車輛用電設備與車輛油耗的關系

楊甜

摘 要：汽車電子技術不斷發展，車輛上的用電設備也越來越多，人們在享受這些新鮮、舒適的高科技產品的同時，也會擔憂在行車過程中使用這些輔助的用電設備會不會使汽車油耗增加，因為隨著世界能源的不斷減少，近幾年來汽車燃油的價格也不斷升高。汽車上的主要電源是發電機，因此本論文就針對這一問題從車載交流發電機的工作原理以及使用特性兩方面探討汽車油耗與汽車用電設備之間的關系。

關鍵詞：汽車油耗 交流發電機 汽車用電設備 電磁感應

The Relationship between Vehicle Electrical Equipment and Vehicle Fuel Consumption

Yang Tian

Abstract：With the continuous development of automobile electronics technology， there are more and more electrical equipment on vehicles. While people enjoy these fresh and comfortable high-tech products， they are also worried about the use of the auxiliary electrical equipment during driving. It will increase automobile fuel consumption， because with the continuous reduction of world energy， the price of automobile fuel has also been rising in recent years. The main power source in a car is a generator. Therefore， this paper discusses the relationship between car fuel consumption and car electrical equipment from two aspects： the working principle and use characteristics of the on-board alternator.

Key words：automobile fuel consumption， alternator， automobile electrical equipment， electromagnetic induction

隨著汽車技術的不斷發展，汽車不再是單純的代步工具，而是現代人們追求舒適生活與高質量生活水平的象征。汽車電子技術的發展及電子產品的應用大大的促進了車輛的更新換代速度，提高了駕駛安全性及乘坐舒適性，汽車上的用電設備也是不斷的發展、增加，一方面輔助系統用電設備越來越多，比如提高汽車舒適性、娛樂性的電動座椅加熱，汽車空調強制加熱，車載音響，車載電視、車載導航等;另一方面是提高車輛使用性能及安全性的電控系統逐漸增多，如電控燃油噴射系統、電控點火系統、ABS系統、ESP系統等，而這些控制電腦、傳感器、及新型執行器的工作均需要使用電能。但與汽車電子產品大量使用相矛盾的是汽車燃油資源的匱乏與昂貴。因此廣大的汽車車主就會產生疑問，這些用電設備在車輛行駛中肯定需要電能供電，汽車上電能的產生來源于什么呢？行車中大量或長時間的使用這些用電設備會不會影響車輛的油耗或是降低車輛的動力性呢？要想知道用電設備與汽車油耗之間到底有沒有直接的聯系，我們需先知道車輛電能的來源及工作過程。

1 車輛電源

汽車上的電源有兩個，一個是蓄電池另一個是發電機。現在燃油車輛搭載的蓄電池多為鉛酸型蓄電池，其工作原理是依靠電池內部金屬與電解液的化學反應來實現釋放電能和吸收電能，它的工作容量是一定的，隨著工作電流變以及工作時間延長其端電壓都會降低，因此蓄電池只能作為汽車上的輔助電源使用，主要是在車輛啟動時給點火系統，燃油繼電器和起動機供電，當車輛啟動后蓄電池即退出工作，也就是說當車輛進入正常的行駛過程后，車上用電設備工作所需要的電能基本全靠發電機提供，因此在本論文中我們主要討論的是發電機的工作機制以及用電設備功率的增大與發電機運行的關系。在這里需要特別說明的是，夏天使用空調制冷時的工作不屬于該論文中所說的用電設備增多，因為制冷時空調壓縮機的工作是直接靠曲軸帶動旋轉的，必然會消耗發動機的輸出功率，導致油耗增加，但該油耗的增加與用電設備功率增大無關。

2 發電機的工作原理

目前汽車發電機采用的大多都是三相硅整流式的交流發電機，其工作原理便是法拉第電磁感應定律，當導體在磁場中做切割磁感線運動時，在導體上就會產生感應電壓。其主要結構包括定子繞組、轉子（內含有勵磁線圈）、轉子軸，其中轉子軸通過皮帶輪與發動機的曲軸相連，發動機運轉時，曲軸帶動轉子軸旋轉，轉子便產生旋轉磁場，定子線圈通過定子鐵心套在轉子外部，轉子旋轉時，定子繞組被動的切割磁感線，產生三相感應電壓，經過整流器整流后，供車上用電設備使用。

交流發電機發電電壓

其中N為勵磁繞組砸數，對于一臺具體的車輛為固定值，K為常系數（約為1.1-1.25），f為頻率.f=pn/60.p為極對數（對于某一輛車而言也是定值），n為轉速.Φ為磁通量（與磁力電流的大小成正比）。

通過上述公式可以看出，交流發電機發電電壓的大小取決于通入到勵磁繞組中的勵磁電流的大小及發電機的轉速。在車輛運行中，車輛的轉速決定著發電機的轉速，因此發電機作為一個從動元件，其發電電壓其實只與勵磁電流的大小有關，因此在車用發電機上都裝配有電壓調節器來調節輸入到勵磁線圈的電流的大小，從而調節發電機輸出端電壓的大小。

勵磁電流越大，轉子磁場越強，同樣轉速下定子線圈中的感應電動勢就越高;定子線圈上的電流又會產生新的反應磁場，反應磁場和轉子磁場形成合成磁場，發電機最終輸出電壓值就取決于該合成磁場的大小;如果負荷變動，電樞反應磁場變化引起合成磁場的變化，機端電壓就會波動，此時電壓調節器調節勵磁電流來調整轉子磁場的大小使合成磁場保持不變，保證發電機輸出端電壓不變。

也就是說隨著車輛用電設備的增加，發電機的輸出功率就需要增加，但是這個功率的增加是靠發電機自身來調整的，而不是通過發動機來調整的。但是發電機工作時，轉子的轉軸是直接與發動機曲軸相連，因此發電機要想發電必須消耗發動機的輸出功率，但是隨著發電機輸出功率的增加，消耗的功率會不會變大，還得看發電機的機械特性。

2.1 交流發電機輸出特性

汽車電氣的一大特點是恒壓工作，車上用電設備的額定電壓一般均為12V，所以發電機的輸出電壓也會通過電壓調節器固定在理論電壓值附近。發電機的輸出特性便是指當發電機的輸出電壓恒定（汽油車一般為14V）時，交流發電機的輸出電流（反映發電機帶負載能力）與發動機轉速的關系。

經研究發現：當發電機的轉速上升到一定值（一般低于怠速轉速）時，發電機便可對外輸出電流，當發動機正常運轉時，發電機便可輸出額定的功率，此時發電機輸出電功率完全可以滿足車上用電設備的使用。此時即便發動機的轉速增大，發電機輸出電壓也不再上升，而是通過電壓調節器進行電壓控制，

當車上的用電量相對較小時，電壓調節器會減少通入到勵磁線圈中的勵磁電流，使輸出電能下降，但是此時發電機依然在跟隨曲軸旋轉，消耗發動機功率。

當車上用電量比較大時，電壓調節器會增大勵磁電流，使輸出電能增加，此時隨著發電機電流的增大，發電機內的磁阻力和扭矩會相對變大，導致發電機旋轉所需的動力增大，但是增大的功率對與發動機本身的輸出功率而言幾乎微乎其微，反應到油耗上幾乎看不出來變化，因此在車輛正常行駛時（發動機轉速高于怠速轉速），車主可放心的使用車上的用電設備且不會增加車輛的油耗。

但是發電機是有最大輸出功率值的，如果車上用電設備過多消耗功率超出發電機輸出最大功率，此時會消耗蓄電池的電能，長時間使用會導致蓄電池電壓降過大。因此車輛在設計時會綜合考慮發電機輸出特性和車輛最大用電量，車主朋友們不要在購車后隨意加裝、更改用電設備。

2.2 交流發電機外特性

交流發電機的外特性是指當發電機轉速一定時，其端電壓與輸出電流的關系

也就是說，當轉速一定時，隨著負載的增加，發電機輸出電流增大會不會導致發電機內端電壓降過高而使輸出電壓過低。

在發電機轉速一定時，發電機輸出的端電壓受輸出電流也就是負載的影響比較大，發電機轉速較低時，如用電設備過多，會使電壓過低，從而有增大發電機轉速的趨勢，消耗發動機的功率大，這也是為什么有些車主朋友會反應，怠速運行時若將鼓風機開到最大，會明顯感覺到怠速轉速的升高，因此在發動機轉速比較低的時候，比如怠速或車輛靜止的時候不要長時間的使用大功率的用電設備如：前照燈、雨刷、霧燈以及一些高端車輛上的大功率娛樂設施及通訊設施，否則會使怠速轉速升高、增加油耗，或是使蓄電池虧電嚴重，影響使用壽命。

3 總結

通過上述對交流發電機的工作原理及機械特性的分析我們知道：交流發電機的發電量其實是取決于用電設備的用電量，也就是負載的，而不是轉速。發電機通過皮帶直接連接發動機，只要發動機轉，發電機轉軸就必須跟著一起轉，即使發電機不需要發電量也必須被動旋轉，它不能自己決定轉速。

能量守恒定律告訴我們，能量不會無緣無故的出現，也不會憑空消失。當車輛轉速很高，而用電量又很小時，發電機勵磁電流會調節至最小，發電機自己泄掉一部分能量，輸出功率減小，但是此時發電機依然會維持高速旋轉，消耗一小部分發動機的能量。

當車輛轉速很低，而用電量又很大時，勵磁電流調節至最大如果勵磁電流調節至最大，仍不能滿足用電量時，發動機會有轉速增大的趨勢，此時也會增大發動機的油耗。

所以，車輛在正常行駛過程中由于發電機轉速相對較高，輸出電功率高，車上的用電設備均可以正常使用而不用擔心會增加車輛的油耗，但是注意不要在怠速或車輛靜止時長時間使用大功率用電設備以及私自加裝過多的大功率用電設備，這樣不僅會導致發動機怠速長期處于高速狀態，同時也有損壞發電機的危險。

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