燃油汽车软起动降噪技术研究

史丽鑫，张晓冬

（北京交通大学 北京100044）

燃油汽车软起动降噪技术研究

史丽鑫，张晓冬

（北京交通大学 北京100044）

为了降低燃油汽车在启动时，飞轮与驱动齿轮相互摩擦所发出的刺耳的啸鸣声，提出了一种燃油汽车的软起动系统，并完成了相应的软起动电路设计。本文通过对3种不同的软起动电路进行仿真对比，确定了最优的软起动方案。

燃油汽车；软起动；降噪；直流电机；DC-DC变换器

随着国家经济的快速发展，人们对于汽车的需求量不断增大，随之汽车行业迅猛发展，汽车市场竞争日益激烈，用户对于汽车性能的要求也不断提高。汽车噪声污染成为人们日益关注的问题，虽然人们对于汽车噪声研究不断深入，但是对于汽车启动时的噪声却少有研究，而其很大程度上决定了驾乘人员对于汽车品质的第一印象，也成为汽车商品性因素之一，影响着消费者的购买意图。

现有汽车的启动都是靠12 V或者24 V直流蓄电池给起动机供电，采用直接启动的方式。在启动过程中驱动齿轮带动飞轮飞速旋转，此时他们之间会发出1～2 s严重的啸鸣声，直到汽车完全启动。这种噪音的大小直接影响着人们对于汽车性能的第一印象，甚至影响着人们的身心健康。由于启动机采用直接启动的方式，启动电流瞬间可达上千安培，严重影响着电池的使用寿命。这也是现有所以燃油汽车普遍存在的问题。

文中通过设计汽车软起动方案，采用DC-DC变换从而控制起动机电枢电压从最小起动电压平稳上升到额定电压，使发动机转速逐渐提升，从而达到降噪的目的。

1　软起动设计思路

为了降低燃油汽车在起动时发出的噪音。应用软起动电路，使汽车在起动时，在有足够能起动汽车的电压条件下，尽可能的缓慢加电压，使电压逐渐增至额定电压，这样虽然稍微延长了起动时间，但大大降低了汽车在发动时产生的机械噪音。为了达到调节电压以控制转速的目的，本文采用通过电力电子技术，设计调压电路通过增大调压电路开关管的占空比，逐渐将输出电压调至12 V，使起动机电压逐步达到额定值。来实现电动机的软起动［1］。由于内燃机汽车大部分是采用直流电机，故采用直流调压的方式。

考虑用直流-直流（DC-DC）变换器，能将一种直流电源变换为另一种具有不同输出特性的直流电源。通过控制晶闸管的导通与关断调节输出电压的有效值。一般按照电路拓扑的不同，可以将DC-DC变换器分为不带隔离变压器的变换器和带隔离变压器的DC-DC变换器。

其中，BUCK电路和BOOST电路是DC-DC变换器最基本的两种拓扑形式。DC-DC变换器的主要功能是变换直流电压等级，隔离变压器则根据需要选取。鉴于所研究的对象不需要电气隔离，为了尽可能减少元器件数量，故没必要采用带隔离变压器的DC-DC变换器作为软起动电路。并且通过设计软起动电路将输出电压缓慢增至额定值 （12 V或24 V），所以需采用可降压的变换器。综上所述，软起动降噪方案可选用的变换器有：降压（Buck）变换器、升压（Boost）变换器、升降压（Buck-Boost）变换器。文中将以12 V车系为例，逐一对比分析这三种变换器从而选取最适合的软起动降噪方案。

2　汽车参数计算

2.1汽车发动机参数

起动机功率是由发动机的最低起动转速和起动阻力矩决定。发动机的起动阻力矩包括3个方面：加速力矩、摩擦阻力矩、其他负载力矩。

相关的汽车起动测试数据如下所示［2］：

表1　汽车在不同温度不同转速下发动机的起动阻力矩

由于燃油汽车发动机通常的最低起动转速为50～70 r/min，选择60 r/min，即6.28 rad/s作为最低起动转速（若选择的值过小，在实际情况中有可能无法正常启动汽车）的阻力矩作为参考值，对不同温度下的各个起动阻力矩求平均值，可得平均起动阻力矩约为90 N·m。

2.2汽车起动机参数

表2　QD124起动机参数

阻力矩在发动机参数［5］中已经求出，故将最低起动阻力矩作为负载阻力矩90N·m，直流串励电机有公式可以看出转矩正比于电枢电流的平方，在初始起动阶段，可以产生较大的感应力矩起动发动机，所以说非常适合汽车起动机。在该负载情况下可得IS=471A，该电流为在最低起动转速情况下的起动电流。

燃油汽车的最终传动比一般为8～10，而发动机的最低起动转速为60 r/min，故起动机的，最低起动转速为480～600 r/min，取最低起动转速为550 r/min，根据反电动势公式Ef= Ceφn，得在该转速下的反电势Ef=1.47 V。根据电压平衡方程U=Ef+ISR=1.47+3.52×0.015≈7 V。

故要E使汽车能够起动DC-DC变换器输出电压不能低于7V，这是汽车达到起动的最低要求。在起动机成功起动发动机后，此时直流电机电压达到额定电压12 V，电流下降至I=P/U=1 440/12=120 A左右。故在设计的变换器时，电压调节范围应控制在7～12 V。

3　电路仿真

3.1降压（Buck）变换器

输出电压和占空比：U0=12 V，DC=100%；U0=7.2 V，DC=60%

当L>LC时，则电感电流连续，故选择电感L=1.2×10-7H

由于IGBT击穿电压可达1 200 V，集电极最大饱和电流已超过1 500 A。由IGBT作为变频器容量达250 kVA以上，工作频率可达20 kHz，开关速度很快。因此开关原件选择IGBT比较合适。

图1　Buck变换器：DC=60%占空比UO=6.559V；输出电压

将占空比调为60%，理论输出电压应为7.2 V，实际输出电压只有6.559 V，分析原因可能由于IGBT和二极管存在导通压降还有内阻值得影响。

适当增大占空比，使输出电压大于7 V。实际输出电压为7.105 V，此时的占空比为65%。

图2　输出电压U0=7.105V波形图

从输出电压波形可以看出：经过约为0.002 s的时间，输出电压达到7.105 V，电压非常平直，纹波很小。能够达到设计要求。

但是当要求输出12 V时，将占空比调至接近最大值100%，输出电压仅为10.81 V。不能达到设计要求的额定电压。

3.2升降压（Buck-Boost）变换器

输出电压和占空比：U0=12 V，DC=50%；U0=7 V，DC=36.8%

当时，则电感电流连续，故选择电感L=1.2LC=1.9×10-7H

根据纹波要求计算电容：

故选取电感L=1.9×10-7H；电容C=1.25 F

将占空比调为37%，理论输出电压应为7 V，而实际输出电压只有5.431 V，由于Buck-Boost电路输出电压极性与输入电压相反，将电压表上负下正接负载两端一遍观察波形。

适当增大占空比，使输出电压大于7 V。实际输出电压为7.159 V，此时的占空比为45%

同样的，将占空比调为65%，输出电压应为11.94 V，可以达到输出电压的要求。

图3　Buck-Boost变换器DC=37%：占空比UO=5.431V；输出电压

图4　输出电压UO=11.94V

从输出电压波形可以看出：经过约为0.03 s的时间，输出电压达到11.94 V输出电压比较平直，从曲线的情况来看，输出电压比较平直，纹波很小。能够达到设计要求。

3.3丘克（Cuk）［6］变换器

输出电压和占空比：U0=12 V，DC=50%；U0=7 V，DC=36.8%与Buck-Boost变换器相同。由于Cuk电路输出电压极性与输入电压相反，将电压表上负下正接负载两端一遍观察波形。

调节占空比，使输出电压接近7 V。当占空比，输出电压

输出电压波形可以看出：经过约为0.06 s的时间，输出电压达到7 V，上升过程中有微小的抖动，上升时间比Buck和Buck-Boost略慢一些，但是仍然可以很快达到额定电压值。0.08 s后，输出电压几乎平直，纹波几乎为0。故Cuk能够达到设计要求［7］。

同样的，将占空比调为65%，输出电压应为12.12 V，可以达到输出电压的要求。

3.4仿真分析与方案选择

对以上3种方案进行逐一分析：首先，Buck变换器，由于其电压调节范围仅在7～10.81 V，最终无法达到汽车实际起动要求的额定电压值，故不能选用。其次，Buck-Boost变换器，输出电压纹波较小，电压上升时间也很快，并且解决了Buck变换器输出电压范围不够的问题，可以替代Buck变换器作为软起动电路。最后，Cuk变换器，与Buck-Boost变换器相比的优点是输入电流和输出电流纹波非常小，从而输出更加平直，但是电路更为复杂，需要足够大的储能电容。考虑汽车电池特性，我们需要一个输出稳定的电源，尽管调节时间略长，但在汽车起动过程中，小于0.1 s的达到额定电压的时间已经可以接受。选择Cuk电路作为软起动调压电路，是最适合的设计方案。

图5　Cuk变换器：DC=44%占空比UO=7.032V；输出电压

图6　输出电压UO=7.032V波形图

4　结束语

文中选用DC-DC变换器作为软起动电路，对3种软起动方案进行仿真对比，由于丘克Cuk变换器输入电流和输出电流纹波非常小，电压上升时间快，调压范围广等优点，最终确定使用丘克变换器的软起动方案。在汽车起动机软起动过程中，由于转速是连续平稳的缓慢增加而不是直接提升至额定值，故发动机机械特性很软，机械噪音大大降低，对发动机零件的磨损也大大减小，延长了发动机的寿命，具有一定的实际意义。

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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稿件编号：201510034

史丽鑫（1989—），男，河北石家庄人，硕士。研究方向：电力电子与电力传动。