fā)電機(jī)后端蓋上的整流器來完成，它是由六個(gè)二極管組成的一個(gè)橋式整流電路，可以將三相交流電轉(zhuǎn)變成直流脈動(dòng)電壓。
從這里我們可以看出，發(fā)電機(jī)發(fā)電的根本原因是轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。如果沒有這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，是不可能發(fā)出電能的。而通電的導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到力的作用，所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是會(huì)受到很大的阻力的。這個(gè)阻力反作用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，對發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻滯作用。所以，發(fā)電機(jī)也是要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率的，從最根本的因素談起，汽車上的電能都是由燃油轉(zhuǎn)化而來的，所以耗電也就是耗油，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)把燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一個(gè)工具，發(fā)電量越高，自然消耗的燃油也越多。一般來說，發(fā)電機(jī)的功率在0.8~1.5千瓦之間，足以滿足汽車上所有的用電器同時(shí)工作所消耗的電能，并且還會(huì)有剩余的電能給蓄電池充電。如果在某些特殊情況下，發(fā)電機(jī)發(fā)電量不足，蓄電池會(huì)協(xié)助供電。
一般汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為1:2.5，也就是說，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以800轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)可以2000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)足以使發(fā)電機(jī)發(fā)出足夠的電量了。并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓和電流都隨之增大。為了避免電壓過高，在發(fā)電機(jī)上安裝了一個(gè)調(diào)節(jié)器，用來接通和切斷勵(lì)磁電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)電量過大時(shí)，勵(lì)磁電流切斷，發(fā)電機(jī)就不發(fā)電了。等電壓降低后，勵(lì)磁電流重新接通，發(fā)電機(jī)恢復(fù)發(fā)電。
那么發(fā)電機(jī)又是如何給蓄電池充電的呢？在汽車電氣系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和蓄電池是并聯(lián)的，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，它發(fā)出的電壓一般在13.5~14.5伏之間，高于蓄電池的12伏電壓，在這種情況下，蓄電池是以負(fù)載的型式存在的，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)給蓄電池供電，也就是發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。
那么電能又是如何儲(chǔ)存在蓄電池中呢？蓄電池在充電時(shí)，在外界電源的作用下，有大量的電子從正極板返回負(fù)極板，使極板上的硫酸鉛還原為純鉛和二氧化鉛，硫酸根重新與水分子的氫根結(jié)合生成硫酸，這樣就相當(dāng)于把電能轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能儲(chǔ)存在蓄電池中。當(dāng)硫酸鉛全部還原為純鉛和二氧化鉛之時(shí)，蓄電池就充滿電了。如果在此時(shí)繼續(xù)充電，這些電能就會(huì)分解水，生成了氫氣和氧氣。有時(shí)候蓄電池在補(bǔ)充充電時(shí)會(huì)“冒泡”，其實(shí)就是電解的氫氣和氧氣逸出來了。在充電過程中，由于電解液中的硫酸越來越多，電解液的密度是逐漸增加的，充電越足，電解液的密度越高；當(dāng)極板上的硫酸鉛全部轉(zhuǎn)化完后，電解液的密度也達(dá)到了最高值。
以上就是汽車上電力的來源以及蓄電池與發(fā)電機(jī)電量的相互轉(zhuǎn)換過程。在這個(gè)過程中，以發(fā)電機(jī)供電為主，蓄電池只是在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火以及啟動(dòng)初期提供電能。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)電機(jī)電量不足以應(yīng)付汽車電力需求時(shí)，蓄電池也會(huì)輔助發(fā)電機(jī)供電。比如一些小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果同時(shí)開啟了大燈等大功率電器，發(fā)電機(jī)負(fù)荷過大，運(yùn)轉(zhuǎn)阻力過大，就會(huì)反作用于發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)抖動(dòng)嚴(yán)重。此時(shí)蓄電池就會(huì)參與供電，避免發(fā)電機(jī)超負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。此外，如果汽車經(jīng)常短距離低速行駛，蓄電池的電能得不到足夠的補(bǔ)充，也會(huì)虧電，這時(shí)候就需要用外接電源來給蓄電池補(bǔ)充充電。
