汽车电气系统的重要历史进展

内燃机汽车刚出现时，汽车电气系统只用于点燃汽缸中的混合气体。在汽车100多年的发展历史中，电气系统一直是设计和决定整车性能的重要环节。1912年以前，如何有效点燃汽缸中的混合气体是设计者面对的主要挑战之一。人们先后尝试了明火点火、热线点火和热管点火，但由于点火时间无法准确控制，效果均不理想，同时这些方法实现起来也很困难。在汽缸里产生电火花是很容易想到的点火方法^［1］，最初人们使用低压系统进行电气点火，其电源为干电池。电池的一端经电感和绝缘套管进入气缸形成一个固定电极，电池的另一端连至气缸内的一个可动电极，该电极经外部凸轮驱动，和固定电极瞬时接通或断开。当内部两个电极接通时，电感中建立电流，当电极断开时，电极之间产生放电火花，从而点燃气缸中的混合气体。该点火系统在单缸和多缸发动机中都曾使用过。由于低压点火很难准确控制点火时间，因此接下来开始在汽缸中使用火花塞，通过高压保证在燃烧室压力很高的情况下也能电离火花隙的混合气体，从而保证可靠点火。这类系统早期使用一种称为磁电机的交流发电机作电源。根据铁心上除6V主绕组外是否安装高压绕组，磁电机可分为高压和低压两种。在手摇起动时，主绕组由干电池供电。随后出现了基于火花线圈的点火系统，该系统通过安装在发动机舱内的火花线圈给分电器中心电极提供几乎连续的高压。该点火系统的核心是一个木壳变压器，一个绕组用于驱动类似继电器的开关，当线圈磁场建立后，吸动开关断开变压器一次绕组，一次绕组电流的突然中断，在二次绕组中感应出20kV甚至更高的电压，然后通过分电器送至适当的汽缸中。由于高压的产生实际上是连续的，所以这一机电系统听觉噪声和电噪声都很大。

1908年，凯特琳发明了单火花、断电器点火系统，这是汽车电气系统发展中的一个重要进步。该系统解决了磁电机和振动的火花线圈的主要缺陷。同一时期，还出现了一些其他的基于断电器的点火系统，它们都是通过机械触点中断线圈电流来产生高压，其主绕组电压都是6V。主绕组中触点断开时会产生电弧，这很容易使触点烧蚀直至损坏。为解决这一问题，在触点两端并联了吸收电容器。1932年，福特推出了压缩比更高的V8发动机，要求将主绕组电流提高到10A以上。如果仍采用断电器点火，由于触点通断电流很大，所以最多6000英里就需要对触点进行维护或更换，这显然不太现实。

汽车电池最早采用干电池，当电量耗尽时需要更换。1859年，Gaston Plante发明了最早的液体铅酸电池，他将铅箔和多孔绝缘材料叠放后卷绕，卷绕后放入铅酸电解液，这样就形成了最初的高容量储能单元。1881年，在卷绕结构基础上，发展出了目前普遍采用的平板结构电池。如仅为点火系统供电，一般需要60Ah的蓄电池即可。

当早期的油灯和乙炔灯被白炽灯取代后，为保证足够的使用时间，电池容量需求被提高到了120Ah。早期的电池能量较小，单元电压为2.25V，这样三个单元可串联成一个电池模块。当时，汽车电气系统主要包括点火系统和照明系统，车上并没有发电机，因此汽车必须进行定期充电，如果使用干电池则要定期更换。1912年，凯迪拉克汽车公司推出了电起动器，这极大地方便了汽车的使用，也使汽车更加被使用者所接受，在此之前，汽车都是手动起动的。早期的起动电动机实际是起动—发电一体机，其中每一个电枢有两套绕组，每套绕组有独立的电刷和换向器。电起动器对汽车工业影响巨大，在接下来的两年内（1913年和1914年），90％的汽车都采用了这种起动器。1913年，德国Bosch公司生产出了齿轮起动器，其中的行星齿轮和高速时的脱开机构成了未来起动器的共同特征。(www.xing528.com)

凯特琳发明电起动器时意识到，体积小、重量轻对起动电机至关重要。现在的起动电机和早期比起来要小得多，设计的主要要求包括体积小、重量轻、噪声低、3～4万次的使用寿命，以及在-28°F低温，且电池充电状态为80％的情况下，仍能为发动机提供足够起动转矩的能力。为降低废气排放和噪声，未来的起动电机要求有更高的起动转速，而为了实现停车熄火的功能，则要求使用寿命高达40万次。值得一提的时，目前用于1.4～1.8L排量汽车的1.1kW起动电动机只有2.4kg。

目前，带齿轮的起动电动机面临的问题和早期一样，就是200～300r/min的转速，不能保证活塞在上止点时可靠起动发动机，这一点在很早已经被意识到了。直驱式起动电动机虽然体积大、重量重，但450r/min的转速能够保证可靠起动^［2］。20世纪20年代，早期的直流起动发电一体机仍在生产，但随着时间的推移，起动电动机开始和发电功能独立开来。起动时一般要求减速比大于20∶1，而发电时为保证不超速，一般要求减速比小于3∶1，这二者之间的偏差是一体机面临的主要矛盾。早期直流发电机额定电压为6V，额定电流为15～20A。汽车配备发电机后，电池容量需求降到了30Ah，发电机可以保证电池的充电状态并为点火和照明系统供电。

早期直流电气系统的调节，是由装在直流发电机上的电流传感螺线管实现的，后来改由三个继电器实现。电流继电器在发电机输出端串联一个螺线管，根据电流大小，通过触点将电阻串入励磁回路，实现弱磁控制。这一时期的一个重要发明是通过第三套电刷为发电机励磁绕组供电。为提高调节性能，随后的系统中又增加了一个电压继电器和一个电流继电器。另外，通过一个和发电机串联的继电器，可以在发动机未起动时阻止蓄电池对发电机放电。温度补偿此时也已经用于提高电池的充电性能，该系统主要由双金属片和触点构成，当温度下降时，通过在发电机励磁回路中增加电阻来调节充电电压。20世纪20年代汽车电气系统的主要发展是硬塑料壳蓄电池取代木壳蓄电池。1928年ModeA点火系统出现之前，凯迪拉克公司一直使用凯特琳断电器点火系统，而福特公司一直使用磁电机和火花线圈点火系统。1912～1930年之间，汽车电气系统发明最多，并且真正建立了汽车电气系统的基本概念。