膨脹水箱液位報警系統優化及應用

冷德龍，孫連明，蘇朋軍

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，吉林 長春 130011）

汽車發動機運行過程中，隨著冷卻系統水溫升高，散熱器中盛不下的冷卻液會回流到膨脹水箱，防止水箱壓力過高而損壞冷卻系零件；相反，膨脹水箱還可以在散熱器水溫過低時補充水位。所以，一般在膨脹水箱側壁上有一些刻度，用于檢查膨脹水箱的液位［1］。當膨脹水箱液位過低時將直接威脅到發動機的安全運行，所以在組合儀表中設計了報警指示燈，以便及時提醒駕駛員補充發動機冷卻液。膨脹水箱液位過低報警系統一般包括傳感器或液位開關、液位控制器、組合儀表，如圖1a所示。

實際上，駕駛員并不關注膨脹水箱中具體液位是多少，只要能夠在系統液位過低的時候得到有效提醒就足夠了。另外，為了降低成本，提高零部件功能集成度，將液位開關集成到膨脹水箱上，將液位控制器集成到儀表的信號采集電路中，實車采用的方案如圖1b所示。

但是，在實際應用過程中存在問題，主要表現為：天氣較冷或剛起動發動機時，組合儀表上出現了液位過低報警燈常亮的異常情況。本文首先分析問題產生的原因，并通過試驗復現問題現象。接下來針對問題原因提出兩種解決方案，并進行臺架試驗驗證方案的合理性，并且在實車得以應用，通過大量對標說明行業現狀。最后對膨脹水箱液位報警系統設計進行總結。

圖1 膨脹水箱液位報警系統原理圖

1 液位報警系統在應用中存在的問題

1.1 系統介紹

實車膨脹水箱液位開關采用雙金屬片形式，結構原理如圖2所示。其工作原理為：液位開關位于膨脹水箱下端，線束插接器直接連接在液位開關上。液位開關由兩段金屬極片構成，且外部覆蓋有工程塑料，金屬極片材料為321不銹鋼，工作原理就是利用冷卻液的導電性判斷當前液位是否過低。當液位正常時，金屬極片浸入冷卻液中，導通電阻在160 kΩ左右；當液位過低時，金屬極片從冷卻液中漏出，處于懸空狀態，達到報警條件。

相應地，組合儀表采樣端口接口電路如圖3所示。開關量采集，通過計算可知，當信號采樣端口電壓高于2.6 V時，液位報警信號電阻高于160 kΩ，此時對應液位過低狀態，進行報警。

圖2 雙金屬片液位開關結構原理圖

圖3 組合儀表液位報警采樣電路

1.2 問題原因分析

將故障車上的膨脹水箱拆下并將雙金屬片液位開關局部拆解，發現其中一個電極 （正極）明顯變黑，如圖4所示。化學成分分析結果表明金屬極片上變黑的附著物主要成分是炭，由于采樣接口電路對膨脹水箱始終施加一定的電壓，推測膨脹水箱內發生了電化學反應，使得雜質聚積在金屬極片上，影響了導電性，從而引起誤報警。

另外，通過圖4也看出，膨脹水箱內部環境并非很干凈，某些情況甚至雜質特別多，所以電化學反應問題是不得不考慮的問題。

圖4 金屬極片變黑示意圖

1.3 臺架試驗復現

根據整車線束原理搭建連接電路進行臺架測試，如圖5所示。以下試驗過程中，均采用新膨脹水箱進行試驗。

1）試驗一：常溫連續通電測試1周未復現，但是將膨脹水箱插接器拔掉，同時用萬用表測試雙金屬片兩端電壓，發現液體中存在電壓，并且逐漸減小，說明隨著對冷卻液通電施加電壓時間增加，液體內達到電平衡，此時導電性會逐漸下降；當拔掉外接線束，冷卻液又開始放電。圖6為雙金屬片液位開關兩側的電壓變化情況，說明液體“充放電”過程很快完成。由于液體中雜質較少，測試時間較短，所以問題并未直接復現。

圖5 臺架測試接線原理示意圖

圖6 液位開關兩側電壓變化

2）試驗二：常溫，通過更換儀表接口電路中電阻提高雙金屬片兩端電壓，連續通電測試1周，故障復現，此時用萬用表測試發現膨脹水箱兩端電壓確實達到了報警的臨界電壓，并且同樣存在試驗一中的放電現象。

3）試驗三：同時在常溫 （25℃）和低溫 （-30℃、-40℃）進行試驗，發現1h內低溫環境下的系統均出現了報警現象，結論匯總見表1。

表1 溫度對系統的影響

通過試驗復現了低溫下該液位報警系統存在的問題。同時驗證了電化學反應的存在，電極式液位開關在通直流電的情況下液體易發生電離，陰、陽離子分別向正、負極移動，吸附在電極的兩端，覆蓋在電極上，導致電極式液位開關失效。說明實際應用方案從原理方面存在問題，需要進行優化，改進液位報警系統。

2 液位報警系統優化設計

為了對現有系統進行優化，避免電化學問題的出現，除了比較成熟的交流電液位采集方法［2］外，我們另外設計了兩種方案：直流間歇供電液位采集、電液隔離液位采集，并進行了試驗驗證。

2.1 直流間歇供電液位采集

一般地，可采用振蕩器產生50～100 Hz的交流信號傳輸至傳感器端，進行檢測。此處，考慮現有產品更改工作量，設計了另外一種檢測原理，即直流間歇供電液位采集，并設計了兩種接口電路，如圖7所示。

圖7方案 （a）中，LQY-1為單片機的雙態端口，即該端口周期性為輸入端 （信號采集端）和輸出端 （低電平端）。這樣，當作為輸入端時，采集液位信號，當LQY-1端電壓超過2.5 V進行報警，此過程對電解液充電，液位極片上聚集正離子；當作為輸出端時，電解液放電，選擇合適的占空比，可避免電化學反應的累積效應。

圖7方案 （b）中，通過控制端控制上拉電壓的有效時機 （占空比10%左右），也可避免電化學反應的累積，達到可靠地進行液位報警的目的。

圖7 直流間歇供電液位采集接口電路

2.2 電液隔離液位采集

方案2.1中對信號采集電路進行了優化設計，除了接口優化設計，對傳感器進行隔離，實現與液位非接觸也是一種方案［3-4］。該方案從液位開關著手，通過電磁隔離避免電化學反應的產生。結構原理如圖8所示，干簧管有兩種狀態或兩種電阻值，分別對應正常液位和異常液位。當液位異常時，液體中的浮子會隨著液位下降從而觸發干簧管的異常狀態電阻值，從而被組合儀表采集到進行報警，通知駕駛員添加冷卻液。該方案原理從根本上對電液進行了隔離，避免了電化學反應的產生。

圖8 電液隔離液位采集結構原理

2.3 試驗驗證及應用對標

各試制3套樣件，參照圖5搭建臺架進行連續100 h試驗測試，以上兩種方案均可有效地監測膨脹水箱中的液位狀況，并且未發生誤報等異常情況。但是考慮到產品現狀，采用方案2.1。

對標市場上車型液位報警系統方案，采用方案情況匯總如表2所示。可以看出國外車型主流采用干簧管隔離方案，對于新設計車型可以考慮。

表2 市場車型液位報警系統方案對比

3 結論

通過分析現狀問題產生的原因，并通過試驗復現問題現象，驗證了問題根源。針對根本原因提出了兩種解決方案，并試驗驗證了方案的可行性，對現狀問題進行了改進。通過對標給出了行業現狀，提出新產品設計建議。同時為汽車行業、工業上的其他方面液位監控系統提供了借鑒。