丰田锐志轿车3GR-FE发动机电源系电路和原理

2012-09-03张宗荣

汽车电器 2012年1期

张宗荣

（福建交通职业技术学院，福建福州 350007）

1 丰田锐志轿车3GR-FE发动机电源系电路

丰田DNA REIZ锐志于2005年10月在国内上市，具有V型6缸双VVT-i（Variable Valve Timing，智能可变气门正时系统）发动机、手自一体式6档自动变速器。其主力级别车型具有大型车顶照明系统、HID（High Intensity Discharge，高压气体放电灯）氙气前照灯（自动水平调节及前照灯清洗装置）、驾驶席膝部SRS空气囊、定速巡航控制系统等多种先进电气系统作为标准配置，其配置的3GR-FE发动机的电源电路也是当今技术最先进的电路之一，如图1所示。

1.1 组成

该电源电路由蓄电池、DENSO电装的SC整体式交流发电机（带G型单片式集成电路电压调节器）、发动机ECU、网关ECU、电流传感器、蓄电池温度传感器、组合仪表、点火开关、空调ECU等组成，使用了多路通信和计算机控制等新技术。

值得注意的是，文章中所述的丰田锐志轿车3GR-FE发动机电源系电路，是根据丰田汽车公司的TOYOTA REIZ电路图简化的，去除了一些插接器，保留了所有的其它元件。具体丰田锐志轿车的系列不同，电路可能会有所不同。

1.2 功能及原理

1）SC整体式交流发电机的作用是汽车运行时给所有用电设备供电，同时给蓄电池充电。发动机ECU的作用是根据汽车工作状态和电流传感器、蓄电池温度传感器信号调节发电机的输出电压。同时通过网关ECU和组合仪表控制充电指示灯的亮暗变化。网关ECU的作用是在高速动力控制网（CAN网）和低速丰田车身局域网（BEAN网）这两种不同总线系统上的控制单元ECU之间进行信息交换和通信，实现汽车数据的同步性和共享。

2）电流传感器和蓄电池温度传感器安装在蓄电池旁（图1中为避免电路图线条交叉、保持图面清晰，没有画在蓄电池旁边）。电流传感器的电感线圈环绕在蓄电池正极电源线上，通过电磁感应将蓄电池电流大小的信号传给发动机ECU；蓄电池温度传感器紧贴着蓄电池外壳，通过其半导体负温度系数的可变电阻，将蓄电池温度大小的信号传给发动机ECU。

3）空调ECU、车身ECU和前照灯ECU等串联连接在丰田车身局域网 (BEAN网)上（与电源电路没有直接关系的ECU在图1中没有画出），通过网关与其它ECU实现汽车数据的同步性和共享。发动机ECU在对电源电压进行控制的同时，通过网关和丰田车身局域网将信号传给空调ECU，实现对空调系统的同时控制。

4）组合仪表连接2个电源。来自蓄电池的电源提供给组合仪表的时钟和仪表ECU中存储器的记忆电源；来自IG2继电器的电源给组合仪表提供工作电源。当点火开关断开后，组合仪表停止工作，但时钟的工作和仪表ECU的储存信息仍能正常保持。组合仪表（带仪表ECU）里面的充电指示灯通过亮暗和闪烁起到指示、报警作用。

2 SC整体式交流发电机的组成及原理

丰田锐志轿车3GR-FE发动机使用DENSO（电装）的SC整体式交流发电机由SC（矩形截面）交流发电机、G型单片式集成电路电压调节器（丰田REIZ-GRX121.122锐志使用GC1M 或GC2M的G型多功能集成电路电压调节器，其具体型号和性能参见《汽车电器》杂志2010年第9期26-29页）组成。发电机的定子（电枢）绕组具有两组独立的三相线圈和整流器，这两组三相线圈的电相位角相差30°，可减小定子磁性的变动，大幅度降低发电机所发出的噪声和输出电压的脉动，同时提高发电机输出功率。

电枢绕组的线圈使用矩形截面后，使线圈与铁心的线接触变成面接触，如图2所示，增大了线圈与铁心的接触面积，提高了散热效果。同时增大了导线的横截面积，减小了导线的长度和电阻，从而减小了发电机的体积、质量，并大大增大了发电机的输出功率。

2.1 内部G型电压调节器

SC交流发电机内部的G型电压调节器（参见图1）的场效应管T1用于控制发电机励磁绕组的电流，从而控制发电机输出电压；场效应管T2用于产生控制组合仪表充电指示灯的信号，当电源系电路工作时起指示和报警作用（实际上，场效应管T2也可直接用于控制充电指示灯的亮暗，当电源系电路工作时起指示和报警作用）；三极管T3用于向发动机ECU提供一个励磁绕组导通率的信号，即发电机负荷信号；二极管D1用于吸收励磁绕组电流被切断瞬间的自感电动势，保护场效应管T1。

2.2 外部端子

SC交流发电机外部有5个端子（参见图1），其中发电机输出B端子使用D25插接器，经过ALT 150A大电流熔断器与蓄电池正极连接，并向用电设备供电。该端子还使蓄电池正极与G型电压调节器的B端子连接，为发电机初始发电提供他励电流。IG、L、M和RLO端子使用D7插接器，其中端子1连接RLO，端子2连接IG，端子3连接M，端子4连接L，如图3所示。

1）IG端子的作用向G型电压调节器提供工作电流。其电路是:电源→80A LH J/BAM大电流熔断器→LH-IG1继电器（继电器线圈由点火开关控制）→10A LH-IG小电流熔断器→IG端子。

2）L端子作用向发动机ECU提供一个控制充电指示灯亮暗的信号。发动机ECU接收到该信号后，通过CAN网络的双绞线CANH和CANL，将该信号送入网关ECU。网关ECU又将该信号通过车身局域网的MPI1和MPI2提供给仪表总成的仪表ECU，最后由仪表总成的仪表ECU控制充电指示灯的亮暗。L端子的电压信号为5 V时，充电指示灯暗；电压信号为0 V时，充电指示灯亮。

3）RLO端子作用接收来自发动机ECU的控制信号。发动机ECU根据发动机的工作状态以及蓄电池电流、蓄电池温度、发电机负荷信号等，通过RLO端子向G型电压调节器控制电路发出一个占空比的信号，电压调节器的控制电路根据这个信号，通过T1管的通断，控制发电机的输出电压。例如:加速时（踩下油门时）输出低电压，降低发电机的输出电压，以保证汽车的动力性；减速时（松开油门时）输出高电压，提高发电机的输出电压，以利用发动机的运转惯性，降低燃油消耗，并且保持蓄电池处于良好的工作状态。

在车身局域网中还串联着空调ECU。发动机ECU在控制发电机输出低电压的同时，通过网关和丰田车身局域网将信号传给空调ECU，暂时切断空调压缩机电磁离合器，使汽车得到更大的动力。

4）M端子作用给发动机ECU提供一个励磁绕组导通率的信号（既是发电机负荷信号，也是RLO端子通过T1管的通断，控制发电机的输出电压的反馈信号），并为发动机ECU控制发动机的喷油和点火提供参考依据。

发动机ECU在控制发电机电压的同时，如果发现蓄电池电流过大或蓄电池温度过高，会发出信号，通过网关ECU和仪表ECU，控制仪表总成的充电指示灯闪烁以报警。

在使用中，如果M端子发生脱落，发动机ECU会通过RLO端子保持对发电机电压的控制。同时使仪表板上发动机故障指示灯闪烁以报警；如果RLO端子发生脱落，发动机ECU对调节电压控制会停止。此时发电机在G型电压调节器控制下自行工作，将发电机输出电压固定调节为14.5V左右，使发电机正常发电，保证汽车所有用电设备能正常工作。