燃油汽車軟起動降噪技術研究

史麗鑫，張曉冬

（北京交通大學 北京100044）

燃油汽車軟起動降噪技術研究

史麗鑫，張曉冬

（北京交通大學 北京100044）

為了降低燃油汽車在啟動時，飛輪與驅動齒輪相互摩擦所發出的刺耳的嘯鳴聲，提出了一種燃油汽車的軟起動系統，并完成了相應的軟起動電路設計。本文通過對3種不同的軟起動電路進行仿真對比，確定了最優的軟起動方案。

燃油汽車；軟起動；降噪；直流電機；DC-DC變換器

隨著國家經濟的快速發展，人們對于汽車的需求量不斷增大，隨之汽車行業迅猛發展，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日益關注的問題，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。

現有汽車的啟動都是靠12 V或者24 V直流蓄電池給起動機供電，采用直接啟動的方式。在啟動過程中驅動齒輪帶動飛輪飛速旋轉，此時他們之間會發出1～2 s嚴重的嘯鳴聲，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。由于啟動機采用直接啟動的方式，啟動電流瞬間可達上千安培，嚴重影響著電池的使用壽命。這也是現有所以燃油汽車普遍存在的問題。

文中通過設計汽車軟起動方案，采用DC-DC變換從而控制起動機電樞電壓從最小起動電壓平穩上升到額定電壓，使發動機轉速逐漸提升，從而達到降噪的目的。

1　軟起動設計思路

為了降低燃油汽車在起動時發出的噪音。應用軟起動電路，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動時產生的機械噪音。為了達到調節電壓以控制轉速的目的，本文采用通過電力電子技術，設計調壓電路通過增大調壓電路開關管的占空比，逐漸將輸出電壓調至12 V，使起動機電壓逐步達到額定值。來實現電動機的軟起動［1］。由于內燃機汽車大部分是采用直流電機，故采用直流調壓的方式。

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通與關斷調節輸出電壓的有效值。一般按照電路拓撲的不同，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撲形式。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　汽車參數計算

2.1汽車發動機參數

起動機功率是由發動機的最低起動轉速和起動阻力矩決定。發動機的起動阻力矩包括3個方面：加速力矩、摩擦阻力矩、其他負載力矩。

相關的汽車起動測試數據如下所示［2］：

表1　汽車在不同溫度不同轉速下發動機的起動阻力矩

由于燃油汽車發動機通常的最低起動轉速為50～70 r/min，選擇60 r/min，即6.28 rad/s作為最低起動轉速（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汽車起動機參數

表2　QD124起動機參數

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

燃油汽車的最終傳動比一般為8～10，而發動機的最低起動轉速為60 r/min，故起動機的，最低起動轉速為480～600 r/min，取最低起動轉速為550 r/min，根據反電動勢公式Ef= Ceφn，得在該轉速下的反電勢Ef=1.47 V。根據電壓平衡方程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，這是汽車達到起動的最低要求。在起動機成功起動發動機后，此時直流電機電壓達到額定電壓12 V，電流下降至I=P/U=1 440/12=120 A左右。故在設計的變換器時，電壓調節范圍應控制在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L>LC時，則電感電流連續，故選擇電感L=1.2×10-7H

由于IGBT擊穿電壓可達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250 kVA以上，工作頻率可達20 kHz，開關速度很快。因此開關原件選擇IGBT比較合適。

圖1　Buck變換器：DC=60%占空比UO=6.559V；輸出電壓

將占空比調為60%，理論輸出電壓應為7.2 V，實際輸出電壓只有6.559 V，分析原因可能由于IGBT和二極管存在導通壓降還有內阻值得影響。

適當增大占空比，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：經過約為0.002 s的時間，輸出電壓達到7.105 V，電壓非常平直，紋波很小。能夠達到設計要求。

但是當要求輸出12 V時，將占空比調至接近最大值100%，輸出電壓僅為10.81 V。不能達到設計要求的額定電壓。

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%

當時，則電感電流連續，故選擇電感L=1.2LC=1.9×10-7H

根據紋波要求計算電容：

故選取電感L=1.9×10-7H；電容C=1.25 F

將占空比調為37%，理論輸出電壓應為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，將電壓表上負下正接負載兩端一遍觀察波形。

適當增大占空比，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，將占空比調為65%，輸出電壓應為11.94 V，可以達到輸出電壓的要求。

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：經過約為0.03 s的時間，輸出電壓達到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。能夠達到設計要求。

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，將電壓表上負下正接負載兩端一遍觀察波形。

調節占空比，使輸出電壓接近7 V。當占空比，輸出電壓

輸出電壓波形可以看出：經過約為0.06 s的時間，輸出電壓達到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能夠達到設計要求［7］。

同樣的，將占空比調為65%，輸出電壓應為12.12 V，可以達到輸出電壓的要求。

3.4仿真分析與方案選擇

對以上3種方案進行逐一分析：首先，Buck變換器，由于其電壓調節范圍僅在7～10.81 V，最終無法達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，但是電路更為復雜，需要足夠大的儲能電容。考慮汽車電池特性，我們需要一個輸出穩定的電源，盡管調節時間略長，但在汽車起動過程中，小于0.1 s的達到額定電壓的時間已經可以接受。選擇Cuk電路作為軟起動調壓電路，是最適合的設計方案。

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，調壓范圍廣等優點，最終確定使用丘克變換器的軟起動方案。在汽車起動機軟起動過程中，由于轉速是連續平穩的緩慢增加而不是直接提升至額定值，故發動機機械特性很軟，機械噪音大大降低，對發動機零件的磨損也大大減小，延長了發動機的壽命，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。