汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓激勵(lì)源模型研究

梅燕

摘 要：汽車啟動(dòng)瞬間，整車電源電壓波動(dòng)劇烈。整車廠要求在這種電源波動(dòng)情況下，整車電子產(chǎn)品需要有相應(yīng)的保護(hù)措施，確保低壓及電源振蕩時(shí)工作性能仍然符合預(yù)期。傳統(tǒng)的驗(yàn)證電子產(chǎn)品耐受電源電壓干擾的性能需要實(shí)驗(yàn)資源支持，這給項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間帶來(lái)負(fù)擔(dān)。仿真驗(yàn)證產(chǎn)品電性能是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法的一個(gè)有力的補(bǔ)充。仿真驗(yàn)證的關(guān)鍵是要建立合乎規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)電壓激勵(lì)模型。本文結(jié)合福特定義的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)時(shí)的電壓波形，闡述了這類電壓激勵(lì)源模型的基本原理，建模和仿真方法。最后指出了電壓激勵(lì)源模型在驗(yàn)證電器模塊電氣性能的前瞻作用及其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：冷啟動(dòng) 熱啟動(dòng) 電壓波動(dòng) 電壓激勵(lì)模型 電壓源迭加

Research on the Model of Starting Voltage Excitation Source of Automobile Engine

Mei Yan

Abstract：The vehicle power supply voltage fluctuates violently at the moment the vehicle starts. Vehicle manufacturers require that under such power fluctuations， vehicle electronic products need to have corresponding protection measures to ensure that the working performance of low voltage and power supply oscillations still meet expectations. The traditional verification of the performance of electronic products withstanding power supply voltage interference requires experimental resources to support， which brings burdens to project development costs and time. Simulation to verify the electrical performance of products is a powerful supplement to traditional design verification methods. The key to simulation verification is to establish a starting voltage excitation model that meets specifications and standards. Combining the voltage waveforms defined by Ford during cold and hot start of automobile engines， this paper expounds the basic principles， modeling and simulation methods of this type of voltage excitation source model. Finally， the forward-looking role and development trend of the voltage excitation source model in verifying the electrical performance of electrical modules are pointed out.

Key words：cold start， hot start， voltage fluctuation， voltage excitation model， voltage source superposition

1 引言

汽車啟動(dòng)瞬間，整車電源電壓波動(dòng)劇烈。在汽車起動(dòng)時(shí)，蓄電池要帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。在電磁開(kāi)關(guān)S1接通的瞬間，因發(fā)動(dòng)機(jī)電樞沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有建立起反電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)短路，發(fā)動(dòng)主回路總電阻僅為十多毫歐，起動(dòng)電流很大，極端的情況瞬間起動(dòng)電流達(dá)1000A。不考慮其它因素，根據(jù)歐姆定律，理論計(jì)算，起動(dòng)主回路中蓄電池內(nèi)阻電壓降即達(dá)到8V，蓄電池輸出電壓僅有5V左右。在這樣的電源環(huán)境下，整車電器難以正常工作。

所以整車廠要求在這種電源波動(dòng)情況下，整車各個(gè)電器模塊需要有相應(yīng)的保護(hù)措施，確保低壓及電源振蕩時(shí)產(chǎn)品工作性能仍然符合預(yù)期。在整車電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，電源電壓干擾測(cè)試模擬發(fā)生這種工況時(shí)電源線上電壓的波動(dòng)來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)性能。例如福特汽車EMC測(cè)試規(guī)范中[1]，CI230用來(lái)測(cè)試電子產(chǎn)品在汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)對(duì)電壓波動(dòng)的抗擾能力;在大眾汽車電性能測(cè)試規(guī)范中[2]，operating voltage dips實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試電子產(chǎn)品時(shí)對(duì)電壓波動(dòng)的抗擾能力。

通常情況下，驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)電源電壓干擾的保護(hù)措施采用試錯(cuò)法[3]，就是通過(guò)不斷的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的電壓干擾測(cè)試，然后持續(xù)修正測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)的失誤和不足，直到滿足設(shè)計(jì)要求。這種方法可靠有效，但會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本的巨大浪費(fèi)。仿真驗(yàn)證系統(tǒng)性能是試驗(yàn)試錯(cuò)法的一個(gè)有力的補(bǔ)充。目前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)模擬建模，通過(guò)仿真，在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可靠性，不僅可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)紕漏，優(yōu)化完善設(shè)計(jì)，同時(shí)節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，節(jié)省成本。這種方法受業(yè)界普遍推崇。對(duì)于汽車啟動(dòng)電壓波動(dòng)干擾對(duì)電路系統(tǒng)的影響，仿真驗(yàn)證的關(guān)鍵是要建立合乎規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)電壓激勵(lì)模型。

2 汽車啟動(dòng)電壓激勵(lì)源模型

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)有冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)之分。整車廠對(duì)這兩種啟動(dòng)有不同的定義。下面我們將根據(jù)福特定義的這兩種啟動(dòng)方式下所產(chǎn)生的典型的電壓波形，對(duì)汽車啟動(dòng)電壓激勵(lì)源的模型，在PSPice環(huán)境中進(jìn)行分析和討論。

2.1 冷啟動(dòng)

冷啟動(dòng)，是指發(fā)動(dòng)機(jī)熄火一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)冷卻，其溫度遠(yuǎn)低于正常工作溫度，機(jī)油也基本回流了，這時(shí)候再啟動(dòng)，就是冷啟動(dòng)了。

2.1.1 冷啟動(dòng)電壓波形圖

福特定義的冷啟動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)波形如圖2所示[1]。

各個(gè)參數(shù)定義如下[1]：

2.1.2 冷啟動(dòng)電壓激勵(lì)源模型

冷啟動(dòng)電壓激勵(lì)源模型如圖3所示。該模型建立采用電壓源迭代的思路，在0-t1時(shí)間段的波形用脈沖電壓源V1表示， t2-t3時(shí)間段的波形用脈沖電壓源V2表示，t4時(shí)間段的波形用脈沖電壓源V3表示，t5時(shí)間段的周期性振蕩電壓波形用正弦波電壓源V4表示，t6時(shí)間段電壓波形用脈沖電壓源V5表示。其中TD是初始電壓輸出延時(shí)時(shí)間。

脈沖電壓源的設(shè)置需要特別注意起始電壓，終止電壓，以及脈沖寬度的設(shè)置，以滿足迭代后的電壓值符合規(guī)范要求。電壓源V1在延遲一段時(shí)間后（TD）從起始0V上升到UB，在UB時(shí)的脈沖寬度時(shí)t1; 電壓源V2在適當(dāng)時(shí)間補(bǔ)償使整體電壓跌落至U1，跌落時(shí)間t2，U1維持時(shí)間t3;電壓源V3在適當(dāng)時(shí)間補(bǔ)償V1和V2的迭代電壓，使整體電壓上升至U2，上升時(shí)間t4，之后迭代入電壓源V4，這是周期性振蕩正弦電壓波形。這些波形的迭代總和進(jìn)入時(shí)間窗，在（t1+t2+t3+t4+t5）時(shí)間之后，輸出穩(wěn)定的直流電平U2，再通過(guò)電子緩存器迭代電壓源V5，實(shí)現(xiàn)完整的冷啟動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng)信號(hào)輸出。電阻RV模擬整車系統(tǒng)阻抗，與模擬負(fù)載Rload并聯(lián)，默認(rèn)值1M歐姆。電阻Ri模擬電源內(nèi)阻，串聯(lián)在電壓波形輸出端，默認(rèn)值設(shè)置為0.02歐姆。

圖4給出了PSPICE仿真波形結(jié)果（波形A）。在0.6s-1.1s時(shí)間段內(nèi)波形放大如圖5所示。

對(duì)比表1給出的典型時(shí)間間隔及電壓峰值，可以看出該激勵(lì)源模型可以得到準(zhǔn)確的冷啟動(dòng)電壓波形。

如果把信號(hào)源V1的輸出延時(shí)改成0，同時(shí)在電壓為UB時(shí)的脈沖寬度改成（TD+t1），那么就能得到波形圖B的對(duì)應(yīng)的電源電壓波動(dòng)仿真波形圖了。如圖6所示。

2.2 熱啟動(dòng)

發(fā)動(dòng)機(jī)維持在正常的工作溫度附近，沒(méi)下降多少，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦面的機(jī)油還沒(méi)回流，油膜還在，這時(shí)候再啟動(dòng)，就是熱啟動(dòng)。Start/stop事件屬于熱啟動(dòng)。

Start/stop事件是為了提高能源利用率，降低汽車的油耗和排放，減少大氣污染，汽車智能啟停系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)汽車在行駛過(guò)程中臨時(shí)停車時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)將自動(dòng)熄火;如果汽車?yán)^續(xù)運(yùn)行，那么傳動(dòng)系統(tǒng)將重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。Start/stop事件就發(fā)生在從發(fā)動(dòng)機(jī)被智能啟停電機(jī)系統(tǒng)關(guān)掉到發(fā)動(dòng)機(jī)被快速重啟，交流發(fā)電機(jī)重新上電整車電源分配系統(tǒng)這個(gè)時(shí)間段。

2.2.1 熱啟動(dòng)電壓波形圖

福特定義的熱啟動(dòng)start/stop電壓波動(dòng)波形如圖7所示[4]。與冷啟動(dòng)CI230的波形對(duì)比來(lái)看，start/stop波形持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，波動(dòng)更為頻繁，但跌落最低電壓值會(huì)略大于5V。該波形圖由于時(shí)間分布較寬，并沒(méi)有反映真實(shí)的時(shí)間比例關(guān)系。

熱啟動(dòng)start/stop電壓波形參數(shù)定義如表2所下[4]：

2.2.2 start/stop電壓激勵(lì)源模型

熱啟動(dòng)start/stop激勵(lì)源模型如圖8所示。

熱啟動(dòng)start/stop電源電壓激勵(lì)源模型設(shè)計(jì)思路與冷啟動(dòng)時(shí)激勵(lì)源模型類似。但由于start/stop波形變化更加頻繁，所以需要迭代更多的脈沖電壓源以模擬電壓的波動(dòng)輸出。具體建模思路這里不再做詳細(xì)闡述。圖10給出了PSPice仿真波形結(jié)果：

在0.8s-2s時(shí)間段內(nèi)波形放大如圖10所示。

對(duì)比表2給出的典型時(shí)間間隔及電壓峰值，可以看出圖8所示電源電壓激勵(lì)源模型可以得到準(zhǔn)確的start/stop啟動(dòng)電壓波形。

在實(shí)際應(yīng)用中，這兩種激勵(lì)源模型中的Rload替換成實(shí)際電路設(shè)計(jì)的保護(hù)電路模型和負(fù)載模型。當(dāng)CI230或start/stop電壓作用在電源線上時(shí)，從負(fù)載端觀察到的波形的電壓-時(shí)間特性，可以分析出實(shí)際負(fù)載所承受的瞬態(tài)電壓及瞬態(tài)功率，從而分析器件選型及設(shè)計(jì)應(yīng)用的合理性。

電源電壓激勵(lì)源電路模型在Pspice中，通過(guò)全局變量定義各個(gè)參數(shù)，用戶可以根據(jù)整車廠對(duì)冷熱啟動(dòng)波形的時(shí)間和幅值的要求，自定義各個(gè)參數(shù)值。從這點(diǎn)上，該模型具有配置靈活的特征，擴(kuò)展適配不同的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車啟動(dòng)時(shí)電壓激勵(lì)源模型可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，在實(shí)驗(yàn)之前，預(yù)先驗(yàn)證產(chǎn)品在低壓及波動(dòng)時(shí)的可靠性，實(shí)現(xiàn)EMC或電性能測(cè)試的數(shù)字轉(zhuǎn)型，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)的一次性通過(guò)率。因此建立有效的，精確的激勵(lì)源模型是非常有必要的。

汽車源線上的電壓干擾不僅局限于啟動(dòng)干擾，還有電源反接;車內(nèi)感性負(fù)載關(guān)斷;及各種開(kāi)關(guān)、繼電器及保險(xiǎn)絲在開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的脈沖群、拋負(fù)載[5]等干擾。模擬這些狀況下的電壓激勵(lì)源模型同樣有利于產(chǎn)品性能的預(yù)驗(yàn)證，這些將有著廣泛的應(yīng)用前景。

我們需要在模型模擬，仿真工具等方面進(jìn)行技術(shù)革新和突破，一方面，有效減少新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，另一方面為汽車電子產(chǎn)品的可靠性研究提供有效保障。

參考文獻(xiàn)：

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