汽车发动机启动电压激励源模型研究

梅燕

摘 要：汽车启动瞬间，整车电源电压波动剧烈。整车厂要求在这种电源波动情况下，整车电子产品需要有相应的保护措施，确保低压及电源振荡时工作性能仍然符合预期。传统的验证电子产品耐受电源电压干扰的性能需要实验资源支持，这给项目开发成本和时间带来负担。仿真验证产品电性能是传统设计验证方法的一个有力的补充。仿真验证的关键是要建立合乎规范和标准的启动电压激励模型。本文结合福特定义的汽车发动机冷、热启动时的电压波形，阐述了这类电压激励源模型的基本原理，建模和仿真方法。最后指出了电压激励源模型在验证电器模块电气性能的前瞻作用及其发展趋势。

关键词：冷启动 热启动 电压波动 电压激励模型 电压源迭加

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

汽車启动瞬间，整车电源电压波动剧烈。在汽车起动时，蓄电池要带动发动机旋转。在电磁开关S1接通的瞬间，因发动机电枢没有旋转，没有建立起反电动势，相当于发动机短路，发动主回路总电阻仅为十多毫欧，起动电流很大，极端的情况瞬间起动电流达1000A。不考虑其它因素，根据欧姆定律，理论计算，起动主回路中蓄电池内阻电压降即达到8V，蓄电池输出电压仅有5V左右。在这样的电源环境下，整车电器难以正常工作。

所以整车厂要求在这种电源波动情况下，整车各个电器模块需要有相应的保护措施，确保低压及电源振荡时产品工作性能仍然符合预期。在整车电子产品开发阶段，电源电压干扰测试模拟发生这种工况时电源线上电压的波动来验证产品的开发性能。例如福特汽车EMC测试规范中[1]，CI230用来测试电子产品在汽车冷启动时对电压波动的抗扰能力;在大众汽车电性能测试规范中[2]，operating voltage dips实验用来测试电子产品时对电压波动的抗扰能力。

通常情况下，验证系统对电源电压干扰的保护措施采用试错法[3]，就是通过不断的对系统进行符合标准和规范的电压干扰测试，然后持续修正测试过程中发现的设计的失误和不足，直到满足设计要求。这种方法可靠有效，但会导致开发时间、成本的巨大浪费。仿真验证系统性能是试验试错法的一个有力的补充。目前对测试系统模拟建模，通过仿真，在设计阶段验证电路设计的可靠性，不仅可以发现设计纰漏，优化完善设计，同时节省实验资源，节省成本。这种方法受业界普遍推崇。对于汽车启动电压波动干扰对电路系统的影响，仿真验证的关键是要建立合乎规范和标准的启动电压激励模型。

2 汽车启动电压激励源模型

汽车发动机启动有冷启动和热启动之分。整车厂对这两种启动有不同的定义。下面我们将根据福特定义的这两种启动方式下所产生的典型的电压波形，对汽车启动电压激励源的模型，在PSPice环境中进行分析和讨论。

2.1 冷启动

冷启动，是指发动机熄火一段时间后，发动机已经冷却，其温度远低于正常工作温度，机油也基本回流了，这时候再启动，就是冷启动了。

2.1.1 冷启动电压波形图

福特定义的冷启动时电压波动波形如图2所示[1]。

各个参数定义如下[1]：

2.1.2 冷启动电压激励源模型

冷启动电压激励源模型如图3所示。该模型建立采用电压源迭代的思路，在0-t1时间段的波形用脉冲电压源V1表示， t2-t3时间段的波形用脉冲电压源V2表示，t4时间段的波形用脉冲电压源V3表示，t5时间段的周期性振荡电压波形用正弦波电压源V4表示，t6时间段电压波形用脉冲电压源V5表示。其中TD是初始电压输出延时时间。

脉冲电压源的设置需要特别注意起始电压，终止电压，以及脉冲宽度的设置，以满足迭代后的电压值符合规范要求。电压源V1在延迟一段时间后（TD）从起始0V上升到UB，在UB时的脉冲宽度时t1; 电压源V2在适当时间补偿使整体电压跌落至U1，跌落时间t2，U1维持时间t3;电压源V3在适当时间补偿V1和V2的迭代电压，使整体电压上升至U2，上升时间t4，之后迭代入电压源V4，这是周期性振荡正弦电压波形。这些波形的迭代总和进入时间窗，在（t1+t2+t3+t4+t5）时间之后，输出稳定的直流电平U2，再通过电子缓存器迭代电压源V5，实现完整的冷启动时的电压波动信号输出。电阻RV模拟整车系统阻抗，与模拟负载Rload并联，默认值1M欧姆。电阻Ri模拟电源内阻，串联在电压波形输出端，默认值设置为0.02欧姆。

图4给出了PSPICE仿真波形结果（波形A）。在0.6s-1.1s时间段内波形放大如图5所示。

對比表1给出的典型时间间隔及电压峰值，可以看出该激励源模型可以得到准确的冷启动电压波形。

如果把信号源V1的输出延时改成0，同时在电压为UB时的脉冲宽度改成（TD+t1），那么就能得到波形图B的对应的电源电压波动仿真波形图了。如图6所示。

2.2 热启动

发动机维持在正常的工作温度附近，没下降多少，发动机摩擦面的机油还没回流，油膜还在，这时候再启动，就是热启动。Start/stop事件属于热启动。

Start/stop事件是为了提高能源利用率，降低汽车的油耗和排放，减少大气污染，汽车智能启停系统得到越来越广泛的应用。当汽车在行驶过程中临时停车时，动力传动系统将自动熄火;如果汽车继续运行，那么传动系统将重新启动发动机。Start/stop事件就发生在从发动机被智能启停电机系统关掉到发动机被快速重启，交流发电机重新上电整车电源分配系统这个时间段。

2.2.1 热启动电压波形图

福特定义的热启动start/stop电压波动波形如图7所示[4]。与冷启动CI230的波形对比来看，start/stop波形持续时间更长，波动更为频繁，但跌落最低电压值会略大于5V。该波形图由于时间分布较宽，并没有反映真实的时间比例关系。

热启动start/stop电压波形参数定义如表2所下[4]：

2.2.2 start/stop电压激励源模型

热启动start/stop激励源模型如图8所示。

热启动start/stop电源电压激励源模型设计思路与冷启动时激励源模型类似。但由于start/stop波形变化更加频繁，所以需要迭代更多的脉冲电压源以模拟电压的波动输出。具体建模思路这里不再做详细阐述。图10给出了PSPice仿真波形结果：

在0.8s-2s时间段内波形放大如图10所示。

对比表2给出的典型时间间隔及电压峰值，可以看出图8所示电源电压激励源模型可以得到准确的start/stop启动电压波形。

在实际应用中，这两种激励源模型中的Rload替换成实际电路设计的保护电路模型和负载模型。当CI230或start/stop电压作用在电源线上时，从负载端观察到的波形的电压-时间特性，可以分析出实际负载所承受的瞬态电压及瞬态功率，从而分析器件选型及设计应用的合理性。

电源电压激励源电路模型在Pspice中，通过全局变量定义各个参数，用户可以根据整车厂对冷热启动波形的时间和幅值的要求，自定义各个参数值。从这点上，该模型具有配置灵活的特征，扩展适配不同的需求。

3 结语

汽车启动时电压激励源模型可以在产品开发阶段，在实验之前，预先验证产品在低压及波动时的可靠性，实现EMC或电性能测试的数字转型，减少实验次数，提高实验的一次性通过率。因此建立有效的，精确的激励源模型是非常有必要的。

汽车源线上的电压干扰不仅局限于启动干扰，还有电源反接;车内感性负载关断;及各种开关、继电器及保险丝在开启或关闭时产生的脉冲群、抛负载[5]等干扰。模拟这些状况下的电压激励源模型同样有利于产品性能的预验证，这些将有着广泛的应用前景。

我们需要在模型模拟，仿真工具等方面进行技术革新和突破，一方面，有效减少新产品开发的成本，另一方面为汽车电子产品的可靠性研究提供有效保障。

参考文献：

[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，王艺泽，王源，系统级ESD激励源模型研究进展，微电子学，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.