凱迪拉克CTS智能充電系統(tǒng)工作原理與電路分析(圖)

    上海通用凱迪拉克CTS高級(jí)乘用車(chē)配有智能充電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓；并根據(jù)蓄電池情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，調(diào)節(jié)車(chē)輛用電負(fù)荷，從而使車(chē)輛充電系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。該系統(tǒng)包括兩大部分：發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和電力管理系統(tǒng)，系統(tǒng)電路如圖1所示。
    一、發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制(RVC)系統(tǒng)
    1.基本原理
    凱迪拉克CTS 3.6L（LY7）發(fā)動(dòng)機(jī)配備了發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)充電狀態(tài)和蓄電池溫度，更精確地控制蓄電池的充電電壓。
    電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的主要部件包括新型電壓調(diào)節(jié)器、儀表板集成模塊(DIM) 和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)。電壓調(diào)節(jié)器使用發(fā)電機(jī)L 端子電路上的脈寬調(diào)制信號(hào)（并非ECM的5V參考電壓信號(hào)）來(lái)確定發(fā)電機(jī)的輸出電壓。ECM控制至電壓調(diào)節(jié)器的脈寬調(diào)制信號(hào)，并對(duì)發(fā)電機(jī)L 端子和F 端子進(jìn)行診斷，以及反饋發(fā)電機(jī) F 端子至儀表板集成模塊的信號(hào)。儀表板集成模塊根據(jù)蓄電池電壓和內(nèi)部校準(zhǔn)值，計(jì)算蓄電池的充電狀態(tài)和蓄電池溫度的估計(jì)值。
    當(dāng)儀表板集成模塊確定蓄電池所需電壓后，發(fā)送信息至ECM。該信息內(nèi)容是：脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比應(yīng)設(shè)置的最佳值。
    在發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制回路中使用了電壓調(diào)節(jié)控制后，可以將蓄電池電壓從13.4 V（蓄電池溫度高于70℃且充電狀態(tài)在95%以上）改變至14.9 V（蓄電池溫度低于-30℃且蓄電池充電狀態(tài)在65%以下）。如果出現(xiàn)故障，電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)無(wú)法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，電壓調(diào)節(jié)器會(huì)將蓄電池電壓默認(rèn)為13.9V，其功能如同一個(gè)普通的發(fā)電機(jī)。
    發(fā)電機(jī)提供操作電氣系統(tǒng)的電壓并給蓄電池充電。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中產(chǎn)生交流電壓，交流電壓由整流器轉(zhuǎn)換為直流并供給蓄電池所連接的電氣系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，ECM發(fā)送脈寬調(diào)制信號(hào)至電壓調(diào)節(jié)器。發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)接收到的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制流至轉(zhuǎn)子的電流，進(jìn)而控制輸出電壓。
    脈寬調(diào)制信號(hào)在12 ~88% 之間變化。脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比越低，發(fā)電機(jī)的輸出電壓越低。在12% 以下和88% 以上時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器默認(rèn)為13.9 V。發(fā)電機(jī)是自起動(dòng)的，不需要L端子電路上的電壓來(lái)啟動(dòng)蓄電池充電。這也意味著不能夠使用故障診斷儀將發(fā)電機(jī)關(guān)閉。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器檢測(cè)到充電系統(tǒng)故障時(shí)，將使發(fā)電機(jī)L端子電路搭鐵，發(fā)信號(hào)通知ECM有故障存在。ECM還監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)占空比信號(hào)電路是否正常。

    2.故障監(jiān)控
    （1）當(dāng)下列情況發(fā)生時(shí)，組合儀表啟亮充電指示燈：
    1）ECM檢測(cè)到發(fā)電機(jī)輸出電壓低于11V或者高于16V，會(huì)發(fā)送請(qǐng)求啟亮指示燈的Class 2信息至組合儀表。
    2）組合儀表確定系統(tǒng)電壓低于11V或者高于16V，從儀表板集成模塊(DIM)收到Class 2 信息，指示系統(tǒng)電壓異常。
    3）組合儀表在每個(gè)點(diǎn)火循環(huán)開(kāi)始時(shí)執(zhí)行顯示測(cè)試，啟亮指示燈約3s。
    （2）當(dāng)下列情況發(fā)生時(shí)，組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮相應(yīng)的指示燈：
    1）當(dāng)ECM檢測(cè)到發(fā)電機(jī)輸出故障時(shí)，組合儀表從ECM收到Class 2 信息，得到請(qǐng)求啟亮指示。組合儀表將在駕駛員信息中心將啟亮“BATTERY NOT CHARGING（蓄電池未充電）－7”指示燈。
    2）當(dāng)為了減少充電系統(tǒng)負(fù)載，儀表板集成模塊減少或者禁止運(yùn)行一些車(chē)輛系統(tǒng)時(shí)，組合儀表將從DIM收到class 2信息，得到請(qǐng)求啟亮指示。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“BATTERY SAVER ACTIVE （蓄電池節(jié)電器啟動(dòng)）－ 27”指示燈。
    3）當(dāng)組合儀表確定系統(tǒng)電壓大于16V時(shí)，組合儀表將從儀表板集成模塊(DIM) 收到Class 2 信息，指示系統(tǒng)電壓異常。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“BATTERY VOLTAGE HIGH （蓄電池電壓過(guò)高）－ 8”指示燈。
    4）當(dāng)組合儀表確定了系統(tǒng)電壓低于11V時(shí)，組合儀表將從儀表板集成模塊(DIM) 收到Class 2 信息，指示系統(tǒng)電壓異常。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“BATTERY VOLTAGE LOW （蓄電池電壓過(guò)低）－ 6”指示燈。
    5）當(dāng)ECM檢測(cè)到發(fā)電機(jī)輸出故障時(shí)，組合儀表將從ECM收到Class 2 信息，得到請(qǐng)求啟亮指示。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“SERVICE CHARGING SYS（維修充電系統(tǒng)）－ 102”指示燈。
    二、電力管理系統(tǒng)
    電力管理系統(tǒng)(EPM)用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制充電系統(tǒng)，并通過(guò)警報(bào)通知駕駛員充電系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。電力管理系統(tǒng)可以改善蓄電池充電狀態(tài)，延長(zhǎng)蓄電池壽命，并且管理系統(tǒng)的電氣負(fù)載，使發(fā)電機(jī)輸出獲得最大的使用效率。電力管理也被稱(chēng)為“負(fù)荷管理”或“減負(fù)荷”。
    電力管理具有下列3 個(gè)功能：
   （1）監(jiān)測(cè)蓄電池電壓，估計(jì)蓄電池充電狀態(tài)。
   （2）采取校正措施，提高怠速轉(zhuǎn)速、減少系統(tǒng)電氣負(fù)載。
   （3）執(zhí)行診斷并通知駕駛員充電系統(tǒng)的故障。
    只要儀表板集成模塊(DIM) 激活（即運(yùn)行電力管理算法），其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、鑰匙接通、附件模式和保持型附件電源(RAP)。在此期間，儀表板集成模塊將根據(jù)蓄電池電壓、估計(jì)的凈A·h數(shù)、電池容量、初始充電狀態(tài)和估計(jì)的蓄電池溫度不斷，估算蓄電池充電狀態(tài)。估計(jì)的蓄電池溫度，是根據(jù)鑰匙斷開(kāi)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、以及從ECM進(jìn)氣溫度或者空調(diào)系統(tǒng)車(chē)外空氣溫度提供的溫度讀數(shù)計(jì)算而來(lái)的。
    電力管理算法運(yùn)行時(shí)，儀表板集成模塊通過(guò)連續(xù)的電壓測(cè)量計(jì)算電氣系統(tǒng)真實(shí)的充電率，用A/h表示。如果儀表板集成模塊檢測(cè)到負(fù)的充電率，即表明蓄電池在放電，那么當(dāng)車(chē)輛處于駐車(chē)或空檔時(shí)，電力管理系統(tǒng)會(huì)從ECM請(qǐng)求最多3級(jí)的怠速提高等級(jí)，并請(qǐng)求最多2 級(jí)的減負(fù)荷等級(jí)，這樣總共有5個(gè)等級(jí)的校正措施來(lái)維持車(chē)輛電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
    儀表板集成模塊發(fā)送串行數(shù)據(jù)，請(qǐng)求ECM提高怠速速度。ECM通過(guò)專(zhuān)門(mén)的程序來(lái)計(jì)算調(diào)節(jié)的怠速值，防止出現(xiàn)操縱性能和安全問(wèn)題。怠速提高和恢復(fù)功能因車(chē)型差異而有所不同，并且在同一車(chē)輛上隨所處時(shí)刻而有所變化，這是因?yàn)镋CM對(duì)傳感器的輸入變化作出響應(yīng)而造成的。為了保持怠速質(zhì)量，ECM進(jìn)入怠速提高模式的時(shí)間不會(huì)超過(guò)120s，除非對(duì)節(jié)氣門(mén)位置進(jìn)行人為改變。
    儀表板集成模塊還要根據(jù)制冷劑壓力、車(chē)輛速度和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，向ECM請(qǐng)求最多3 級(jí)的怠速提高等級(jí)，以便空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)請(qǐng)求怠速提高時(shí)，電力管理優(yōu)先于空調(diào)系統(tǒng)。不過(guò)，即使達(dá)到了電力管理的退出怠速提高模式的標(biāo)準(zhǔn)，怠速提高等級(jí)仍將保持在空調(diào)系統(tǒng)所需的水平。
    每一個(gè)電力管理功能，怠速提高或者減負(fù)荷，都是分立的，不能同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)功能。但是，設(shè)置標(biāo)志可以同時(shí)設(shè)置。怠速提高模式要逐級(jí)啟用，如：在怠速提高2 激活前，必須先激活怠速提高1。電力管理系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

    在每一個(gè)減負(fù)荷管理功能中，儀表板集成模塊都將檢查蓄電池溫度、蓄電池電壓和A·h計(jì)算值，確定儀表板集成模塊是否應(yīng)該執(zhí)行一個(gè)不同的電力管理功能。
    電氣系統(tǒng)中最大的負(fù)載是加熱元件的電阻負(fù)載。儀表板集成模塊控制車(chē)外后視鏡、后窗和加熱型座椅的加熱元件，控制采用的方式為直接控制或者發(fā)送信息至控制這些設(shè)備電源的模塊。
    電氣系統(tǒng)中的第二大負(fù)載是空調(diào)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)。儀表板集成模塊發(fā)送信息至空調(diào)系統(tǒng)控制器，以減少自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。車(chē)輛使用的減負(fù)荷操作如表2所示。
    三、系統(tǒng)電路分析
    1.蓄電池電壓監(jiān)測(cè)電路
    儀表板集成模塊(DIM) 有一個(gè)內(nèi)部電壓傳感器以及一個(gè)專(zhuān)用電路，用來(lái)檢查蓄電池正極與負(fù)極線(xiàn)路間的電壓，確定其是否超過(guò)15.5V，或低于9V。
    當(dāng)電壓降至9V以下并持續(xù)1200ms時(shí)，將設(shè)置故障碼DTC B1327（設(shè)備電源電路電壓過(guò)低）。該信息通過(guò)Class 2線(xiàn)路發(fā)出，通知所有其它模塊蓄電池電壓過(guò)低。要從當(dāng)前狀態(tài)清除故障碼，電壓應(yīng)大于9.54V并持續(xù)1200ms。
    當(dāng)電壓升高至16.5V以上并持續(xù)1200ms時(shí)，將設(shè)置故障碼DTC B1328（設(shè)備電源電路電壓過(guò)高）。該信息通過(guò)Class 2線(xiàn)路發(fā)出，告知安全氣囊系統(tǒng)蓄電池電壓過(guò)高。要從當(dāng)前狀態(tài)清除故障碼，電壓應(yīng)小于15.5V并持續(xù)1200ms。
    2.發(fā)電機(jī)電壓監(jiān)測(cè)電路
    發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM) 監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)電壓水平并將其作為Class 2數(shù)據(jù)信息發(fā)送至儀表板組合儀表(IPC)。
    當(dāng)電壓降至低于10.5V并持續(xù)30s，并且發(fā)動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行，將設(shè)置故障碼DTC B1513（充電系統(tǒng)電壓過(guò)低）。此時(shí)，駕駛員信息中心(DIC)將設(shè)置充電系統(tǒng)指示信息。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若電壓大于10.5V并持續(xù)30s，則將該故障碼作為當(dāng)前狀態(tài)清除。
    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行并且電壓大于16.0V并持續(xù)30s時(shí)，將設(shè)置故障碼DTC B1514（充電系統(tǒng)電壓過(guò)高）。此時(shí)，駕駛員信息中心(DIC)設(shè)置充電指示信息和駕駛員警告信息。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若電壓降至小于16.2V并持續(xù)30s，則將該故障碼作為當(dāng)前狀態(tài)清除。
    3.發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)占空比信號(hào)監(jiān)測(cè)電路
    ECM使用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)占空比信號(hào)電路監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的占空比和故障指示。發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)占空比信號(hào)電路連接至發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線(xiàn)圈，在電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)的脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)器使勵(lì)磁線(xiàn)圈接通和斷開(kāi)。ECM使用脈寬調(diào)制輸入信號(hào)確定加載到發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電機(jī)負(fù)荷，從而使ECM調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，以補(bǔ)償高電氣負(fù)荷。
    ECM監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)占空比信號(hào)電路狀態(tài)。ECM使用鑰匙接通測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行測(cè)試，來(lái)監(jiān)測(cè)脈寬調(diào)制信號(hào)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，且鑰匙置于接通位置時(shí)，ECM應(yīng)檢測(cè)到占空比為0%；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，ECM應(yīng)該檢測(cè)到占空比變化至100%。在鑰匙接通測(cè)試的過(guò)程中，如果ECM檢測(cè)到脈寬調(diào)制信號(hào)大于5% 并持續(xù)15s以上，則設(shè)置故障碼DTC P0626（發(fā)電機(jī)F 端子電路電壓過(guò)高）。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行測(cè)試的過(guò)程中，如果ECM檢測(cè)到脈寬調(diào)制信號(hào)小于5% 并持續(xù)15s以上，則設(shè)置故障診斷碼DTC P0625（發(fā)電機(jī)F 端子電路電壓過(guò)低）。ECM發(fā)送Class 2串行數(shù)據(jù)信息至組合儀表和駕駛員信息中心，啟亮充電指示燈和顯示充電信息，但不啟亮故障指示燈(MIL)。
    4.發(fā)電機(jī)接通信號(hào)監(jiān)測(cè)電路
    ECM使用發(fā)電機(jī)接通信號(hào)電路來(lái)控制發(fā)電機(jī)的電壓輸出。當(dāng)需要不同的電壓時(shí)，ECM通過(guò)發(fā)電機(jī)接通信號(hào)電路，改變至電壓調(diào)節(jié)器的脈寬調(diào)制信號(hào)。這就使電壓調(diào)節(jié)器能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓輸出。ECM有一個(gè)故障檢測(cè)電路，該電路監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)接通信號(hào)電路的狀態(tài)。如果故障檢測(cè)電路檢測(cè)到的電壓非期望值，將設(shè)置故障碼。電壓調(diào)節(jié)器也有一個(gè)故障檢測(cè)電路，如果調(diào)節(jié)器檢測(cè)到問(wèn)題，調(diào)節(jié)器將使發(fā)電機(jī)接通信號(hào)電路搭鐵，使電壓降低。這也會(huì)導(dǎo)致ECM設(shè)置故障碼。
    若在鑰匙接通測(cè)試中，ECM在發(fā)電機(jī)接通信號(hào)電路檢測(cè)到信號(hào)電壓過(guò)高并持續(xù)至少5s；在運(yùn)行測(cè)試過(guò)程中，ECM在發(fā)電機(jī)接通信號(hào)電路檢測(cè)到信號(hào)電壓過(guò)低并持續(xù)至少5s，此時(shí)，將設(shè)置故障碼DTC P1668（發(fā)電機(jī)L端子控制電路故障）。ECM發(fā)送Class 2信息至組合儀表，啟亮充電指示燈并顯示充電信息，但不啟亮故障指示燈(MIL)。在40個(gè)連續(xù)無(wú)故障預(yù)熱循環(huán)后，將清除歷史故障診斷碼，或利用故障診斷儀“Clear DTC Information （清除故障碼信息）”功能，也能夠清除故障診斷碼。