汽车液晶仪表油量指示模块指示策略设计与模拟验证

张 威

（武汉交通职业学院，湖北 武汉，430065）

1 引言

汽车液晶仪表能够实时反馈整车油量信息，以提醒驾驶员做出合理的行程安排与加油判断。然而在维修实践中，主机厂及4S 店经常接到客户有关仪表油量指示异常问题的投诉与抱怨[1]，因此，在保证油量信号处理方法得当，硬件电路可靠的基础上，设计出更优的油量指示策略就显得尤为重要。

目前，汽车油量指示主要是通过步进电机来实现，就油量指示产品设计角度而言，大多数燃油指示策略均采用通用算法，严重影响了油量指示的准确性和稳定性，且无法适应复杂车况。国内外学者对油量指示模块的研究主要集中在油量传感器信号处理、油量指示系统硬件优化、组合仪表系统搭建等方面，而对油量指示策略的设计与模拟验证方面的研究较少。

汽车油量指示系统极为复杂，对其改进一般主要从系统硬件和软件两个方面进行。但是通过改进硬件来提高油量指示的准确性和稳定性难度较大，而通过制定优化、完善的油量指示策略具有成本低、可靠性高的优点。王国增[2]针对油量表指针在车辆急加速、转弯、上下坡等情况时严重摆动的问题，提出了对油量传感器信号进行滤波以及程序延迟的策略；Qiu S X[3]针对汽车仪表电子化后油量表在不同运行条件下指示值不准的问题，提出了分时采样、自动纠偏、阈值记忆、一阶处理滤波及指针响应控制策略；徐萌良[4]针对步进电机燃油指示不准，提出了指示的归零策略、标定策略，以及油量上电时和上电后的指示策略；邓华[5]在控制策略中对油量指示响应速度作出定义，分别为快速响应、中速响应、慢速响应，针对不同的车况执行不同的响应速度。

本文根据现有油量指示策略，并结合车辆行驶工况与路况，从油量指示策略的设计与模拟验证方面进行重点研究，力求制定出更加完善的油量指示策略。

2 油量指示模块指示策略设计

由于油量指示策略主要受IGN 状态、指针响应速度的影响，因此本文在制定指示策略前首先对其进行简要介绍。其次对上点火启动控制策略、上点火后指示策略、加油漏油指示策略进行了详细介绍。

2.1 油量指示系统IGN 状态判断

IGN 状态判断是制定油量指示策略的前提，因此本文根据不同的BAT 与IGN 上、下电状态，将车辆IGN 划分为如表1 所示三种状态。

表1 车辆IGN 状态

如表1 所示，本文将车辆IGN 状态划分为IGN ON 标定、IGN ON 及IGN OFF 三种状态，并设定相对应的IGN 状态值，下文中将直接采用相对应的状态值来表示相对应的IGN 状态。在上点火状态中，IGN ON 标定状态与IGN ON 状态的区别在于IGN ON 是首次上BAT 电。内存中没有记忆油量数据，从而与IGN ON 状态上点火时指示策略存在差异，因此将IGN 状态划分为IGN ON 标定与IGN ON 两种状态。

2.2 油量表指针响应速度

车辆行驶过程中燃油指示存在不同状态，为满足油量指示标准和驾驶员在不同情况下对燃油指示速度的要求[6]。将指针响应速度分为快速响应、中速响应和慢速响应三种情况，指针响应模式转换如图1 所示。

图1 指针响应模式转换图

1.快速响应：由IGN OFF 切换到IGN ON 时执行快速响应，油量表根据上电采集油量值和记忆油量比较差值小于设定阈值时用记忆值驱动，否则用上电采样值驱动，在5 秒内快速指示到位。

2.中速响应：IGN ON 车辆未行驶（即无车速）并触发加油后，油量表将进入中速响应模式。中速响应模式下从E 到满刻度F 响应时间为15s 内。

3.慢速响应：行车过程中（即有车速时）油量表指针进入慢速响应模式。慢速响应模式下从E 到满刻度F 响应时间为83.3min。

其中，t1为点火后指针必须快速响应到指示位置的时间；IGN OFF 为下点火；IGN ON 为上点火；n为发动机转速；V为车速；t2为中速响应时间；Fi为点火后采集的油量数据；F0为下点火时的油量记忆数据。

2.3 油量指示模块指示策略设计

油量指示策略主要包括上点火启动策略、上点火后策略、加油漏油策略、下点火油量记忆策略及油量信号异常与恢复策略。本文以上点火启动策略、上点火后策略、加油漏油策略为例进行介绍。设定IGN ON 标定时IGN 状态值为1，IGN ON 时IGN 状态值为2，IGN OFF 时IGN 状态值为3。

2.3.1 上点火启动指示策略

上点火启动指示策略根据不同的IGN 状态分为首次上点火启动和非首次上点火启动两部分：

①上BAT 电后首次IGN ON 或BAT 与IGN ON 同时上电时，首先判断油量数据是否有效，若有效则将油量阻值转换成油量体积值，再对油量体积值与本文设定的最大值进行比较，若大于设定的最大值则输出最大值，否则输出实际油量计算值。若IGN 状态值为1，则油量表指针快速响应到所确定的油量数据所对应的位置，同时将IGN状态值置为2。IGN ON 标定点火策略如图2 所示。

图2 首次上点火启动指示策略图

②在非首次点火状态时，首先判断油量数据是否有效，若有效则将油量阻值转换成油量体积值，再对油量体积值与本文设定的最大值进行比较，若大于设定的最大值则输出最大值，否则输出实际油量计算值。若IGN 状态值为2，则将上点火时采样的油量数据与上一次下点火时的记忆油量数据进行对比，若两者差值小于设定阈值（一般为油箱体积的12%左右），油量表指针将快速响应到上一次下点火时所记忆的油量指示位置，否则油量表指针将快速响应到上电时采样的油量数据的目标位置。

本文所提出的非首次点火时策略能有效解决点火时指针指示不准确、上下晃动的问题，该策略适用于IGN OFF 状态加油后启动、斜坡驻车启动及正常模式启动。非首次上点火启动指示策略如图3 所示。

图3 非首次上点火启动指示策略图

2.3.2 上点火后指示策略

车辆点火后油量表有两种状态，分别为车速大于0.5km/h 时的车辆行驶工况，以及车速小于0.5km/h 而发动机转速大于100r/min 的怠速工况。由于车辆行驶过程中存在颠簸、急加速、急减速、急转弯等情况，油量传感器采集到的信号存在较大误差，若直接采用实际油量值进行指示将会严重影响油量指示的平稳性和准确性。对此，本文主要采用慢速响应、自动纠偏、分段控制相结合的控制策略。因此，上点火后油量指示控制策略如图4所示。

图4 上点火后指示策略图

①当车辆处于IGN ON 状态且车速大于0.5km/h 时。在IGN 状态值为2 时，判断实时车速，若车速大于0.5km/h，则每间隔10s 将油量指示值与实际值进行比较。若当前指示油量小于10L 且指示值大于实际值，则指示值自减0.1L，若指示油量值大于10L 且指示值大于实际值，则指示值自减0.08L；若指示值小于或等于实际值，则保持油量指示位置不变，并记忆当前燃油指示值，同时将油量定时器清零。该策略能保证行车时油量数据准确及稳定地指示，同时采用分段策略能有效避免因特殊工况而导致出现指示值不为零而实际油量已经耗尽的问题。

②当车辆处于IGN ON 状态，且车速小于0.5km/h 以及发动机转速大于100r/min 时，则执行怠速指示策略，即每隔100s 将油量指示值与实际值进行比较，若指示值大于实际值则自减0.1L，否则指针指示保持不变，记录指示值并返回，同时将油量定时器清零。

2.3.3 加油漏油指示策略

车辆在IGN ON 情况下加油时会出现指示不准确、不及时的问题，对此本文结合了阈值控制、自动纠偏、阻尼响应时间控制等策略，制定如图5所示的加油漏油指示策略。

本文将油量加油状态值Oil_state 设定为0、1、2 三种状态。首先对车辆IGN 状态进行判断，若IGN 状态值为2，则通过对指示值与记忆值差值、油量记忆完成状态、Oil_state 状态值及车速进行判断。若不满足图5 所设定的条件，则Oil_state 状态值为0，执行非首次上点火后指示策略；若满足图5 中所设定的条件，则将Oil_state 值置为1，油量表快速指示到实际油量位置并将Oil_state 值置为2，从而执行中速响应模式，即每间隔50ms 对实际油量值与指示油量值进行比较，若燃油指示值大于实际值且两者差值大于0.16L，则指示值自减0.16L；若两者差值大于0.08L 且小于0.16L，则指示值自减0.08L；若两者差值大于0.04L 且小于0.08L，则指示值自减0.04L，否则指示值保持不变。若油量指示值小于实际值且两者差值大于0.16L，则指示值自加0.16L；若两者差值大于0.04L 且小于0.16L，那么指示值自加0.08L，否则指示值保持不变。

图5 加油漏油指示策略图

本文制定的IGN ON 状态下的加油漏油指示策略，能够实现指针及时地指示到实际油量位置，同时能够保证油量指示值的准确性和稳定性。

3 油量指示模块指示策略验证及结果分析

油量指示策略模拟验证包括瞬态验证和动态验证。模拟验证由常规测试（刻度盘指示准确性、阻尼时间准确性）、加油漏油测试、传感器异常及恢复测试、实际车况模拟测试四部分组成。

将油量信号制定为硬线输入信号，并采用滑动变阻器来模拟油量传感器采集的油量电阻信号，同时通过BUSMASTER 软件及的KVASER Leaf 工具来发送车速、发动机转速报文，实现对复杂车况的模拟。

3.1 油量指示策略的瞬态模拟验证

根据实际需求将油量表分为八等份，其中包括E、1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8、F 点。测试结果如表2 所示。

表2 刻度盘测试结果

3.2 油量指示策略的动态模拟验证

由于汽车行驶过程中车况极为复杂，基于该复杂车况，本文将动态过程中的指示策略分为上点火后油量指示策略、加油漏油策略两部分。下面将针对以上两部分制定模拟验证的方法，将实验样品分为A 和B 两组，样品A 和样品B 具体内容如表3 所示。其中样品B 是将样品A 中部分代码进行屏蔽后所得到的。

表3 模拟验证样品划分

3.2.1 加油漏油指示策略模拟验证方法及结果分析

针对IGN ON 怠速状态下加油工况，提出的模拟验证方法及评价标准如表4 所示，验证结果如图6 所示。当油量超过加油阈值时，样品A 的指示值才逐步增加，快速响应到实际油量计算值的位置，然后通过中速响应模式响应到稳定值24.02，而实际油量计算值为24，实际误差为0.02；而样品B 则在未超过加油阈值的情况下，油量指示值就不断增长，不符合实际应用要求，容易造成错误的加油判断，且样品B 最终的指示值为22.94，误差相比样品A 更大。因此，本文所采用的加油、漏油燃油指示策略能满足实际要求。

表4 加油漏油及上点火后燃油指示策略模拟验证方法

图6 IGN ON 加油工况模拟验证结果

3.2.2 上点火后模拟验证方法及测试结果分析

针对车辆行驶过程中经常出现的急转弯、急加速、急减速、上下坡及颠簸等情况，本文提出了油量增加、油量减少、油量波动三个模拟验证方案，以模拟行车过程中所存在的真实情况。具体的模拟方案如表4 所示，通过执行模拟方案所得验证结果如图7-9 所示。

图7 上电后油量增加工况模拟验证结果

①油量增加模拟验证结果分析

由图7 可知，在整个模拟过程中，样品A 数据并未发生改变，也不存在任何波动情况，数据平稳，实验结果符合本文所制定的上点火后指示策略的情况；而样品B 则出现了指示值上升的趋势，整个指示数据存在较大的波动，且指示值下降了1.4L。在工程应用中，不允许出现车辆在行驶过程中油量指示值上升的情况，以免给驾驶员带来不必要的困扰。通过上述验证模拟结果的对比分析可知，样品A 的误差相对较小，且指示更加稳定，不存在波动问题，能满足实际要求。

②油量减少模拟验证结果分析

由图8 可知，在整个模拟过程中，样品A 数据下降了3.7L，变化趋势平稳，没有出现波动情况；而样品B 的指示值则出现了较大波动，且最后数据下降了5.4L。通过上述模拟验证结果的对比分析可知，样品A 的数据误差更小，且数据整体趋势平稳，没有波动情况。

图8 上电后油量减少工况模拟验证结果

③油量颠簸模拟验证结果分析

由图9 可知，在整个模拟过程中，样品A 数据下降了1.3L，变化趋势更加平稳，没有出现任何情况；而样品B 的指示值下降了1.87L，误差相比样品A 更大，且数据存在较为明显的波动情况。综上，通过采用上表4 所示的模拟验证方法，分别对油量表上点火后存在的油量增加、油量减少、油量波动三种工况进行模拟验证。通过分析样品A和样品B 的实验结果可知，样品A 的误差比样品B 更小，且数据下降趋势平稳，均不存在数据波动的问题。因此，本文所制定的油量表上点火后指示策略能够满足实际项目需求，能够保证油量表在行车过程中准确、稳定地指示。

图9 上电后油量颠簸工况模拟验证结果

4 结论

本文针对汽车液晶仪表油量指示系统，从油量指示策略及模拟验证两方面进行了重点研究，主要得出如下结论：

（1）针对液晶仪表油量指示模块指示策略，首先对仪表的IGN 状态及指针响应速度进行定义，然后结合不同的IGN 状态与车辆行驶工况，提出了上点火启动指示策略、上点火后指示策略、加油漏油指示策略、下点火后油量记忆策略、油量信号异常及恢复指示策略，并以上点火启动指示策略、上点火后指示策略、加油漏油指示策略为例进行了介绍。所提出的指示策略相对完善，为油量准确、平稳地指示提供了软件支持。

（2）利用直流变阻箱改变油量输入阻值，并通过CAN 报文发送工具KVASER 发送车速、发动机转速报文来模拟不同工况下的实车环境，实现了对油量指示控制策略的验证，证明了所制定的油量指示策略的合理性。