淺析新一代汽車充電系統(tǒng)的變化特點(下)

◆文/江蘇 楊忠頗 高惠民

(3)IC調(diào)節(jié)器在LRC功能的控制下，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速進入切入頻率(切入頻率由發(fā)電機制造商根據(jù)車載電負荷功率和發(fā)電機極對數(shù)而確定，在 800～2500r/min之間，一般設(shè)定在1500r/min左右，如設(shè)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1550r/min，6對極發(fā)電機頻率就是155HZ，8對極發(fā)電機頻率就是206Hz)。此時，允許IC調(diào)節(jié)器控制勵磁電流占空比從0增加到100%，有3～12.4s不等的逐步加載過程(這個時間由發(fā)電機制造商給定，通過IC調(diào)節(jié)器內(nèi)部總線寫入數(shù)字核心內(nèi))，而當(dāng)發(fā)電機超過切入頻率2倍時(LRC禁用頻率，2400～4000r/min，一般設(shè)定在3000 r/min左右)，IC調(diào)節(jié)器立即退出LRC控制，此時隨著電負荷增加，勵磁電流占空比馬上增加，沒有延遲，發(fā)電機輸出穩(wěn)定的目標(biāo)電壓。如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速再次進入切入頻率，IC調(diào)節(jié)器會重新回到LRC控制，如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于500 r/min，則進入預(yù)勵磁狀態(tài)。

3.IC調(diào)節(jié)器輔助功能

(1)發(fā)電機負載反饋

通過發(fā)電機勵磁電流占空比的變化，發(fā)動機ECU能夠診斷到發(fā)電機的負載狀態(tài)，發(fā)電機負載反饋(DF功能)波形如圖10所示。

發(fā)電機負載反饋的作用是在重負載情況下，發(fā)動機ECU決定不讓電負荷大的用電器打開，避免發(fā)電機過載，同時調(diào)節(jié)發(fā)動機工況(加大節(jié)氣門開度，增加扭矩)，去適應(yīng)負載變化。

(2)故障檢測反饋

以下錯誤狀態(tài)超過300ms時，IC調(diào)節(jié)器將故障信息傳輸給發(fā)動機ECU，點亮充電指示燈。

①過電壓。如果是因為電負荷突然消失而造成車輛電源系統(tǒng)短暫過電壓，指示燈不會點亮。如果高電壓不是出現(xiàn)在最小勵磁占空比控制情況下(最小勵磁占空比控制是在負載突然消失，發(fā)電機很可能會輸出一個高電壓時，這種情況下，勵磁不會一下子關(guān)斷，它會保持一個最小5%的占空比)，如勵磁電路短路，充電指示燈點亮。另外，如果B+A電壓超過1.07倍的最大目標(biāo)電壓，且勵磁電壓大于2V，即使是在最小占空比控制情況下，充電指示燈也點亮。

②低電壓。太多的電負荷一起加載，發(fā)電機輸出的電流不能立即滿足需要，重負載出現(xiàn)在LRC功能控制模式下，發(fā)電機故障(整流橋出現(xiàn)問題)都可能會出現(xiàn)車輛電源系統(tǒng)低電壓。但是，如果B+A電壓低于0.8倍的最小目標(biāo)電壓，另外低電壓不是出現(xiàn)在LRC功能控制狀態(tài)下，充電指示燈點亮。

③缺相。發(fā)電機停止了運轉(zhuǎn)(皮帶斷裂，帶單向離合器皮帶輪損壞等)，勵磁消失(碳刷斷開)，都會導(dǎo)致相信號輸入丟失。在缺相情況下，IC調(diào)節(jié)器首先會增加勵磁電流占空比到100%，但如果還是檢測不到相信號，則IC調(diào)節(jié)器強迫進入預(yù)勵磁狀態(tài)，并且點亮充電指示燈。

④B+A與蓄電池斷線。如果發(fā)電機開始運轉(zhuǎn)，B+A連接蓄電池的導(dǎo)線斷開，就沒有勵磁電流，充電指示燈點亮。如果B+A到蓄電池斷線發(fā)生在發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)中，只有在下一次啟動的時候，充電指示燈才會點亮。

三、新型車用蓄電池充電控制策略

1.蓄電池充電控制策略變化特點

在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車輛供電系統(tǒng)中，長期存在著以下的問題。

(1)缺乏對蓄電池電荷狀態(tài)(state of charge，SOC)的監(jiān)控功能。整車電源系統(tǒng)對蓄電池充電側(cè)和放電側(cè)無法進行實時控制，導(dǎo)致電能量產(chǎn)生與電負荷消耗不平衡，造成了蓄電池電量不足或者過充電。

(2)缺乏對重要電負載的保護。對不同的電氣系統(tǒng)來說，沒有優(yōu)先級區(qū)分，即便是重要負載在低電量時也會被關(guān)閉。

(3)燃油經(jīng)濟性差。發(fā)電機與發(fā)動機同步運轉(zhuǎn)，其輸出電壓為常值，即便發(fā)動機運行在低效率區(qū)，發(fā)電機也照常發(fā)電，致使燃油經(jīng)濟性變差。

近幾年來，新型車輛將蓄電池充電控制融入到了車載電氣能量管理系統(tǒng)中，發(fā)動機ECU根據(jù)蓄電池的傳感器檢測蓄電池的電壓、電流和溫度信號，計算出蓄電池SOC值，通過LIN總線控制IC調(diào)節(jié)器的目標(biāo)電壓，維持電負載供電和蓄電池充電的穩(wěn)定功能。蓄電池充電控制系統(tǒng)電路如圖11所示。

當(dāng)蓄電池放電低于SOC閥值時，發(fā)動機ECU會控制IC調(diào)節(jié)器調(diào)整目標(biāo)電壓，提高發(fā)電機輸出電壓，加快蓄電池充電至規(guī)定的SOC值。另外，發(fā)動機ECU可以根據(jù)車輛行駛中發(fā)動機的負載設(shè)定IC調(diào)節(jié)器的目標(biāo)電壓范圍。這也意味著，蓄電池SOC處在正常范圍時，充電電壓可以以提高車輛的燃油經(jīng)濟性為目的而不斷動態(tài)調(diào)節(jié)。在加速過程中，降低充電電壓，使發(fā)電機消耗的扭矩減小，讓更多的發(fā)動機輸出功率傳遞給驅(qū)動輪，保證車輛的加速性。在車輛減速過程當(dāng)中，提高發(fā)電機的輸出電壓，使發(fā)電機消耗發(fā)動機扭矩，實現(xiàn)制動能量回收，提高燃油經(jīng)濟性。發(fā)動機ECU動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機充電電壓如圖12所示。

2.蓄電池傳感器的原理與作用

蓄電池傳感器由霍爾式電流傳感器和負熱敏電阻蓄電池溫度傳感器組成，安裝在蓄電池負極端子附近的電纜上，如圖13所示。

霍爾式電流傳感器的工作原理是，當(dāng)蓄電池充放電電流通過負極電纜時，在電纜的周圍產(chǎn)生磁場，磁場的強弱與電纜上流過的電流成正比。由軟磁材料制成的聚磁環(huán)將被測電流產(chǎn)生的磁場集中到霍爾元件上以提高測量靈敏度。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，通過測量傳感器上的霍爾電壓，就可以獲得被測的蓄電池充放電電流(如圖14所示)，用于發(fā)動機ECU計算蓄電池的SOC值，控制發(fā)電機輸出的目標(biāo)電壓。

同時，發(fā)動機ECU根據(jù)負熱敏電阻蓄電池溫度傳感器檢測到的蓄電池溫度，可以及時調(diào)節(jié)蓄電池的充電電流，防止蓄電池過充電而提前老化。蓄電池溫度與檢測電阻值如圖15所示。

四、充電系統(tǒng)的檢查與診斷

下文以豐田車維修手冊中充電系統(tǒng)檢測為例，介紹充電系統(tǒng)的檢查與診斷方法。

1.充電系統(tǒng)的充電狀況檢查

(1)檢查步驟

①檢查確認蓄電池端子無松動或腐蝕。

②檢查蓄電池電壓。將點火開關(guān)置于“OFF”位置，打開前照燈20～30s，消除蓄電池表面電荷后，測量蓄電池電壓應(yīng)在12.5～12.9V(溫度在20℃)。如果不符合規(guī)定，則對蓄電池進行充電或更換

③檢查確認充電線路以及熔絲連接可靠。

④檢查確認發(fā)電機驅(qū)動皮帶漲緊度符合規(guī)定。

⑤斷開發(fā)電機總成B端子上的配線，按圖16所示，將電壓表和電流表連接到充電電路上。

(2)無電器負載時的充電狀況檢查要點

①使發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在2000r/min，檢查電流表和電壓表的讀數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)電流：≥10A；標(biāo)準(zhǔn)電壓：0.275～16.25V。

(3)帶電器負載時的充電狀況檢查要點

①發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000r/min時，打開遠光前照燈并將加熱鼓風(fēng)機開關(guān)轉(zhuǎn)至“HI”位置。

②檢查電流表讀數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)電流：≥30A。

③如果蓄電池已充滿電，則電流表讀數(shù)有時會小于標(biāo)準(zhǔn)電流，可以增大電負載(使刮水器、后窗除霧器等工作)，再次檢查電流表讀數(shù)。

如果檢查結(jié)果不符合規(guī)定，則需維修或更換發(fā)電機。

2.使用電腦診斷儀檢測

(1)電腦診斷儀檢測的目的

①讀取電腦診斷儀中故障碼提示內(nèi)容，進行分析維修充電系統(tǒng)存在的顯性故障。

②讀取電腦診斷儀顯示的充電系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)值，根據(jù)不正常數(shù)據(jù)值的偏差，分析排除充電系統(tǒng)存在的潛性故障。

(2)充電系統(tǒng)故障碼診斷

①將診斷儀(GTS)連接到診斷插座(DLC3)。

②將點火開關(guān)置于“ON”(IG)位置。

③打開GTS。

④進入菜單Powertrain/Engine and ECT/Troble Codes。

⑤檢查記錄故障碼(DTC)，DTC詳情列于表2。

(3)失效保護模式

如果存儲下列任一DTC信息(DTC信息參照表3)，則發(fā)動機ECU將進入失效保護模式，以便車輛能夠暫時行駛。

(4)充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流檢測

①使發(fā)動機暖機。

②將點火開關(guān)置于“OFF”位置。

③將GTS連接到DLC3。

④將點火開關(guān)置于“ON”(IG)位置。

⑤打開GTS。

⑥進入菜單Powertrain/Engine and ECT/Data List (充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流含義參照表4)。

3.充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

表2 充電系統(tǒng)DTC詳情

圖17是利用GTS診斷儀掃描得到的豐田新一代卡羅拉充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流。

在圖中A點約237.2s時間處，加載了遠光前照燈、空調(diào)和鼓風(fēng)機最高檔運轉(zhuǎn)，可以看到，圖中B點發(fā)電機輸出電壓由14V迅速下降到13V，C點蓄電池隨著電負荷加載而放電―11.4A，并且繼續(xù)增加放電，此時由蓄電池與發(fā)電機輸出共同給電負荷供電。為了保證發(fā)動機不因電負荷的突然增加而影響其正常運行，在圖中D點，發(fā)動機ECU指令I(lǐng)C調(diào)節(jié)器執(zhí)行LRC功能控制，逐步增加發(fā)電機勵磁電流占空比，維持發(fā)動機平穩(wěn)運行。同時為了不使蓄電池過放電，在圖中E點，發(fā)動機ECU調(diào)整IC調(diào)節(jié)器的目標(biāo)電壓，使發(fā)電機輸出電壓隨LRC控制逐步提高，減少蓄電池的放電。經(jīng)過LRC控制，在圖中F點約241.2s時間處，發(fā)電機勵磁電流占空比增加到100%，發(fā)電機輸出穩(wěn)定電壓，供給用電負荷，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，IC調(diào)節(jié)器由此退出LRC控制 。

表3 進入失效保護模式的DTC信息

表4 充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流含義

五、結(jié)束語

本文針對豐田新一代汽車充電系統(tǒng)的變化特點，對系統(tǒng)的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、控制特征與規(guī)范檢測要求進行了介紹，目的是為了與同行技術(shù)人員一起分享現(xiàn)代車輛智能化電源管理系統(tǒng)中新結(jié)構(gòu)、新工藝、新技術(shù)應(yīng)用，全面掌握該系統(tǒng)功能的檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)，并能正確運用現(xiàn)代先進的診斷工具和資料，做到故障分析定性準(zhǔn)確、維修快速高效，以適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)保車輛維修的技能要求。(全文完)