燃油汽車軟起動(dòng)降噪技術(shù)研究

史麗鑫，張曉冬

（北京交通大學(xué) 北京100044）

燃油汽車軟起動(dòng)降噪技術(shù)研究

史麗鑫，張曉冬

（北京交通大學(xué) 北京100044）

為了降低燃油汽車在啟動(dòng)時(shí)，飛輪與驅(qū)動(dòng)齒輪相互摩擦所發(fā)出的刺耳的嘯鳴聲，提出了一種燃油汽車的軟起動(dòng)系統(tǒng)，并完成了相應(yīng)的軟起動(dòng)電路設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)3種不同的軟起動(dòng)電路進(jìn)行仿真對(duì)比，確定了最優(yōu)的軟起動(dòng)方案。

燃油汽車；軟起動(dòng)；降噪；直流電機(jī)；DC-DC變換器

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于汽車的需求量不斷增大，隨之汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用戶對(duì)于汽車性能的要求也不斷提高。汽車噪聲污染成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題，雖然人們對(duì)于汽車噪聲研究不斷深入，但是對(duì)于汽車啟動(dòng)時(shí)的噪聲卻少有研究，而其很大程度上決定了駕乘人員對(duì)于汽車品質(zhì)的第一印象，也成為汽車商品性因素之一，影響著消費(fèi)者的購(gòu)買意圖。

現(xiàn)有汽車的啟動(dòng)都是靠12 V或者24 V直流蓄電池給起動(dòng)機(jī)供電，采用直接啟動(dòng)的方式。在啟動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)飛輪飛速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)他們之間會(huì)發(fā)出1～2 s嚴(yán)重的嘯鳴聲，直到汽車完全啟動(dòng)。這種噪音的大小直接影響著人們對(duì)于汽車性能的第一印象，甚至影響著人們的身心健康。由于啟動(dòng)機(jī)采用直接啟動(dòng)的方式，啟動(dòng)電流瞬間可達(dá)上千安培，嚴(yán)重影響著電池的使用壽命。這也是現(xiàn)有所以燃油汽車普遍存在的問(wèn)題。

文中通過(guò)設(shè)計(jì)汽車軟起動(dòng)方案，采用DC-DC變換從而控制起動(dòng)機(jī)電樞電壓從最小起動(dòng)電壓平穩(wěn)上升到額定電壓，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提升，從而達(dá)到降噪的目的。

1　軟起動(dòng)設(shè)計(jì)思路

為了降低燃油汽車在起動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪音。應(yīng)用軟起動(dòng)電路，使汽車在起動(dòng)時(shí)，在有足夠能起動(dòng)汽車的電壓條件下，盡可能的緩慢加電壓，使電壓逐漸增至額定電壓，這樣雖然稍微延長(zhǎng)了起動(dòng)時(shí)間，但大大降低了汽車在發(fā)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械噪音。為了達(dá)到調(diào)節(jié)電壓以控制轉(zhuǎn)速的目的，本文采用通過(guò)電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)調(diào)壓電路通過(guò)增大調(diào)壓電路開(kāi)關(guān)管的占空比，逐漸將輸出電壓調(diào)至12 V，使起動(dòng)機(jī)電壓逐步達(dá)到額定值。來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)［1］。由于內(nèi)燃機(jī)汽車大部分是采用直流電機(jī)，故采用直流調(diào)壓的方式。

考慮用直流-直流（DC-DC）變換器，能將一種直流電源變換為另一種具有不同輸出特性的直流電源。通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。一般按照電路拓?fù)涞牟煌梢詫C-DC變換器分為不帶隔離變壓器的變換器和帶隔離變壓器的DC-DC變換器。

其中，BUCK電路和BOOST電路是DC-DC變換器最基本的兩種拓?fù)湫问健C-DC變換器的主要功能是變換直流電壓等級(jí)，隔離變壓器則根據(jù)需要選取。鑒于所研究的對(duì)象不需要電氣隔離，為了盡可能減少元器件數(shù)量，故沒(méi)必要采用帶隔離變壓器的DC-DC變換器作為軟起動(dòng)電路。并且通過(guò)設(shè)計(jì)軟起動(dòng)電路將輸出電壓緩慢增至額定值 （12 V或24 V），所以需采用可降壓的變換器。綜上所述，軟起動(dòng)降噪方案可選用的變換器有：降壓（Buck）變換器、升壓（Boost）變換器、升降壓（Buck-Boost）變換器。文中將以12 V車系為例，逐一對(duì)比分析這三種變換器從而選取最適合的軟起動(dòng)降噪方案。

2　汽車參數(shù)計(jì)算

2.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

起動(dòng)機(jī)功率是由發(fā)動(dòng)機(jī)的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速和起動(dòng)阻力矩決定。發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力矩包括3個(gè)方面：加速力矩、摩擦阻力矩、其他負(fù)載力矩。

相關(guān)的汽車起動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示［2］：

表1　汽車在不同溫度不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力矩

由于燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)通常的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速為50～70 r/min，選擇60 r/min，即6.28 rad/s作為最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速（若選擇的值過(guò)小，在實(shí)際情況中有可能無(wú)法正常啟動(dòng)汽車）的阻力矩作為參考值，對(duì)不同溫度下的各個(gè)起動(dòng)阻力矩求平均值，可得平均起動(dòng)阻力矩約為90 N·m。

2.2汽車起動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2　QD124起動(dòng)機(jī)參數(shù)

阻力矩在發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)［5］中已經(jīng)求出，故將最低起動(dòng)阻力矩作為負(fù)載阻力矩90N·m，直流串勵(lì)電機(jī)有公式可以看出轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流的平方，在初始起動(dòng)階段，可以產(chǎn)生較大的感應(yīng)力矩起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以說(shuō)非常適合汽車起動(dòng)機(jī)。在該負(fù)載情況下可得IS=471A，該電流為在最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速情況下的起動(dòng)電流。

燃油汽車的最終傳動(dòng)比一般為8～10，而發(fā)動(dòng)機(jī)的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速為60 r/min，故起動(dòng)機(jī)的，最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速為480～600 r/min，取最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速為550 r/min，根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)公式Ef= Ceφn，得在該轉(zhuǎn)速下的反電勢(shì)Ef=1.47 V。根據(jù)電壓平衡方程U=Ef+ISR=1.47+3.52×0.015≈7 V。

故要E使汽車能夠起動(dòng)DC-DC變換器輸出電壓不能低于7V，這是汽車達(dá)到起動(dòng)的最低要求。在起動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，此時(shí)直流電機(jī)電壓達(dá)到額定電壓12 V，電流下降至I=P/U=1 440/12=120 A左右。故在設(shè)計(jì)的變換器時(shí)，電壓調(diào)節(jié)范圍應(yīng)控制在7～12 V。

3　電路仿真

3.1降壓（Buck）變換器

輸出電壓和占空比：U0=12 V，DC=100%；U0=7.2 V，DC=60%

當(dāng)L>LC時(shí)，則電感電流連續(xù)，故選擇電感L=1.2×10-7H

由于IGBT擊穿電壓可達(dá)1 200 V，集電極最大飽和電流已超過(guò)1 500 A。由IGBT作為變頻器容量達(dá)250 kVA以上，工作頻率可達(dá)20 kHz，開(kāi)關(guān)速度很快。因此開(kāi)關(guān)原件選擇IGBT比較合適。

圖1　Buck變換器：DC=60%占空比UO=6.559V；輸出電壓

將占空比調(diào)為60%，理論輸出電壓應(yīng)為7.2 V，實(shí)際輸出電壓只有6.559 V，分析原因可能由于IGBT和二極管存在導(dǎo)通壓降還有內(nèi)阻值得影響。

適當(dāng)增大占空比，使輸出電壓大于7 V。實(shí)際輸出電壓為7.105 V，此時(shí)的占空比為65%。

圖2　輸出電壓U0=7.105V波形圖

從輸出電壓波形可以看出：經(jīng)過(guò)約為0.002 s的時(shí)間，輸出電壓達(dá)到7.105 V，電壓非常平直，紋波很小。能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

但是當(dāng)要求輸出12 V時(shí)，將占空比調(diào)至接近最大值100%，輸出電壓僅為10.81 V。不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的額定電壓。

3.2升降壓（Buck-Boost）變換器

輸出電壓和占空比：U0=12 V，DC=50%；U0=7 V，DC=36.8%

當(dāng)時(shí)，則電感電流連續(xù)，故選擇電感L=1.2LC=1.9×10-7H

根據(jù)紋波要求計(jì)算電容：

故選取電感L=1.9×10-7H；電容C=1.25 F

將占空比調(diào)為37%，理論輸出電壓應(yīng)為7 V，而實(shí)際輸出電壓只有5.431 V，由于Buck-Boost電路輸出電壓極性與輸入電壓相反，將電壓表上負(fù)下正接負(fù)載兩端一遍觀察波形。

適當(dāng)增大占空比，使輸出電壓大于7 V。實(shí)際輸出電壓為7.159 V，此時(shí)的占空比為45%

同樣的，將占空比調(diào)為65%，輸出電壓應(yīng)為11.94 V，可以達(dá)到輸出電壓的要求。

圖3　Buck-Boost變換器DC=37%：占空比UO=5.431V；輸出電壓

圖4　輸出電壓UO=11.94V

從輸出電壓波形可以看出：經(jīng)過(guò)約為0.03 s的時(shí)間，輸出電壓達(dá)到11.94 V輸出電壓比較平直，從曲線的情況來(lái)看，輸出電壓比較平直，紋波很小。能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3丘克（Cuk）［6］變換器

輸出電壓和占空比：U0=12 V，DC=50%；U0=7 V，DC=36.8%與Buck-Boost變換器相同。由于Cuk電路輸出電壓極性與輸入電壓相反，將電壓表上負(fù)下正接負(fù)載兩端一遍觀察波形。

調(diào)節(jié)占空比，使輸出電壓接近7 V。當(dāng)占空比，輸出電壓

輸出電壓波形可以看出：經(jīng)過(guò)約為0.06 s的時(shí)間，輸出電壓達(dá)到7 V，上升過(guò)程中有微小的抖動(dòng)，上升時(shí)間比Buck和Buck-Boost略慢一些，但是仍然可以很快達(dá)到額定電壓值。0.08 s后，輸出電壓幾乎平直，紋波幾乎為0。故Cuk能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求［7］。

同樣的，將占空比調(diào)為65%，輸出電壓應(yīng)為12.12 V，可以達(dá)到輸出電壓的要求。

3.4仿真分析與方案選擇

對(duì)以上3種方案進(jìn)行逐一分析：首先，Buck變換器，由于其電壓調(diào)節(jié)范圍僅在7～10.81 V，最終無(wú)法達(dá)到汽車實(shí)際起動(dòng)要求的額定電壓值，故不能選用。其次，Buck-Boost變換器，輸出電壓紋波較小，電壓上升時(shí)間也很快，并且解決了Buck變換器輸出電壓范圍不夠的問(wèn)題，可以替代Buck變換器作為軟起動(dòng)電路。最后，Cuk變換器，與Buck-Boost變換器相比的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流和輸出電流紋波非常小，從而輸出更加平直，但是電路更為復(fù)雜，需要足夠大的儲(chǔ)能電容。考慮汽車電池特性，我們需要一個(gè)輸出穩(wěn)定的電源，盡管調(diào)節(jié)時(shí)間略長(zhǎng)，但在汽車起動(dòng)過(guò)程中，小于0.1 s的達(dá)到額定電壓的時(shí)間已經(jīng)可以接受。選擇Cuk電路作為軟起動(dòng)調(diào)壓電路，是最適合的設(shè)計(jì)方案。

圖5　Cuk變換器：DC=44%占空比UO=7.032V；輸出電壓

圖6　輸出電壓UO=7.032V波形圖

4　結(jié)束語(yǔ)

文中選用DC-DC變換器作為軟起動(dòng)電路，對(duì)3種軟起動(dòng)方案進(jìn)行仿真對(duì)比，由于丘克Cuk變換器輸入電流和輸出電流紋波非常小，電壓上升時(shí)間快，調(diào)壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，最終確定使用丘克變換器的軟起動(dòng)方案。在汽車起動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)速是連續(xù)平穩(wěn)的緩慢增加而不是直接提升至額定值，故發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械特性很軟，機(jī)械噪音大大降低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損也大大減小，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，具有一定的實(shí)際意義。

［1］楊偉，吳茂剛.電機(jī)軟啟動(dòng)器的原理與應(yīng)用 ［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005，3（2）:205-207.

［2］王林，馬金榮，王洪濤.發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下的動(dòng)態(tài)起動(dòng)阻力矩研究［J］.輕型汽車技術(shù)，2008（10）:14-17.

［3］伍國(guó)平.起動(dòng)機(jī)額定功率參數(shù)的選擇及測(cè)試［J］.汽車電器. 2002（3）:56-57.

［4］吳壽松.汽車蓄電池內(nèi)電阻計(jì)算［J］.China Academic Journal Electronic Publishing House，2012:26-27.

［5］管育揚(yáng).起動(dòng)機(jī)制動(dòng)電流和內(nèi)阻的估算 ［J］.汽車電器，1983（2）:2-8.

［6］茹東生.丘克（Cuk）變換器的紋波電流及輸出電壓研究［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007（2）:30-33.

【相關(guān)參考文獻(xiàn)鏈接】

鄺永變，朱劍波.基于Saber的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與分析［J］.2014,22（10）：151-155.

呂贇，呂蓉，黎陽(yáng)生.一種無(wú)刷直流電機(jī)電流采樣及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)［J］.2014,22（17）：79-81.

楊靖，劉衛(wèi)國(guó).基于轉(zhuǎn)矩誤差極性的無(wú)刷直流電機(jī)四象限控制研究［J］.2014,22（22）：115-119.

王法龍，鄭明輝.應(yīng)用于裁斷機(jī)中無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的智能算法研究［J］.2015,23（2）：91-93.

李國(guó)旭，毛紅艷，孟祥斌等.基于FPGA的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.2015,23（17）：137-140.

王冬梅，侯春輝，路敬，等.基于單片機(jī)的直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.2015,23（19）：21-23.

孫曉旭，王勁松，安志勇.基于Proteus和AVR單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真［J］.2015,23（19）：174-176.

陳小偉，周靜.基于Maxwell與Simulink的無(wú)刷直流電機(jī)聯(lián)合仿真［J］.2015,23（23）：1-4.

馬洪雨，帕孜來(lái)·馬合木提.基于單片機(jī)的電動(dòng)摩托車無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.2016,24（4）：168-170.

劉蘊(yùn)紅，楊君寶.基于myDAQ的直流電機(jī)PWM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.2014,22（2）：111-114.

王宇鹍，丁海波，楊華松，等.基于PIC16F877A的永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)［J］.2014,22（3）：146-149.

Research on soft start noise reduction of gas car

SHILi-xin，ZHANG Xiao-dong
（Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In the process of gas car started，the friction between the flywheel and the drive gear will generate harsh howling sound.In order to reduce the noise，this paper proposes a soft starting system of fuel vehicles and designs the corresponding soft start circuit.In this paper，three soft start circuits are simulated.By comparison，the optimal soft starting scheme is determined.

gas car；soft-start；noise reduction；DCmotor；DC-DC converter

TN702

A

1674-6236（2016）19-0148-04

2015-10-09稿件編號(hào)：201510034

史麗鑫（1989—），男，河北石家莊人，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。