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(chǎn)品需要有相應(yīng)的保護(hù)措施，確保低壓及電源振蕩時工作性能仍然符合預(yù)期。傳統(tǒng)的驗證電子產(chǎn)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(fā)成本和時間帶來負(fù)擔(dān)。仿真驗證產(chǎn)品電性能是傳統(tǒng)設(shè)計驗證方法的一個有力的補充。仿真驗證的關(guān)鍵是要建立合乎規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的啟動電壓激勵模型。本文結(jié)合福特定義的汽車發(fā)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(fā)展趨勢。

關(guān)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(fā)動機旋轉(zhuǎn)。在電磁開關(guān)S1接通的瞬間，因發(fā)動機電樞沒有旋轉(zhuǎn)，沒有建立起反電動勢，相當(dāng)于發(fā)動機短路，發(fā)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(dá)1000A。不考慮其它因素，根據(jù)歐姆定律，理論計算，起動主回路中蓄電池內(nèi)阻電壓降即達(dá)到8V，蓄電池輸出電壓僅有5V左右。在這樣的電源環(huán)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(yīng)的保護(hù)措施，確保低壓及電源振蕩時產(chǎn)品工作性能仍然符合預(yù)期。在整車電子產(chǎn)品開發(fā)階段，電源電壓干擾測試模擬發(fā)生這種工況時電源線上電壓的波動來驗證產(chǎn)品的開發(fā)性能。例如福特汽車EMC測試規(guī)范中[1]，CI230用來測試電子產(chǎn)品在汽車?yán)鋯訒r對電壓波動的抗擾能力;在大眾汽車電性能測試規(guī)范中[2]，operating voltage dips實驗用來測試電子產(chǎn)品時對電壓波動的抗擾能力。

通常情況下，驗證系統(tǒng)對電源電壓干擾的保護(hù)措施采用試錯法[3]，就是通過不斷的對系統(tǒng)進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的電壓干擾測試，然后持續(xù)修正測試過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計的失誤和不足，直到滿足設(shè)計要求。這種方法可靠有效，但會導(dǎo)致開發(fā)時間、成本的巨大浪費。仿真驗證系統(tǒng)性能是試驗試錯法的一個有力的補充。目前對測試系統(tǒng)模擬建模，通過仿真，在設(shè)計階段驗證電路設(shè)計的可靠性，不僅可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計紕漏，優(yōu)化完善設(shè)計，同時節(jié)省實驗資源，節(jié)省成本。這種方法受業(yè)界普遍推崇。對于汽車啟動電壓波動干擾對電路系統(tǒng)的影響，仿真驗證的關(guān)鍵是要建立合乎規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的啟動電壓激勵模型。

2 汽車啟動電壓激勵源模型

汽車發(fā)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(jù)福特定義的這兩種啟動方式下所產(chǎn)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(huán)境中進(jìn)行分析和討論。

2.1 冷啟動

冷啟動，是指發(fā)動機熄火一段時間后，發(fā)動機已經(jīng)冷卻，其溫度遠(yuǎn)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(shù)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(shè)置需要特別注意起始電壓，終止電壓，以及脈沖寬度的設(shè)置，以滿足迭代后的電壓值符合規(guī)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(dāng)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(dāng)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(jìn)入時間窗，在（t1+t2+t3+t4+t5）時間之后，輸出穩(wěn)定的直流電平U2，再通過電子緩存器迭代電壓源V5，實現(xiàn)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(tǒng)阻抗，與模擬負(fù)載Rload并聯(lián)，默認(rèn)值1M歐姆。電阻Ri模擬電源內(nèi)阻，串聯(lián)在電壓波形輸出端，默認(rèn)值設(shè)置為0.02歐姆。

圖4給出了PSPICE仿真波形結(jié)果（波形A）。在0.6s-1.1s時間段內(nèi)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(zhǔn)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(yīng)的電源電壓波動仿真波形圖了。如圖6所示。

2.2 熱啟動

發(fā)動機維持在正常的工作溫度附近，沒下降多少，發(fā)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(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)汽車在行駛過程中臨時停車時，動力傳動系統(tǒng)將自動熄火;如果汽車?yán)^續(xù)運行，那么傳動系統(tǒng)將重新啟動發(fā)動機。Start/stop事件就發(fā)生在從發(fā)動機被智能啟停電機系統(tǒng)關(guān)掉到發(fā)動機被快速重啟，交流發(fā)電機重新上電整車電源分配系統(tǒng)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(xù)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(guān)系。

熱啟動start/stop電壓波形參數(shù)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(shè)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(xì)闡述。圖10給出了PSPice仿真波形結(jié)果：

在0.8s-2s時間段內(nèi)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(zhǔn)確的start/stop啟動電壓波形。

在實際應(yīng)用中，這兩種激勵源模型中的Rload替換成實際電路設(shè)計的保護(hù)電路模型和負(fù)載模型。當(dāng)CI230或start/stop電壓作用在電源線上時，從負(fù)載端觀察到的波形的電壓-時間特性，可以分析出實際負(fù)載所承受的瞬態(tài)電壓及瞬態(tài)功率，從而分析器件選型及設(shè)計應(yīng)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(shù)，用戶可以根據(jù)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(shù)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(jié)語

汽車啟動時電壓激勵源模型可以在產(chǎn)品開發(fā)階段，在實驗之前，預(yù)先驗證產(chǎn)品在低壓及波動時的可靠性，實現(xiàn)EMC或電性能測試的數(shù)字轉(zhuǎn)型，減少實驗次數(shù)，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(nèi)感性負(fù)載關(guān)斷;及各種開關(guān)、繼電器及保險絲在開啟或關(guān)閉時產(chǎn)生的脈沖群、拋負(fù)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(chǎn)品性能的預(yù)驗證，這些將有著廣泛的應(yīng)用前景。

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

參考文獻(xiàn)：

[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(tǒng)級ESD激勵源模型研究進(jìn)展，微電子學(xué)，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.