史麗鑫，張曉冬

（北京交通大學(xué) 北京100044）

燃油汽車軟起動降噪技術(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時，飛輪與驅(qū)動齒輪相互摩擦所發(fā)出的刺耳的嘯鳴聲，提出了一種燃油汽車的軟起動系統(tǒng)，并完成了相應(yīng)的軟起動電路設(shè)計。本文通過對3種不同的軟起動電路進(jìn)行仿真對比，確定了最優(yōu)的軟起動方案。

燃油汽車；軟起動；降噪；直流電機(jī)；DC-DC變換器

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于汽車的需求量不斷增大，隨之汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車市場競爭日益激烈，用戶對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)注的問題，雖然人們對于汽車噪聲研究不斷深入，但是對于汽車啟動時的噪聲卻少有研究，而其很大程度上決定了駕乘人員對于汽車品質(zhì)的第一印象，也成為汽車商品性因素之一，影響著消費者的購買意圖。

現(xiàn)有汽車的啟動都是靠12 V或者24 V直流蓄電池給起動機(jī)供電，采用直接啟動的方式。在啟動過程中驅(qū)動齒輪帶動飛輪飛速旋轉(zhuǎn)，此時他們之間會發(fā)出1～2 s嚴(yán)重的嘯鳴聲，直到汽車完全啟動。這種噪音的大小直接影響著人們對于汽車性能的第一印象，甚至影響著人們的身心健康。由于啟動機(jī)采用直接啟動的方式，啟動電流瞬間可達(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題。

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

1　軟起動設(shè)計思路

為了降低燃油汽車在起動時發(fā)出的噪音。應(yīng)用軟起動電路，使汽車在起動時，在有足夠能起動汽車的電壓條件下，盡可能的緩慢加電壓，使電壓逐漸增至額定電壓，這樣雖然稍微延長了起動時間，但大大降低了汽車在發(fā)動時產(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，本文采用通過電力電子技術(shù)，設(shè)計調(diào)壓電路通過增大調(diào)壓電路開關(guān)管的占空比，逐漸將輸出電壓調(diào)至12 V，使起動機(jī)電壓逐步達(dá)到額定值。來實現(xiàn)電動機(jī)的軟起動［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?，可以將DC-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?。DC-DC變換器的主要功能是變換直流電壓等級，隔離變壓器則根據(jù)需要選取。鑒于所研究的對象不需要電氣隔離，為了盡可能減少元器件數(shù)量，故沒必要采用帶隔離變壓器的DC-DC變換器作為軟起動電路。并且通過設(shè)計軟起動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，逐一對比分析這三種變換器從而選取最適合的軟起動降噪方案。

2　汽車參數(shù)計算

2.1汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)

起動機(jī)功率是由發(fā)動機(jī)的最低起動轉(zhuǎn)速和起動阻力矩決定。發(fā)動機(jī)的起動阻力矩包括3個方面：加速力矩、摩擦阻力矩、其他負(fù)載力矩。

相關(guān)的汽車起動測試數(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)動機(jī)的起動阻力矩

由于燃油汽車發(fā)動機(jī)通常的最低起動轉(zhuǎn)速為50～70 r/min，選擇60 r/min，即6.28 rad/s作為最低起動轉(zhuǎn)速（若選擇的值過小，在實際情況中有可能無法正常啟動汽車）的阻力矩作為參考值，對不同溫度下的各個起動阻力矩求平均值，可得平均起動阻力矩約為90 N·m。

2.2汽車起動機(jī)參數(shù)

表2　QD124起動機(jī)參數(shù)

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

燃油汽車的最終傳動比一般為8～10，而發(fā)動機(jī)的最低起動轉(zhuǎn)速為60 r/min，故起動機(jī)的，最低起動轉(zhuǎn)速為480～600 r/min，取最低起動轉(zhuǎn)速為550 r/min，根據(jù)反電動勢公式Ef= Ceφn，得在該轉(zhuǎn)速下的反電勢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DC-DC變換器輸出電壓不能低于7V，這是汽車達(dá)到起動的最低要求。在起動機(jī)成功起動發(fā)動機(jī)后，此時直流電機(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)計的變換器時，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，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，開關(guān)速度很快。因此開關(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。實際輸出電壓為7.105 V，此時的占空比為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)過約為0.002 s的時間，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)計要求。

但是當(dāng)要求輸出12 V時，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，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。實際輸出電壓為7.159 V，此時的占空比為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)過約為0.03 s的時間，輸出電壓達(dá)到11.94 V輸出電壓比較平直，從曲線的情況來看，輸出電壓比較平直，紋波很小。能夠達(dá)到設(shè)計要求。

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)過約為0.06 s的時間，輸出電壓達(dá)到7 V，上升過程中有微小的抖動，上升時間比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，最終無法達(dá)到汽車實際起動要求的額定電壓值，故不能選用。其次，Buck-Boost變換器，輸出電壓紋波較小，電壓上升時間也很快，并且解決了Buck變換器輸出電壓范圍不夠的問題，可以替代Buck變換器作為軟起動電路。最后，Cuk變換器，與Buck-Boost變換器相比的優(yōu)點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，需要足夠大的儲能電容?？紤]汽車電池特性，我們需要一個輸出穩(wěn)定的電源，盡管調(diào)節(jié)時間略長，但在汽車起動過程中，小于0.1 s的達(dá)到額定電壓的時間已經(jīng)可以接受。選擇Cuk電路作為軟起動調(diào)壓電路，是最適合的設(shè)計方案。

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

文中選用DC-DC變換器作為軟起動電路，對3種軟起動方案進(jìn)行仿真對比，由于丘克Cuk變換器輸入電流和輸出電流紋波非常小，電壓上升時間快，調(diào)壓范圍廣等優(yōu)點，最終確定使用丘克變換器的軟起動方案。在汽車起動機(jī)軟起動過程中，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)動機(jī)機(jī)械特性很軟，機(jī)械噪音大大降低，對發(fā)動機(jī)零件的磨損也大大減小，延長了發(fā)動機(jī)的壽命，具有一定的實際意義。

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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：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。