汽車發動機啟動電壓激勵源模型研究

梅燕

摘 要：汽車啟動瞬間，整車電源電壓波動劇烈。整車廠要求在這種電源波動情況下，整車電子產品需要有相應的保護措施，確保低壓及電源振蕩時工作性能仍然符合預期。傳統的驗證電子產品耐受電源電壓干擾的性能需要實驗資源支持，這給項目開發成本和時間帶來負擔。仿真驗證產品電性能是傳統設計驗證方法的一個有力的補充。仿真驗證的關鍵是要建立合乎規范和標準的啟動電壓激勵模型。本文結合福特定義的汽車發動機冷、熱啟動時的電壓波形，闡述了這類電壓激勵源模型的基本原理，建模和仿真方法。最后指出了電壓激勵源模型在驗證電器模塊電氣性能的前瞻作用及其發展趨勢。

關鍵詞：冷啟動 熱啟動 電壓波動 電壓激勵模型 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

汽車啟動瞬間，整車電源電壓波動劇烈。在汽車起動時，蓄電池要帶動發動機旋轉。在電磁開關S1接通的瞬間，因發動機電樞沒有旋轉，沒有建立起反電動勢，相當于發動機短路，發動主回路總電阻僅為十多毫歐，起動電流很大，極端的情況瞬間起動電流達1000A。不考慮其它因素，根據歐姆定律，理論計算，起動主回路中蓄電池內阻電壓降即達到8V，蓄電池輸出電壓僅有5V左右。在這樣的電源環境下，整車電器難以正常工作。

所以整車廠要求在這種電源波動情況下，整車各個電器模塊需要有相應的保護措施，確保低壓及電源振蕩時產品工作性能仍然符合預期。在整車電子產品開發階段，電源電壓干擾測試模擬發生這種工況時電源線上電壓的波動來驗證產品的開發性能。例如福特汽車EMC測試規范中[1]，CI230用來測試電子產品在汽車冷啟動時對電壓波動的抗擾能力;在大眾汽車電性能測試規范中[2]，operating voltage dips實驗用來測試電子產品時對電壓波動的抗擾能力。

通常情況下，驗證系統對電源電壓干擾的保護措施采用試錯法[3]，就是通過不斷的對系統進行符合標準和規范的電壓干擾測試，然后持續修正測試過程中發現的設計的失誤和不足，直到滿足設計要求。這種方法可靠有效，但會導致開發時間、成本的巨大浪費。仿真驗證系統性能是試驗試錯法的一個有力的補充。目前對測試系統模擬建模，通過仿真，在設計階段驗證電路設計的可靠性，不僅可以發現設計紕漏，優化完善設計，同時節省實驗資源，節省成本。這種方法受業界普遍推崇。對于汽車啟動電壓波動干擾對電路系統的影響，仿真驗證的關鍵是要建立合乎規范和標準的啟動電壓激勵模型。

2 汽車啟動電壓激勵源模型

汽車發動機啟動有冷啟動和熱啟動之分。整車廠對這兩種啟動有不同的定義。下面我們將根據福特定義的這兩種啟動方式下所產生的典型的電壓波形，對汽車啟動電壓激勵源的模型，在PSPice環境中進行分析和討論。

2.1 冷啟動

冷啟動，是指發動機熄火一段時間后，發動機已經冷卻，其溫度遠低于正常工作溫度，機油也基本回流了，這時候再啟動，就是冷啟動了。

2.1.1 冷啟動電壓波形圖

福特定義的冷啟動時電壓波動波形如圖2所示[1]。

各個參數定義如下[1]：

2.1.2 冷啟動電壓激勵源模型

冷啟動電壓激勵源模型如圖3所示。該模型建立采用電壓源迭代的思路，在0-t1時間段的波形用脈沖電壓源V1表示， t2-t3時間段的波形用脈沖電壓源V2表示，t4時間段的波形用脈沖電壓源V3表示，t5時間段的周期性振蕩電壓波形用正弦波電壓源V4表示，t6時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時間。

脈沖電壓源的設置需要特別注意起始電壓，終止電壓，以及脈沖寬度的設置，以滿足迭代后的電壓值符合規范要求。電壓源V1在延遲一段時間后（TD）從起始0V上升到UB，在UB時的脈沖寬度時t1; 電壓源V2在適當時間補償使整體電壓跌落至U1，跌落時間t2，U1維持時間t3;電壓源V3在適當時間補償V1和V2的迭代電壓，使整體電壓上升至U2，上升時間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入時間窗，在（t1+t2+t3+t4+t5）時間之后，輸出穩定的直流電平U2，再通過電子緩存器迭代電壓源V5，實現完整的冷啟動時的電壓波動信號輸出。電阻RV模擬整車系統阻抗，與模擬負載Rload并聯，默認值1M歐姆。電阻Ri模擬電源內阻，串聯在電壓波形輸出端，默認值設置為0.02歐姆。

圖4給出了PSPICE仿真波形結果（波形A）。在0.6s-1.1s時間段內波形放大如圖5所示。

對比表1給出的典型時間間隔及電壓峰值，可以看出該激勵源模型可以得到準確的冷啟動電壓波形。

如果把信號源V1的輸出延時改成0，同時在電壓為UB時的脈沖寬度改成（TD+t1），那么就能得到波形圖B的對應的電源電壓波動仿真波形圖了。如圖6所示。

2.2 熱啟動

發動機維持在正常的工作溫度附近，沒下降多少，發動機摩擦面的機油還沒回流，油膜還在，這時候再啟動，就是熱啟動。Start/stop事件屬于熱啟動。

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，汽車智能啟停系統得到越來越廣泛的應用。當汽車在行駛過程中臨時停車時，動力傳動系統將自動熄火;如果汽車繼續運行，那么傳動系統將重新啟動發動機。Start/stop事件就發生在從發動機被智能啟停電機系統關掉到發動機被快速重啟，交流發電機重新上電整車電源分配系統這個時間段。

2.2.1 熱啟動電壓波形圖

福特定義的熱啟動start/stop電壓波動波形如圖7所示[4]。與冷啟動CI230的波形對比來看，start/stop波形持續時間更長，波動更為頻繁，但跌落最低電壓值會略大于5V。該波形圖由于時間分布較寬，并沒有反映真實的時間比例關系。

熱啟動start/stop電壓波形參數定義如表2所下[4]：

2.2.2 start/stop電壓激勵源模型

熱啟動start/stop激勵源模型如圖8所示。

熱啟動start/stop電源電壓激勵源模型設計思路與冷啟動時激勵源模型類似。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輸出。具體建模思路這里不再做詳細闡述。圖10給出了PSPice仿真波形結果：

在0.8s-2s時間段內波形放大如圖10所示。

對比表2給出的典型時間間隔及電壓峰值，可以看出圖8所示電源電壓激勵源模型可以得到準確的start/stop啟動電壓波形。

在實際應用中，這兩種激勵源模型中的Rload替換成實際電路設計的保護電路模型和負載模型。當CI230或start/stop電壓作用在電源線上時，從負載端觀察到的波形的電壓-時間特性，可以分析出實際負載所承受的瞬態電壓及瞬態功率，從而分析器件選型及設計應用的合理性。

電源電壓激勵源電路模型在Pspice中，通過全局變量定義各個參數，用戶可以根據整車廠對冷熱啟動波形的時間和幅值的要求，自定義各個參數值。從這點上，該模型具有配置靈活的特征，擴展適配不同的需求。

3 結語

汽車啟動時電壓激勵源模型可以在產品開發階段，在實驗之前，預先驗證產品在低壓及波動時的可靠性，實現EMC或電性能測試的數字轉型，減少實驗次數，提高實驗的一次性通過率。因此建立有效的，精確的激勵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干擾，還有電源反接;車內感性負載關斷;及各種開關、繼電器及保險絲在開啟或關閉時產生的脈沖群、拋負載[5]等干擾。模擬這些狀況下的電壓激勵源模型同樣有利于產品性能的預驗證，這些將有著廣泛的應用前景。

我們需要在模型模擬，仿真工具等方面進行技術革新和突破，一方面，有效減少新產品開發的成本，另一方面為汽車電子產品的可靠性研究提供有效保障。

參考文獻：

[1]Ford， Electromagnetic Compatibility Specification For Low and High Voltage Electrical/Electronic Components and Subsystems FMC1278 3rd Edition， 2018.

[2]VOLKSWAGEN AG， Electrical and Electronic Assemblies in Motor Vehicles， VM 80101， 2009-03.

[3]胡毅，王于波，王藝澤，王源，系統級ESD激勵源模型研究進展，微電子學，2020年12月，第50卷第6期.

[4]Ford， Global Start/Stop Voltage Curve Specification， FS-0000-000001-AA， Revision 1.0.

[5]Road vehicles-Electrical disturbances from conduction and coupling-，Part 2：Electrical transient conduction along supply lines only， ISO7637-2， First edition， 2004-06-15.