燃油表設計改進

何茜，鄧華

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽合肥 230601)

燃油表設計改進

何茜，鄧華

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽合肥 230601)

汽車燃油表能夠準確地測量和顯示油箱內的燃油量，駕駛員根據(jù)燃油表的顯示值來判斷車輛的續(xù)航里程。由于很多車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，造成燃油表在車輛使用過程中出現(xiàn)指示偏差的現(xiàn)象，導致用戶較大的抱怨。針對以上問題，從儀表軟件邏輯及硬件電路著手進行系統(tǒng)的分析和改進，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

組合儀表是汽車中人機交互的界面，燃油表是組合儀表重要的組成部分，用于指示當前油箱中燃油的剩余情況。燃油表應指示正確，應能準確反映當前油箱燃油的情況，以便順利、安全駕駛。在實際的開發(fā)設計過程中，經常會收到燃油表指示不準確的反饋甚至是抱怨。燃油表設計過程中必須充分考慮車輛的實際使用情況，例如斜坡路面停車或長時間怠速、開啟點火開關進行燃油加注等，同時也需要考慮油箱的結構和安裝角度，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，以上因素都會影響燃油表顯示的準確性。作者針對實際工作中燃油表出現(xiàn)的常見問題，分析了影響燃油表準確性的各種因素，從硬件電路、零部件的搭鐵、軟件控制策略及系統(tǒng)匹配等方面進行改善，以保證燃油表指示的準確性和合理性。

1 燃油指示系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

汽車燃油表是實現(xiàn)汽車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、線束、燃油表。

汽車的油箱油量檢測通常是水平檢測器即燃油傳感器來完成的，如圖1所示：當油箱儲滿燃油時，浮標動臂升起，將電位器的阻值調至最小使燃油表的指針做滿標度的偏轉；當油箱中的油量水平下降時，電阻器的阻值被調高，流過系統(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向燃油傳感器提供上拉電壓，將變化的阻值轉化為變化的電壓。5 V電源通過儀表芯片控制，周期為100 ms。變化的電壓信號輸入給燃油表微處理器的A/D端口轉化為數(shù)字采樣信號，微處理器通過預置的系統(tǒng)軟件，根據(jù)輸入燃油信號變化來控制步進電機的運動方式和速度，從而帶動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的因素

燃油系統(tǒng)組成的各個部分對燃油表的顯示都會存在影響。

2.1 油箱

隨著燃油量的變化，浮在燃油液面上的浮子也會跟著變化，帶動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構，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慢、過了1/2后就飛快下降的原因。

油箱的不規(guī)則形狀，如不對稱的馬鞍形(左低右高)，由于采用橫向安裝方式，當側傾時燃油液面變化量非常大，特別是左低右高時。若在油箱內有一個與車身走向一致的防浪板，就可以保證燃油的液位變化相對較小，但此工藝生產水平要求高，成本高。同時若晃動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解決燃油表的問題很難實現(xiàn)。

2.2 燃油傳感器

燃油傳感器多為厚膜電阻式，主要由嵌入在機械托架上的厚膜電阻器、滑動接觸片、浮子、法蘭盤及信號輸出插頭等部件構成。其基本工作原理是浮子隨燃油液位變化方向產生循環(huán)位移，通過連動機構帶動滑動接觸片支架滑動，滑動接觸片支架帶動接觸片與厚膜電阻器不同位置的導電帶對應接通，形成一個由滑動接觸片和導電帶輸出端構成的電阻回路，按分段電阻的方式輸出形成采樣信號提供給外電路，與儀表采樣電路部分構成完整采樣測量電路，通過儀表微處理器控制，驅動儀表指針指示剩余燃油量，動態(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械式的切換，即通過滑動接觸片與厚膜電阻器上的導電帶連通的方式實現(xiàn)。

主要存在的問題：

(1)厚膜電阻器需長時間浸泡在燃油介質中，導電帶表面易粘附雜質，導致與滑動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)裝配過程中人為彎曲改變浮子搖臂的彎度及安裝標識，易造成燃油傳感器安裝錯位，導致燃油表指示錯誤。

(3)汽車在行駛過程中，由于路況和行駛條件的影響，會經常性出現(xiàn)燃油液面隨著路面不同行駛條件變化而大幅晃動，導致輸出信號的大幅波動，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 線束

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

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

(2)油泵內部線束連接方式由插接式改為焊接式，避免產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不同從而影響儀表指示；

(4)油泵地與燃油傳感器的分開，避免大功率電機工作時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束最短化。

2.4 燃油表控制邏輯

2.4.1 燃油信號及特性

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

2.4.2 燃油信號失效處理

當線束懸空或儀表接收不到燃油傳感器的信號時，持續(xù)20 s后儀表指針指回到零位，并且沒有報警發(fā)生；當線束重新接上或儀表又重新接收到信號時，持續(xù)20 s后儀表指針指回原來的位置；

當燃油信號輸入對地時，持續(xù)20 s后儀表指針指回到零點，并且沒有報警發(fā)生；當燃油信號輸入恢復正常持續(xù)20 s后，燃油表指針指回到原位置。

2.4.3 燃油報警指示燈

在IGN ON之后，燃油報警指示燈自檢常亮3 s。

當油箱燃油量低于一定量且保持30 s以上時，儀表上的燃油報警指示燈需亮起。當燃油量到燃油解報點(燃油量為V+4 L時對應的阻值)以上時燃油報警燈將熄滅。

2.4.4 燃油表的運動

當蓄電池OFF及點火OFF時,燃油表停在當前位置；

當蓄電池ON及點火OFF時,燃油表回零位；

當蓄電池OFF及點火ON時,燃油表正常工作；

當蓄電池ON及點火ON時,燃油表正常工作。

燃油指針響應：燃油表指針從當前位置運動到目標位置指針運動為等時運動；在指針運動過程中，前期1/3 時間內為加速運動，運動行程為1/2，后期2/3 時間為減速運動。

2.4.5 控制邏輯

(1)快速開關點火，坡上長時間熄火再啟動

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

(2)正常點火、加油、正常行駛、上下坡處理

在1 s內，采集最新阻值信號，計算出平均燃油量(燃油表顯示在ON電接通后的1 s內保持零位)；將最新阻值與記憶的電阻值對比，最新阻值與記憶阻值的差值大于閾值容量時,在2 s內快速響應到最新阻值對應的顯示位；當最新阻值與記憶阻值的差值小于閾值容量時, 在2 s內快速響應到上次記憶顯示位，同時記憶此刻的阻值和顯示位；采集4 s內的平均值，車速大于0且最新阻值大于記憶阻值，慢速響應到最新位置；車速大于0或者車速為0且最新阻值小于記憶阻值時，響應至記憶顯示位。

(3)ON擋加油，上坡不熄火

當車速為0或丟失且在ON擋，等待3 s并記憶此時間段的平均值，當最新阻值與記憶阻值的差值不大于閾值容量時，采用中速響應到最新位置，當最新阻值小于記憶阻值且沒有超過閾值則快速響應至記憶顯示位。

(4)對于格數(shù)顯示的燃油表，當燃油表最新阻值對應的油量低于臨界值且延遲30 s后，燃油指示到下一格。

上文中用到的術語和定義如下：

閾值為10%油箱額定容積所對應的燃油傳感器阻值；

采樣周期為100 ms；

T為ON OFF ON中OFF時間；

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，燃油表記憶當前顯示位信息；

車速為0或丟失指車速CAN信號小于2 km/h，頻率信號小于3 km/h且持續(xù)時間大于0.5 s；

快速響應指燃油表由點E運行到點F全程需要2 s時的響應速度；

中速響應指燃油表由點E運動到點F全程需20 s時的響應速度；

慢速響應指燃油表由點E運動到點F全程需90 min時的響應速度。

經過以上的邏輯改善，靜態(tài)時通過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題；動態(tài)時，通過慢速阻尼和相關的校驗參數(shù)，可以將路面顛簸、加減速、上下坡、轉彎時引起的燃油變化與真正的加油區(qū)別開來，保證燃油表在行駛過程中沒有來回跳動的現(xiàn)象。但目前策略中有一個還沒有解決的問題點：當行駛過程中油箱突然大量漏油(磕碰或是劃傷)、導致燃油在很短時間內漏光(時間小于燃油表的慢阻尼時間90 min)，但是因為此時有車速，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)，因此也就不能通過燃油表發(fā)現(xiàn)此時油箱快速漏油。不能切換快速阻尼的原因是：燃油箱快速漏油的狀態(tài)不能與車輛連續(xù)長時間爬坡的狀態(tài)區(qū)分開(例如：盤山道連續(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、實際加油跳槍點容積、油位高度與對應容積等；

(2)燃油傳感器參數(shù)包括油位高度與阻值的對應關系等；

(3)燃油表參數(shù)包括空油位、滿油位、報警點、解報點、儀表刻度、紅區(qū)、校準點數(shù)量等。

2.5.2 燃油參數(shù)的設定

為滿足用戶的需求，燃油表刻度的設計當然越多越好，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)量不宜過多，一般選擇8刻度。

燃油表參數(shù)的選擇是燃油表設計的關鍵，參數(shù)選擇的合理性直接影響終端用戶的滿意度，燃油表參數(shù)的選擇主要是確定燃油表的空油位點、報警點、解報點、滿油位點、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。空油位點油箱容積并不是油箱的不可抽容積，由于相關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發(fā)動機就自然熄火，空油位點油箱容積應大于油箱的不可抽容積，一般情況下空油位點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)報警點參數(shù)的選擇。報警點的設置主要是為了告知用戶需要加油的信息，此時油箱的剩余油量應足以供車輛行駛到最近的加油站補充燃油，一般情況下從儀表報警點到儀表首次指示到“E”刻度行車里程應能達到60 km左右，根據(jù)經驗可設置1/8刻度作為報警點；

(3)解報點參數(shù)的選擇。為避免報警指示燈來回閃爍，一般情況下解報點的容量為報警點容量加4 L；

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

(5)紅區(qū)參數(shù)的選擇。設置紅區(qū)的目的是告訴駕駛員油箱所剩燃油已經不多，駕駛員應根據(jù)自己行駛的目的地確定是否補充燃油。這種需求是設置紅區(qū)的一個關鍵。一般情況下儀表指針進入紅區(qū)后車輛應至少可以行使60 km，即紅區(qū)設置應大于等于報警點刻度，正常情況下設置在1/8刻度或者1/8刻度偏上；

(6)其余刻度點參數(shù)的選擇。8刻度燃油表存在10個校準點，正常情況下設置為“E”、報警點、解報點、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8和“F”點，而在兩點之間是通過軟件的線性計算設定，這對燃油傳感器提出了特殊的要求，即在沒有校準點之間的阻值應分別呈線性關系。

3 結束語

上述改善燃油表指示的方法，已應用到具體車型上，包括電器原理優(yōu)化(搭鐵點布置位置、回路接口平臺化等)、燃油表軟件策略優(yōu)化(加入油量等對比判斷量，阻值記憶、顯示位記憶、判斷時間等)、車輛姿態(tài)/工況對燃油系統(tǒng)的影響(閾值的設定，燃油指示非線性變化等)、燃油表的匹配(空油位、報警點、滿有位的選取等)。根據(jù)實車試驗測試及市場反應情況，改進取得了良好的效果，實現(xiàn)了各個路況下的準確采樣、平穩(wěn)指示、反應時間等要求，滿足了顧客對燃油表的要求。

[1]陳建強,田松.汽車電子燃油表的設計與匹配[J].汽車零部件，2012(11):81-85. CHEN J Q,TIAN S.Design and Matching of Automotive Electronic Fuel Meter[J].Automobile Parts,2012(11):81-85.

[2]邱淑賢,張瑛，朱梓豪.汽車電子燃油表控制策略研究. 吉林大學學報(信息科學版),2010,28(3):280-283. QIU S X,ZHANG Y,ZHU Z H.Research on Control Strategy of Automotive Electronic Fuel Meter[J].Journal of Jilin University(Information Science Edition),2010,28(3):280-283.

[3]張英平,楊一川.燃油表指示問題的算法研究和設計[J].吉林師范大學學報(自然科學版),2008,29(2):73-74. ZHANG Y P,YANG Y C.The Algorithmic Research and Design in Indication of Fuel Gauge[J].Jilin Normal University Journal(Natural Science Edition),2008,29(2):73-74.

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，研究方向為汽車儀表。E-mail：jachq1985@126.com。