何茜，鄧華

(安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥 230601)

燃油表設(shè)計(jì)改進(jìn)

何茜，鄧華

(安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥 230601)

汽車(chē)燃油表能夠準(zhǔn)確地測(cè)量和顯示油箱內(nèi)的燃油量，駕駛員根據(jù)燃油表的顯示值來(lái)判斷車(chē)輛的續(xù)航里程。由于很多車(chē)型燃油表軟件控制策略不完善，加之油箱的造型和安裝位置比較特殊，造成燃油表在車(chē)輛使用過(guò)程中出現(xiàn)指示偏差的現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶(hù)較大的抱怨。針對(duì)以上問(wèn)題，從儀表軟件邏輯及硬件電路著手進(jìn)行系統(tǒng)的分析和改進(jìn)，使儀表的指示精度和合理性有了極大的提高。

燃油表；控制邏輯；電路

0 引言

組合儀表是汽車(chē)中人機(jī)交互的界面，燃油表是組合儀表重要的組成部分，用于指示當(dāng)前油箱中燃油的剩余情況。燃油表應(yīng)指示正確，應(yīng)能準(zhǔn)確反映當(dāng)前油箱燃油的情況，以便順利、安全駕駛。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)收到燃油表指示不準(zhǔn)確的反饋甚至是抱怨。燃油表設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分考慮車(chē)輛的實(shí)際使用情況，例如斜坡路面停車(chē)或長(zhǎng)時(shí)間怠速、開(kāi)啟點(diǎn)火開(kāi)關(guān)進(jìn)行燃油加注等，同時(shí)也需要考慮油箱的結(jié)構(gòu)和安裝角度，形狀不規(guī)則的油箱在不同的路面或行駛工況下，燃油液面的變化量異常大，以上因素都會(huì)影響燃油表顯示的準(zhǔn)確性。作者針對(duì)實(shí)際工作中燃油表出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題，分析了影響燃油表準(zhǔn)確性的各種因素，從硬件電路、零部件的搭鐵、軟件控制策略及系統(tǒng)匹配等方面進(jìn)行改善，以保證燃油表指示的準(zhǔn)確性和合理性。

1 燃油指示系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

汽車(chē)燃油表是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)燃油箱油量在不同工況下正確、平穩(wěn)指示的裝置。燃油指示系統(tǒng)包含的零部件有油箱、燃油傳感器、線(xiàn)束、燃油表。

汽車(chē)的油箱油量檢測(cè)通常是水平檢測(cè)器即燃油傳感器來(lái)完成的，如圖1所示：當(dāng)油箱儲(chǔ)滿(mǎn)燃油時(shí)，浮標(biāo)動(dòng)臂升起，將電位器的阻值調(diào)至最小使燃油表的指針做滿(mǎn)標(biāo)度的偏轉(zhuǎn)；當(dāng)油箱中的油量水平下降時(shí)，電阻器的阻值被調(diào)高，流過(guò)系統(tǒng)回路的電流將隨之變化，燃油表的指針讀數(shù)也就變小。

圖1 燃油傳感器示意圖

1.2 工作原理

燃油表的采樣電路通過(guò)向燃油傳感器提供上拉電壓，將變化的阻值轉(zhuǎn)化為變化的電壓。5 V電源通過(guò)儀表芯片控制，周期為100 ms。變化的電壓信號(hào)輸入給燃油表微處理器的A/D端口轉(zhuǎn)化為數(shù)字采樣信號(hào)，微處理器通過(guò)預(yù)置的系統(tǒng)軟件，根據(jù)輸入燃油信號(hào)變化來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式和速度，從而帶動(dòng)燃油表指示正確的燃油位置。

圖2 燃油表接口電路

2 影響燃油表顯示不準(zhǔn)的因素

燃油系統(tǒng)組成的各個(gè)部分對(duì)燃油表的顯示都會(huì)存在影響。

2.1 油箱

隨著燃油量的變化，浮在燃油液面上的浮子也會(huì)跟著變化，帶動(dòng)燃油表的指針顯示燃油剩余量。由于浮子只能體現(xiàn)液位，然而油箱形狀卻不是規(guī)則的正方形，為了配合后座椅下方或行李箱尾端的結(jié)構(gòu)，油箱通常的形狀是上半部多少還能維持正方形，到了下半部就不得不萎縮成三角狀，因此到了下半部，其實(shí)體積比起上半部幾乎小了有一半之多，這也就是為何燃油表前半段指針移動(dòng)慢、過(guò)了1/2后就飛快下降的原因。

油箱的不規(guī)則形狀，如不對(duì)稱(chēng)的馬鞍形(左低右高)，由于采用橫向安裝方式，當(dāng)側(cè)傾時(shí)燃油液面變化量非常大，特別是左低右高時(shí)。若在油箱內(nèi)有一個(gè)與車(chē)身走向一致的防浪板，就可以保證燃油的液位變化相對(duì)較小，但此工藝生產(chǎn)水平要求高，成本高。同時(shí)若晃動(dòng)較激烈即燃油液位變化量較大，而儀表自身不做處理那變化將尤為明顯，油箱又有其不規(guī)則性，單純從油箱方面改善來(lái)解決燃油表的問(wèn)題很難實(shí)現(xiàn)。

2.2 燃油傳感器

燃油傳感器多為厚膜電阻式，主要由嵌入在機(jī)械托架上的厚膜電阻器、滑動(dòng)接觸片、浮子、法蘭盤(pán)及信號(hào)輸出插頭等部件構(gòu)成。其基本工作原理是浮子隨燃油液位變化方向產(chǎn)生循環(huán)位移，通過(guò)連動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑動(dòng)接觸片支架滑動(dòng)，滑動(dòng)接觸片支架帶動(dòng)接觸片與厚膜電阻器不同位置的導(dǎo)電帶對(duì)應(yīng)接通，形成一個(gè)由滑動(dòng)接觸片和導(dǎo)電帶輸出端構(gòu)成的電阻回路，按分段電阻的方式輸出形成采樣信號(hào)提供給外電路，與儀表采樣電路部分構(gòu)成完整采樣測(cè)量電路，通過(guò)儀表微處理器控制，驅(qū)動(dòng)儀表指針指示剩余燃油量，動(dòng)態(tài)提示給駕乘人員。該方式下，分段采樣值的切換主要是一種機(jī)械式的切換，即通過(guò)滑動(dòng)接觸片與厚膜電阻器上的導(dǎo)電帶連通的方式實(shí)現(xiàn)。

主要存在的問(wèn)題：

(1)厚膜電阻器需長(zhǎng)時(shí)間浸泡在燃油介質(zhì)中，導(dǎo)電帶表面易粘附雜質(zhì)，導(dǎo)致與滑動(dòng)接觸片接觸部分出現(xiàn)腐蝕或毛刺，呈現(xiàn)不同的高阻狀態(tài)，造成采樣輸出電阻出現(xiàn)偏差。

(2)裝配過(guò)程中人為彎曲改變浮子搖臂的彎度及安裝標(biāo)識(shí)，易造成燃油傳感器安裝錯(cuò)位，導(dǎo)致燃油表指示錯(cuò)誤。

(3)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，由于路況和行駛條件的影響，會(huì)經(jīng)常性出現(xiàn)燃油液面隨著路面不同行駛條件變化而大幅晃動(dòng)，導(dǎo)致輸出信號(hào)的大幅波動(dòng)，一般需在儀表電路中采取數(shù)字濾波的方式加以克服。

2.3 線(xiàn)束

燃油表接收的是燃油傳感器發(fā)過(guò)來(lái)的阻值信號(hào)，由于燃油傳感器和儀表不共地即有電壓差，則此阻值信號(hào)的偏差便會(huì)造成燃油表顯示不準(zhǔn)確。其改善措施如下：

(1)統(tǒng)一儀表線(xiàn)束接插件為進(jìn)口AMP 32pin接插件，保證線(xiàn)束接觸良好，避免產(chǎn)生接觸電阻影響儀表指示;

(2)油泵內(nèi)部線(xiàn)束連接方式由插接式改為焊接式，避免產(chǎn)生接觸電阻影響儀表指示;

(3)儀表、燃油傳感器共地(搭鐵)，解決儀表與燃油傳感器搭鐵不同引起電勢(shì)不同從而影響儀表指示；

(4)油泵地與燃油傳感器的分開(kāi)，避免大功率電機(jī)工作時(shí)影響燃油傳感器的輸出阻值；

(5)將油位傳感器和儀表的接地線(xiàn)束最短化。

2.4 燃油表控制邏輯

2.4.1 燃油信號(hào)及特性

信號(hào)通過(guò)pin腳輸入。燃油參數(shù)為電阻信號(hào)，阻值范圍依燃油傳感器而定，例如：0～350 Ω之間，燃油表指針的運(yùn)轉(zhuǎn)需要區(qū)分快速阻尼、中速阻尼及慢速阻尼。

2.4.2 燃油信號(hào)失效處理

當(dāng)線(xiàn)束懸空或儀表接收不到燃油傳感器的信號(hào)時(shí)，持續(xù)20 s后儀表指針指回到零位，并且沒(méi)有報(bào)警發(fā)生；當(dāng)線(xiàn)束重新接上或儀表又重新接收到信號(hào)時(shí)，持續(xù)20 s后儀表指針指回原來(lái)的位置；

當(dāng)燃油信號(hào)輸入對(duì)地時(shí)，持續(xù)20 s后儀表指針指回到零點(diǎn)，并且沒(méi)有報(bào)警發(fā)生；當(dāng)燃油信號(hào)輸入恢復(fù)正常持續(xù)20 s后，燃油表指針指回到原位置。

2.4.3 燃油報(bào)警指示燈

在IGN ON之后，燃油報(bào)警指示燈自檢常亮3 s。

當(dāng)油箱燃油量低于一定量且保持30 s以上時(shí)，儀表上的燃油報(bào)警指示燈需亮起。當(dāng)燃油量到燃油解報(bào)點(diǎn)(燃油量為V+4 L時(shí)對(duì)應(yīng)的阻值)以上時(shí)燃油報(bào)警燈將熄滅。

2.4.4 燃油表的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)蓄電池OFF及點(diǎn)火OFF時(shí),燃油表停在當(dāng)前位置；

當(dāng)蓄電池ON及點(diǎn)火OFF時(shí),燃油表回零位；

當(dāng)蓄電池OFF及點(diǎn)火ON時(shí),燃油表正常工作；

當(dāng)蓄電池ON及點(diǎn)火ON時(shí),燃油表正常工作。

燃油指針響應(yīng)：燃油表指針從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置指針運(yùn)動(dòng)為等時(shí)運(yùn)動(dòng)；在指針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，前期1/3 時(shí)間內(nèi)為加速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)行程為1/2，后期2/3 時(shí)間為減速運(yùn)動(dòng)。

2.4.5 控制邏輯

(1)快速開(kāi)關(guān)點(diǎn)火，坡上長(zhǎng)時(shí)間熄火再啟動(dòng)

正常ON電接通后(常電一直接通)，若T<8，不進(jìn)行采樣處理，響應(yīng)到記憶顯示位；若T≥8，進(jìn)行采樣處理，將最新阻值和記憶阻值進(jìn)行比較，再判斷其顯示位置，進(jìn)行相應(yīng)指示。

(2)正常點(diǎn)火、加油、正常行駛、上下坡處理

在1 s內(nèi)，采集最新阻值信號(hào)，計(jì)算出平均燃油量(燃油表顯示在ON電接通后的1 s內(nèi)保持零位)；將最新阻值與記憶的電阻值對(duì)比，最新阻值與記憶阻值的差值大于閾值容量時(shí),在2 s內(nèi)快速響應(yīng)到最新阻值對(duì)應(yīng)的顯示位；當(dāng)最新阻值與記憶阻值的差值小于閾值容量時(shí), 在2 s內(nèi)快速響應(yīng)到上次記憶顯示位，同時(shí)記憶此刻的阻值和顯示位；采集4 s內(nèi)的平均值，車(chē)速大于0且最新阻值大于記憶阻值，慢速響應(yīng)到最新位置；車(chē)速大于0或者車(chē)速為0且最新阻值小于記憶阻值時(shí)，響應(yīng)至記憶顯示位。

(3)ON擋加油，上坡不熄火

當(dāng)車(chē)速為0或丟失且在ON擋，等待3 s并記憶此時(shí)間段的平均值，當(dāng)最新阻值與記憶阻值的差值不大于閾值容量時(shí)，采用中速響應(yīng)到最新位置，當(dāng)最新阻值小于記憶阻值且沒(méi)有超過(guò)閾值則快速響應(yīng)至記憶顯示位。

(4)對(duì)于格數(shù)顯示的燃油表，當(dāng)燃油表最新阻值對(duì)應(yīng)的油量低于臨界值且延遲30 s后，燃油指示到下一格。

上文中用到的術(shù)語(yǔ)和定義如下：

閾值為10%油箱額定容積所對(duì)應(yīng)的燃油傳感器阻值；

采樣周期為100 ms；

T為ON OFF ON中OFF時(shí)間；

最新阻值為燃油傳感器最后采樣的阻值；

記憶顯示位為IGN斷電后，燃油表記憶當(dāng)前顯示位信息；

車(chē)速為0或丟失指車(chē)速CAN信號(hào)小于2 km/h，頻率信號(hào)小于3 km/h且持續(xù)時(shí)間大于0.5 s；

快速響應(yīng)指燃油表由點(diǎn)E運(yùn)行到點(diǎn)F全程需要2 s時(shí)的響應(yīng)速度；

中速響應(yīng)指燃油表由點(diǎn)E運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)F全程需20 s時(shí)的響應(yīng)速度；

慢速響應(yīng)指燃油表由點(diǎn)E運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)F全程需90 min時(shí)的響應(yīng)速度。

經(jīng)過(guò)以上的邏輯改善，靜態(tài)時(shí)通過(guò)快速阻尼迅速判斷出燃油變化量，然后指示到位，排除了加油后指針上升緩慢的問(wèn)題；動(dòng)態(tài)時(shí)，通過(guò)慢速阻尼和相關(guān)的校驗(yàn)參數(shù)，可以將路面顛簸、加減速、上下坡、轉(zhuǎn)彎時(shí)引起的燃油變化與真正的加油區(qū)別開(kāi)來(lái)，保證燃油表在行駛過(guò)程中沒(méi)有來(lái)回跳動(dòng)的現(xiàn)象。但目前策略中有一個(gè)還沒(méi)有解決的問(wèn)題點(diǎn)：當(dāng)行駛過(guò)程中油箱突然大量漏油(磕碰或是劃傷)、導(dǎo)致燃油在很短時(shí)間內(nèi)漏光(時(shí)間小于燃油表的慢阻尼時(shí)間90 min)，但是因?yàn)榇藭r(shí)有車(chē)速，儀表處于慢速阻尼狀態(tài)，不能立即切換到快速阻尼狀態(tài)，因此也就不能通過(guò)燃油表發(fā)現(xiàn)此時(shí)油箱快速漏油。不能切換快速阻尼的原因是：燃油箱快速漏油的狀態(tài)不能與車(chē)輛連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間爬坡的狀態(tài)區(qū)分開(kāi)(例如：盤(pán)山道連續(xù)上坡)。

2.5 燃油表的匹配

2.5.1 燃油指示系統(tǒng)參數(shù)

燃油指示系統(tǒng)參數(shù)包含有油箱參數(shù)、燃油傳感器參數(shù)和燃油表參數(shù)，具體如下：

(1)油箱參數(shù)包括油箱額定容積、油箱的不可抽容積、實(shí)際加油跳槍點(diǎn)容積、油位高度與對(duì)應(yīng)容積等；

(2)燃油傳感器參數(shù)包括油位高度與阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系等；

(3)燃油表參數(shù)包括空油位、滿(mǎn)油位、報(bào)警點(diǎn)、解報(bào)點(diǎn)、儀表刻度、紅區(qū)、校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量等。

2.5.2 燃油參數(shù)的設(shè)定

為滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，燃油表刻度的設(shè)計(jì)當(dāng)然越多越好，但考慮到燃油指示系統(tǒng)各零部件的制造偏差，燃油表刻度數(shù)量不宜過(guò)多，一般選擇8刻度。

燃油表參數(shù)的選擇是燃油表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，參數(shù)選擇的合理性直接影響終端用戶(hù)的滿(mǎn)意度，燃油表參數(shù)的選擇主要是確定燃油表的空油位點(diǎn)、報(bào)警點(diǎn)、解報(bào)點(diǎn)、滿(mǎn)油位點(diǎn)、紅區(qū)范圍及1/4刻度、3/8刻度、1/2刻度、5/8刻度、3/4刻度和7/8刻度。

(1)空油位參數(shù)的選擇。空油位點(diǎn)油箱容積并不是油箱的不可抽容積，由于相關(guān)的各零部件都存在制造偏差，為了避免燃油表在未指示到空油位時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)就自然熄火，空油位點(diǎn)油箱容積應(yīng)大于油箱的不可抽容積，一般情況下空油位點(diǎn)阻值為油箱的不可抽容積阻值與不可抽容積阻值的最大正偏差。

(2)報(bào)警點(diǎn)參數(shù)的選擇。報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置主要是為了告知用戶(hù)需要加油的信息，此時(shí)油箱的剩余油量應(yīng)足以供車(chē)輛行駛到最近的加油站補(bǔ)充燃油，一般情況下從儀表報(bào)警點(diǎn)到儀表首次指示到“E”刻度行車(chē)?yán)锍虘?yīng)能達(dá)到60 km左右，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可設(shè)置1/8刻度作為報(bào)警點(diǎn)；

(3)解報(bào)點(diǎn)參數(shù)的選擇。為避免報(bào)警指示燈來(lái)回閃爍，一般情況下解報(bào)點(diǎn)的容量為報(bào)警點(diǎn)容量加4 L；

(4)滿(mǎn)油位參數(shù)的選擇。由于各加油站加油時(shí)油壓有偏差，油箱內(nèi)部壓力各車(chē)輛也有偏差，所以滿(mǎn)油位點(diǎn)的容量并不是跳槍點(diǎn)油箱的容量，而應(yīng)該小于跳槍點(diǎn)油箱的容量，一般情況下滿(mǎn)油位點(diǎn)的阻值為跳槍點(diǎn)油箱的阻值與跳槍點(diǎn)油箱的阻值和的最大正偏差；

(5)紅區(qū)參數(shù)的選擇。設(shè)置紅區(qū)的目的是告訴駕駛員油箱所剩燃油已經(jīng)不多，駕駛員應(yīng)根據(jù)自己行駛的目的地確定是否補(bǔ)充燃油。這種需求是設(shè)置紅區(qū)的一個(gè)關(guān)鍵。一般情況下儀表指針進(jìn)入紅區(qū)后車(chē)輛應(yīng)至少可以行使60 km，即紅區(qū)設(shè)置應(yīng)大于等于報(bào)警點(diǎn)刻度，正常情況下設(shè)置在1/8刻度或者1/8刻度偏上；

(6)其余刻度點(diǎn)參數(shù)的選擇。8刻度燃油表存在10個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，正常情況下設(shè)置為“E”、報(bào)警點(diǎn)、解報(bào)點(diǎn)、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8和“F”點(diǎn)，而在兩點(diǎn)之間是通過(guò)軟件的線(xiàn)性計(jì)算設(shè)定，這對(duì)燃油傳感器提出了特殊的要求，即在沒(méi)有校準(zhǔn)點(diǎn)之間的阻值應(yīng)分別呈線(xiàn)性關(guān)系。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述改善燃油表指示的方法，已應(yīng)用到具體車(chē)型上，包括電器原理優(yōu)化(搭鐵點(diǎn)布置位置、回路接口平臺(tái)化等)、燃油表軟件策略?xún)?yōu)化(加入油量等對(duì)比判斷量，阻值記憶、顯示位記憶、判斷時(shí)間等)、車(chē)輛姿態(tài)/工況對(duì)燃油系統(tǒng)的影響(閾值的設(shè)定，燃油指示非線(xiàn)性變化等)、燃油表的匹配(空油位、報(bào)警點(diǎn)、滿(mǎn)有位的選取等)。根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)測(cè)試及市場(chǎng)反應(yīng)情況，改進(jìn)取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)路況下的準(zhǔn)確采樣、平穩(wěn)指示、反應(yīng)時(shí)間等要求，滿(mǎn)足了顧客對(duì)燃油表的要求。

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ResearchontheDesignoftheFuelMeter

HE Qian, DENG Hua

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

Automobile fuel meter can measure and display the flue quantity in the tank accurately, and the drive estimates how many kilometer that the vehicle can run. Because a good many of vehicles’ control strategy is not perfect, at the same time, the shape and installing position of tank are rather special, all of these result deviation of indication in the process of using, which make a lot of user’s complain. In view of the above problems, from the software logic and hardware circuit, systemic analysis and improvement were made, the display’s precision and rationality were greatly improved.

Fuel meter；Control logic；Circuit

U463.7+3

B

1674-1986(2017)09-057-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.014

2017-05-18

何茜(1985—)，女，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠?chē)儀表。E-mail：jachq1985@126.com。