凱迪拉克CTS智能充電系統 工作原理與電路分析

上海通用凱迪拉克CTS高級乘用車配有智能充電管理系統。該系統可以根據車輛的運行狀況，自動調節發電機的輸出電壓；並根據蓄電池情況，自動調節發動機怠速，調節車輛用電負荷，從而使車輛充電系統運行更加安全。該系統包括兩大部分：發電機電壓調節控制系統和電力管理系統，系統電路如圖1所示。

一、發電機電壓調節控制(RVC)系統

1.基本原理

凱迪拉克CTS 3.6L（LY7）發動機配備了發電機電壓調節控制系統。該系統可根據充電狀態和蓄電池溫度，更精確地控制蓄電池的充電電壓。

電壓調節控制系統的主要部件包括新型電壓調節器、儀表板集成模塊(DIM) 和發動機控制模塊(ECM)。電壓調節器使用發電機L 端子電路上的脈寬調制信號（並非ECM的5V參考電壓信號）來確定發電機的輸出電壓。ECM控制至電壓調節器的脈寬調制信號，並對發電機L 端子和F 端子進行診斷，以及反饋發電機 F 端子至儀表板集成模塊的信號。儀表板集成模塊根據蓄電池電壓和內部校准值，計算蓄電池的充電狀態和蓄電池溫度的估計值。

當儀表板集成模塊確定蓄電池所需電壓後，發送信息至ECM。該信息內容是：脈寬調制信號的占空比應設置的最佳值。

在發電機閉環控制回路中使用了電壓調節控制後，可以將蓄電池電壓從13.4 V（蓄電池溫度高於70℃且充電狀態在95%以上）改變至14.9 V（蓄電池溫度低於-30℃且蓄電池充電狀態在65%以下）。如果出現故障，電壓調節控制系統無法對發電機進行控制，電壓調節器會將蓄電池電壓默認為13.9V，其功能如同一個普通的發電機。

發電機提供操作電氣系統的電壓並給蓄電池充電。當發動機驅動轉子時，磁場旋轉，在定子繞組中產生交流電壓，交流電壓由整流器轉換為直流並供給蓄電池所連接的電氣系統。發動機運行時，ECM發送脈寬調制信號至電壓調節器。發電機電壓調節器根據接收到的脈寬調制信號，控制流至轉子的電流，進而控制輸出電壓。

脈寬調制信號在12 ~88% 之間變化。脈寬調制信號的占空比越低，發電機的輸出電壓越低。在12% 以下和88% 以上時，電壓調節器默認為13.9 V。發電機是自起動的，不需要L端子電路上的電壓來啟動蓄電池充電。這也意味著不能夠使用故障診斷儀將發電機關閉。當電壓調節器檢測到充電系統故障時，將使發電機L端子電路搭鐵，發信號通知ECM有故障存在。ECM還監測發電機磁場占空比信號電路是否正常。

2.故障監控

（1）當下列情況發生時，組合儀表啟亮充電指示燈：

1）ECM檢測到發電機輸出電壓低於11V或者高於16V，會發送請求啟亮指示燈的Class 2信息至組合儀表。

2）組合儀表確定系統電壓低於11V或者高於16V，從儀表板集成模塊(DIM)收到Class 2 信息，指示系統電壓異常。

3）組合儀表在每個點火循環開始時執行顯示測試，啟亮指示燈約3s。

（2）當下列情況發生時，組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮相應的指示燈：

1）當ECM檢測到發電機輸出故障時，組合儀表從ECM收到Class 2 信息，得到請求啟亮指示。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）當為了減少充電系統負載，儀表板集成模塊減少或者禁止運行一些車輛系統時，組合儀表將從DIM收到class 2信息，得到請求啟亮指示。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“BATTERY SAVER ACTIVE （蓄電池節電器啟動）－ 27”指示燈。

3）當組合儀表確定系統電壓大於16V時，組合儀表將從儀表板集成模塊(DIM) 收到Class 2 信息，指示系統電壓異常。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“BATTERY VOLTAGE HIGH （蓄電池電壓過高）－ 8”指示燈。

4）當組合儀表確定了系統電壓低於11V時，組合儀表將從儀表板集成模塊(DIM) 收到Class 2 信息，指示系統電壓異常。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“BATTERY VOLTAGE LOW （蓄電池電壓過低）－ 6”指示燈。

5）當ECM檢測到發電機輸出故障時，組合儀表將從ECM收到Class 2 信息，得到請求啟亮指示。組合儀表將在駕駛員信息中心啟亮“SERVICE CHARGING SYS（維修充電系統）－ 102”指示燈。

二、電力管理系統

電力管理系統(EPM)用來監測和控制充電系統，並通過警報通知駕駛員充電系統中存在的問題。電力管理系統可以改善蓄電池充電狀態，延長蓄電池壽命，並且管理系統的電氣負載，使發電機輸出獲得最大的使用效率。電力管理也被稱為“負荷管理”或“減負荷”。

電力管理具有下列3 個功能：
（1）監測蓄電池電壓，估計蓄電池充電狀態。
（2）采取校正措施，提高怠速轉速、減少系統電氣負載。
（3）執行診斷並通知駕駛員充電系統的故障。

只要儀表板集成模塊(DIM) 激活（即運行電力管理算法），其中包括發動機運行、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蓄電池電壓、估計的淨A·h數、電池容量、初始充電狀態和估計的蓄電池溫度不斷，估算蓄電池充電狀態。估計的蓄電池溫度，是根據鑰匙斷開時間、發動機運行時間、以及從ECM進氣溫度或者空調系統車外空氣溫度提供的溫度讀數計算而來的。

電力管理算法運行時，儀表板集成模塊通過連續的電壓測量計算電氣系統真實的充電率，用A/h表示。如果儀表板集成模塊檢測到負的充電率，即表明蓄電池在放電，那麼當車輛處於駐車或空檔時，電力管理系統會從ECM請求最多3級的怠速提高等級，並請求最多2 級的減負荷等級，這樣總共有5個等級的校正措施來維持車輛電氣系統的正常運行。

儀表板集成模塊發送串行數據，請求ECM提高怠速速度。ECM通過專門的程序來計算調節的怠速值，防止出現操縱性能和安全問題。怠速提高和恢復功能因車型差異而有所不同，並且在同一車輛上隨所處時刻而有所變化，這是因為ECM對傳感器的輸入變化作出響應而造成的。為了保持怠速質量，ECM進入怠速提高模式的時間不會超過120s，除非對節氣門位置進行人為改變。

儀表板集成模塊還要根據制冷劑壓力、車輛速度和發動機運轉情況，向ECM請求最多3 級的怠速提高等級，以便空調系統運行。當請求怠速提高時，電力管理優先於空調系統。不過，即使達到了電力管理的退出怠速提高模式的標准，怠速提高等級仍將保持在空調系統所需的水平。

每一個電力管理功能，怠速提高或者減負荷，都是分立的，不能同時啟動兩個功能。但是，設置標志可以同時設置。怠速提高模式要逐級啟用，如：在怠速提高2 激活前，必須先激活怠速提高1。電力管理系統運行參數如表1所示。

在每一個減負荷管理功能中，儀表板集成模塊都將檢查蓄電池溫度、蓄電池電壓和A·h計算值，確定儀表板集成模塊是否應該執行一個不同的電力管理功能。

電氣系統中最大的負載是加熱元件的電阻負載。儀表板集成模塊控制車外後視鏡、後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送信息至控制這些設備電源的模塊。

電氣系統中的第二大負載是空調系統中的鼓風機。儀表板集成模塊發送信息至空調系統控制器，以減少自動空調系統中鼓風機的運行。車輛使用的減負荷操作如表2所示。

三、系統電路分析

1.蓄電池電壓監測電路

儀表板集成模塊(DIM) 有一個內部電壓傳感器以及一個專用電路，用來檢查蓄電池正極與負極線路間的電壓，確定其是否超過15.5V，或低於9V。

當電壓降至9V以下並持續1200ms時，將設置故障碼DTC B1327（設備電源電路電壓過低）。該信息通過Class 2線路發出，通知所有其它模塊蓄電池電壓過低。要從當前狀態清除故障碼，電壓應大於9.54V並持續1200ms。

當電壓升高至16.5V以上並持續1200ms時，將設置故障碼DTC B1328（設備電源電路電壓過高）。該信息通過Class 2線路發出，告知安全氣囊系統蓄電池電壓過高。要從當前狀態清除故障碼，電壓應小於15.5V並持續1200ms。

2.發電機電壓監測電路

發動機控制模塊(ECM) 監測發電機電壓水平並將其作為Class 2數據信息發送至儀表板組合儀表(IPC)。

當電壓降至低於10.5V並持續30s，並且發動機正在運行，將設置故障碼DTC B1513（充電系統電壓過低）。此時，駕駛員信息中心(DIC)將設置充電系統指示信息。當發動機運行時，若電壓大於10.5V並持續30s，則將該故障碼作為當前狀態清除。

當發動機正在運行並且電壓大於16.0V並持續30s時，將設置故障碼DTC B1514（充電系統電壓過高）。此時，駕駛員信息中心(DIC)設置充電指示信息和駕駛員警告信息。當發動機運行時，若電壓降至小於16.2V並持續30s，則將該故障碼作為當前狀態清除。

3.發電機磁場占空比信號監測電路

ECM使用發電機磁場占空比信號電路監測發電機的占空比和故障指示。發電機磁場占空比信號電路連接至發電機勵磁線圈，在電壓調節器內的脈寬調制(PWM)驅動器使勵磁線圈接通和斷開。ECM使用脈寬調制輸入信號確定加載到發動機上的發電機負荷，從而使ECM調節發動機怠速，以補償高電氣負荷。

ECM監測發電機磁場占空比信號電路狀態。ECM使用鑰匙接通測試和發動機運行測試，來監測脈寬調制信號。當發動機關閉，且鑰匙置於接通位置時，ECM應檢測到占空比為0%；當發動機運行時，ECM應該檢測到占空比變化至100%。在鑰匙接通測試的過程中，如果ECM檢測到脈寬調制信號大於5% 並持續15s以上，則設置故障碼DTC P0626（發電機F 端子電路電壓過高）。在發動機運行測試的過程中，如果ECM檢測到脈寬調制信號小於5% 並持續15s以上，則設置故障診斷碼DTC P0625（發電機F 端子電路電壓過低）。ECM發送Class 2串行數據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.發電機接通信號監測電路

ECM使用發電機接通信號電路來控制發電機的電壓輸出。當需要不同的電壓時，ECM通過發電機接通信號電路，改變至電壓調節器的脈寬調制信號。這就使電壓調節器能夠調節發電機電壓輸出。ECM有一個故障檢測電路，該電路監測發電機接通信號電路的狀態。如果故障檢測電路檢測到的電壓非期望值，將設置故障碼。電壓調節器也有一個故障檢測電路，如果調節器檢測到問題，調節器將使發電機接通信號電路搭鐵，使電壓降低。這也會導致ECM設置故障碼。

若在鑰匙接通測試中，ECM在發電機接通信號電路檢測到信號電壓過高並持續至少5s；在運行測試過程中，ECM在發電機接通信號電路檢測到信號電壓過低並持續至少5s，此時，將設置故障碼DTC P1668（發電機L端子控制電路故障）。ECM發送Class 2信息至組合儀表，啟亮充電指示燈並顯示充電信息，但不啟亮故障指示燈(MIL)。在40個連續無故障預熱循環後，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。