浅析新一代汽车充电系统的变化特点(下)

◆文/江苏 杨忠颇 高惠民

(3)IC调节器在LRC功能的控制下，使发电机转速进入切入频率(切入频率由发电机制造商根据车载电负荷功率和发电机极对数而确定，在 800～2500r/min之间，一般设定在1500r/min左右，如设定发电机转速为1550r/min，6对极发电机频率就是155HZ，8对极发电机频率就是206Hz)。此时，允许IC调节器控制励磁电流占空比从0增加到100%，有3～12.4s不等的逐步加载过程(这个时间由发电机制造商给定，通过IC调节器内部总线写入数字核心内)，而当发电机超过切入频率2倍时(LRC禁用频率，2400～4000r/min，一般设定在3000 r/min左右)，IC调节器立即退出LRC控制，此时随着电负荷增加，励磁电流占空比马上增加，没有延迟，发电机输出稳定的目标电压。如果发电机转速再次进入切入频率，IC调节器会重新回到LRC控制，如果发电机转速低于500 r/min，则进入预励磁状态。

3.IC调节器辅助功能

(1)发电机负载反馈

通过发电机励磁电流占空比的变化，发动机ECU能够诊断到发电机的负载状态，发电机负载反馈(DF功能)波形如图10所示。

发电机负载反馈的作用是在重负载情况下，发动机ECU决定不让电负荷大的用电器打开，避免发电机过载，同时调节发动机工况(加大节气门开度，增加扭矩)，去适应负载变化。

(2)故障检测反馈

以下错误状态超过300ms时，IC调节器将故障信息传输给发动机ECU，点亮充电指示灯。

①过电压。如果是因为电负荷突然消失而造成车辆电源系统短暂过电压，指示灯不会点亮。如果高电压不是出现在最小励磁占空比控制情况下(最小励磁占空比控制是在负载突然消失，发电机很可能会输出一个高电压时，这种情况下，励磁不会一下子关断，它会保持一个最小5%的占空比)，如励磁电路短路，充电指示灯点亮。另外，如果B+A电压超过1.07倍的最大目标电压，且励磁电压大于2V，即使是在最小占空比控制情况下，充电指示灯也点亮。

②低电压。太多的电负荷一起加载，发电机输出的电流不能立即满足需要，重负载出现在LRC功能控制模式下，发电机故障(整流桥出现问题)都可能会出现车辆电源系统低电压。但是，如果B+A电压低于0.8倍的最小目标电压，另外低电压不是出现在LRC功能控制状态下，充电指示灯点亮。

③缺相。发电机停止了运转(皮带断裂，带单向离合器皮带轮损坏等)，励磁消失(碳刷断开)，都会导致相信号输入丢失。在缺相情况下，IC调节器首先会增加励磁电流占空比到100%，但如果还是检测不到相信号，则IC调节器强迫进入预励磁状态，并且点亮充电指示灯。

④B+A与蓄电池断线。如果发电机开始运转，B+A连接蓄电池的导线断开，就没有励磁电流，充电指示灯点亮。如果B+A到蓄电池断线发生在发电机正常运转中，只有在下一次启动的时候，充电指示灯才会点亮。

三、新型车用蓄电池充电控制策略

1.蓄电池充电控制策略变化特点

在传统的内燃机车辆供电系统中，长期存在着以下的问题。

(1)缺乏对蓄电池电荷状态(state of charge，SOC)的监控功能。整车电源系统对蓄电池充电侧和放电侧无法进行实时控制，导致电能量产生与电负荷消耗不平衡，造成了蓄电池电量不足或者过充电。

(2)缺乏对重要电负载的保护。对不同的电气系统来说，没有优先级区分，即便是重要负载在低电量时也会被关闭。

(3)燃油经济性差。发电机与发动机同步运转，其输出电压为常值，即便发动机运行在低效率区，发电机也照常发电，致使燃油经济性变差。

近几年来，新型车辆将蓄电池充电控制融入到了车载电气能量管理系统中，发动机ECU根据蓄电池的传感器检测蓄电池的电压、电流和温度信号，计算出蓄电池SOC值，通过LIN总线控制IC调节器的目标电压，维持电负载供电和蓄电池充电的稳定功能。蓄电池充电控制系统电路如图11所示。

当蓄电池放电低于SOC阀值时，发动机ECU会控制IC调节器调整目标电压，提高发电机输出电压，加快蓄电池充电至规定的SOC值。另外，发动机ECU可以根据车辆行驶中发动机的负载设定IC调节器的目标电压范围。这也意味着，蓄电池SOC处在正常范围时，充电电压可以以提高车辆的燃油经济性为目的而不断动态调节。在加速过程中，降低充电电压，使发电机消耗的扭矩减小，让更多的发动机输出功率传递给驱动轮，保证车辆的加速性。在车辆减速过程当中，提高发电机的输出电压，使发电机消耗发动机扭矩，实现制动能量回收，提高燃油经济性。发动机ECU动态调节发电机充电电压如图12所示。

2.蓄电池传感器的原理与作用

蓄电池传感器由霍尔式电流传感器和负热敏电阻蓄电池温度传感器组成，安装在蓄电池负极端子附近的电缆上，如图13所示。

霍尔式电流传感器的工作原理是，当蓄电池充放电电流通过负极电缆时，在电缆的周围产生磁场，磁场的强弱与电缆上流过的电流成正比。由软磁材料制成的聚磁环将被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上以提高测量灵敏度。根据霍尔效应原理，通过测量传感器上的霍尔电压，就可以获得被测的蓄电池充放电电流(如图14所示)，用于发动机ECU计算蓄电池的SOC值，控制发电机输出的目标电压。

同时，发动机ECU根据负热敏电阻蓄电池温度传感器检测到的蓄电池温度，可以及时调节蓄电池的充电电流，防止蓄电池过充电而提前老化。蓄电池温度与检测电阻值如图15所示。

四、充电系统的检查与诊断

下文以丰田车维修手册中充电系统检测为例，介绍充电系统的检查与诊断方法。

1.充电系统的充电状况检查

(1)检查步骤

①检查确认蓄电池端子无松动或腐蚀。

②检查蓄电池电压。将点火开关置于“OFF”位置，打开前照灯20～30s，消除蓄电池表面电荷后，测量蓄电池电压应在12.5～12.9V(温度在20℃)。如果不符合规定，则对蓄电池进行充电或更换

③检查确认充电线路以及熔丝连接可靠。

④检查确认发电机驱动皮带涨紧度符合规定。

⑤断开发电机总成B端子上的配线，按图16所示，将电压表和电流表连接到充电电路上。

(2)无电器负载时的充电状况检查要点

①使发动机转速保持在2000r/min，检查电流表和电压表的读数。标准电流：≥10A；标准电压：0.275～16.25V。

(3)带电器负载时的充电状况检查要点

①发动机转速为2000r/min时，打开远光前照灯并将加热鼓风机开关转至“HI”位置。

②检查电流表读数，标准电流：≥30A。

③如果蓄电池已充满电，则电流表读数有时会小于标准电流，可以增大电负载(使刮水器、后窗除雾器等工作)，再次检查电流表读数。

如果检查结果不符合规定，则需维修或更换发电机。

2.使用电脑诊断仪检测

(1)电脑诊断仪检测的目的

①读取电脑诊断仪中故障码提示内容，进行分析维修充电系统存在的显性故障。

②读取电脑诊断仪显示的充电系统各项数据值，根据不正常数据值的偏差，分析排除充电系统存在的潜性故障。

(2)充电系统故障码诊断

①将诊断仪(GTS)连接到诊断插座(DLC3)。

②将点火开关置于“ON”(IG)位置。

③打开GTS。

④进入菜单Powertrain/Engine and ECT/Troble Codes。

⑤检查记录故障码(DTC)，DTC详情列于表2。

(3)失效保护模式

如果存储下列任一DTC信息(DTC信息参照表3)，则发动机ECU将进入失效保护模式，以便车辆能够暂时行驶。

(4)充电系统数据流检测

①使发动机暖机。

②将点火开关置于“OFF”位置。

③将GTS连接到DLC3。

④将点火开关置于“ON”(IG)位置。

⑤打开GTS。

⑥进入菜单Powertrain/Engine and ECT/Data List (充电系统数据流含义参照表4)。

3.充电系统数据流分析

表2 充电系统DTC详情

图17是利用GTS诊断仪扫描得到的丰田新一代卡罗拉充电系统数据流。

在图中A点约237.2s时间处，加载了远光前照灯、空调和鼓风机最高档运转，可以看到，图中B点发电机输出电压由14V迅速下降到13V，C点蓄电池随着电负荷加载而放电―11.4A，并且继续增加放电，此时由蓄电池与发电机输出共同给电负荷供电。为了保证发动机不因电负荷的突然增加而影响其正常运行，在图中D点，发动机ECU指令IC调节器执行LRC功能控制，逐步增加发电机励磁电流占空比，维持发动机平稳运行。同时为了不使蓄电池过放电，在图中E点，发动机ECU调整IC调节器的目标电压，使发电机输出电压随LRC控制逐步提高，减少蓄电池的放电。经过LRC控制，在图中F点约241.2s时间处，发电机励磁电流占空比增加到100%，发电机输出稳定电压，供给用电负荷，随着发动机转速的增加，IC调节器由此退出LRC控制 。

表3 进入失效保护模式的DTC信息

表4 充电系统数据流含义

五、结束语

本文针对丰田新一代汽车充电系统的变化特点，对系统的新技术、新结构、控制特征与规范检测要求进行了介绍，目的是为了与同行技术人员一起分享现代车辆智能化电源管理系统中新结构、新工艺、新技术应用，全面掌握该系统功能的检测方法与标准，并能正确运用现代先进的诊断工具和资料，做到故障分析定性准确、维修快速高效，以适应现代环保车辆维修的技能要求。(全文完)