一種基于IC 控制的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁策略研究

周延藤， 趙 剛， 許 歡， 劉 輝， 肖 曉， 胡 清

（1.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心， 陜西 西安 710200；2.中汽研（天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300）

1 引言

隨著汽車電氣化的程度越來越高，對(duì)整車電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提出了更加嚴(yán)格的要求。而發(fā)電機(jī)作為電源系統(tǒng)的核心部件，其能否安全可靠地工作，直接決定了汽車電器系統(tǒng)的可靠性和市場品質(zhì)的口碑。發(fā)電機(jī)的主要作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，為整車各個(gè)負(fù)載和控制器提供電源，并且為蓄電池充電，是汽車電源系統(tǒng)的主要組成部分。根據(jù)發(fā)電機(jī)的工作原理，在發(fā)動(dòng)機(jī)完成起動(dòng)后，發(fā)電機(jī)需要外部提供一個(gè)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)建立勵(lì)磁，正常工作，之后斷開外部輸入勵(lì)磁電流。本文基于發(fā)電機(jī)的工作特性，提出了一種IC驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的控制策略。

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

2.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略

基于某新型卡車多路通信的電器架構(gòu)開發(fā)的IC驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流信號(hào)輸出需要同時(shí)滿足以下條件。

1） 控制器接受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從＜600r/min變?yōu)椤?00r/min。

2） 點(diǎn)火開關(guān)處于ON擋。

執(zhí)行動(dòng)作：IC驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流輸出，并在CAN總線上輸出勵(lì)磁電流信號(hào)為“有效”。滿足以下任一條件，IC關(guān)閉發(fā)電機(jī)勵(lì)磁信號(hào)輸出：①發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從＜600r/min變?yōu)椤?00r/min，計(jì)時(shí)10s超時(shí)；②點(diǎn)火開關(guān)處于非ON擋。

執(zhí)行動(dòng)作：IC關(guān)閉發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流輸出，并在CAN總線上發(fā)出勵(lì)磁電流信號(hào)為“無效”。

2.2 蓄電池充電指示

1） IC上ON擋電后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于未運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)且IC本地采集蓄電池電壓（通過A1針腳判斷蓄電池電壓） 小于25.5V并計(jì)時(shí)2s時(shí)，IC發(fā)送蓄電池充電狀態(tài)為“未充電”，IC點(diǎn)亮蓄電池故障指示燈。

2） IC上ON擋電后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，且IC本地采集蓄電池電壓≥26.5V并計(jì)時(shí)2s時(shí)，IC發(fā)送蓄電池充電狀態(tài)為“充電中”，IC熄滅蓄電池故障指示燈。

備注：發(fā)動(dòng)機(jī)處于未運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＜600r/min；發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速≥600r/min。

圖1 IC驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖

2.3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)組成

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)需要涉及到零部件有：發(fā)電機(jī)總成、IC、線束、電源模塊、網(wǎng)關(guān)、一鍵起動(dòng)模塊PEPS、智能鑰匙、ECM等。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制原理框圖如圖1所示。各部分功能介紹如下。

1） IC：驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流輸出的核心部件，內(nèi)部集成了勵(lì)磁控制的功能邏輯。在輸入端采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和電源擋位信號(hào)（CAN報(bào)文） 后，經(jīng)過內(nèi)部邏輯判斷，在控制端驅(qū)動(dòng)針腳B1輸出勵(lì)磁電流，并在CAN總線上發(fā)送發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流狀態(tài)信號(hào)。

2） 發(fā)電機(jī)總成：集成在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為整車提供電源，并且為蓄電池充電。

3） 線束：將各零部件連接起來，用來傳遞輸入和輸出信息。

4） 電源模塊：由兩塊12V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，在發(fā)動(dòng)機(jī)未起動(dòng)時(shí)，為整車各個(gè)控制器和負(fù)載提供電源。

5） 一鍵起動(dòng)模塊PEPS：控制整車電源擋位變化 （OFF擋、ACC擋、ON擋、START擋），同時(shí)將當(dāng)前電源擋位信號(hào)發(fā)送到CAN總線上。

6） 智能鑰匙：一鍵起動(dòng)模塊PEPS在整車上電過程中必須與智能鑰匙經(jīng)過驗(yàn)證，才能完成上電。

7） 網(wǎng)關(guān)：負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)從PCAN路由到BCAN上。

8） ECM：負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息發(fā)送到PCAN上。

IC、網(wǎng)關(guān)、ECM、PEPS等控制器之間的信號(hào)傳遞遵守CAN協(xié)議。圖2為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 發(fā)電機(jī)失效故障案例和分析

基于發(fā)電機(jī)的控制策略，結(jié)合實(shí)際出現(xiàn)的案例，討論當(dāng)發(fā)電機(jī)工作失效后，故障的分析方法和改進(jìn)措施。

一輛2020年7月的試制車，工作人員反饋，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，儀表顯示蓄電池電壓24.2V，蓄電池故障指示燈不熄滅。

通過實(shí)車測試，故障現(xiàn)象與駕駛員描述一致，測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，發(fā)電機(jī)未建立勵(lì)磁，使用萬用表測試整車電壓與儀表顯示一致。

通過對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)的了解，針對(duì)車輛的故障現(xiàn)象，分析故障的原因可能有：①IC勵(lì)磁控制模塊故障；②網(wǎng)關(guān)信號(hào)路由出現(xiàn)故障；③發(fā)電機(jī)與IC之間勵(lì)磁線束出現(xiàn)故障；④PEPS電源擋位信號(hào)出現(xiàn)異常；⑤發(fā)電機(jī)總成故障；⑥發(fā)電機(jī)與整車之間的充電線纜出現(xiàn)故障。

4 故障診斷流程

根據(jù)故障現(xiàn)象，從控制器信號(hào)輸入端和輸出端進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)模塊故障的診斷流程，如圖3所示。

根據(jù)故障分析的可能原因并結(jié)合故障診斷流程對(duì)問題進(jìn)行排查。

1） 使用診斷儀對(duì)IC進(jìn)行診斷，讀取故障碼，發(fā)現(xiàn)IC沒有故障碼。

圖3 發(fā)電機(jī)故障診斷流程

2） 使用CANoe讀取B_CAN和P_PCAN的總線報(bào)文，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電源擋位信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)正常且滿足IC勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)輸出的條件，說明PEPS、ECM、網(wǎng)關(guān)等控制器正常。

3） 對(duì)從IC的B1針腳引出到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁端的線束進(jìn)行導(dǎo)通和短路測試，線束正常。

4） 對(duì)發(fā)電機(jī)與整車之間的充電線纜檢查，線束安裝緊固可靠，未出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

由此可以判斷該問題的故障范圍在IC輸出執(zhí)行端、發(fā)電機(jī)總成方面。

觀察發(fā)電機(jī)總成外觀，未發(fā)現(xiàn)損壞痕跡，由于拆卸發(fā)電機(jī)，對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部檢查電路較為復(fù)雜，因此優(yōu)先排查IC輸出端的勵(lì)磁電流輸出，測試方法為在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，使用萬用表測試勵(lì)磁線束電壓，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁電壓一直為0，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火重新上電到ON擋后，對(duì)儀表使用診斷儀利用UDS的0x2F服務(wù)（輸入輸出控制服務(wù)） 強(qiáng)制控制儀表輸出勵(lì)磁電流，測試結(jié)果為B1針腳的電壓一直為0，因此確定故障點(diǎn)為IC硬件問題；重新更換一塊新的IC后，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)仍然不能正常工作，通過對(duì)故障件拆解分析，并用電流鉗在臺(tái)架上對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行測試，結(jié)果顯示勵(lì)磁電流約為3A，這就導(dǎo)致IC對(duì)勵(lì)磁電流做診斷時(shí)，會(huì)由于勵(lì)磁電流過大而做出勵(lì)磁線路短路的判斷，進(jìn)而切斷勵(lì)磁電流輸出，造成發(fā)電機(jī)不工作的故障。因此在勵(lì)磁線束上加裝一個(gè)限流電阻，再對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行測試，結(jié)果約為20mA，避免了誤診斷現(xiàn)象的發(fā)生，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，發(fā)電機(jī)可以正常工作，整車電壓為27.8V，故障消除。

5 結(jié)論

本文通過介紹陜汽某型號(hào)商用車的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略，并結(jié)合實(shí)際故障案例，提出了一種當(dāng)發(fā)電機(jī)工作出現(xiàn)失效問題時(shí)的故障排查思路。由于現(xiàn)代卡車電器功能越來越多，架構(gòu)也越來越復(fù)雜，這就要求在解決實(shí)際問題時(shí)，要掌握發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制子系統(tǒng)的工作原理，又要熟練運(yùn)用診斷儀、萬用表和電流鉗等測試設(shè)備。通過分析數(shù)據(jù)和故障現(xiàn)象，快速確定故障點(diǎn)，解決問題，再深入分析導(dǎo)致問題的原因，采取整改措施優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。