一种汽车涉水智能保护系统的研究与应用

黄茜

柳州铁道职业技术学院 广西柳州市 545616

1 汽车涉水智能保护系统的研究现状与反思

近年来，因强降雨天气，造成众多汽车驻车时被积水浸泡、行车时因盲目涉水而熄火的事件屡有发生。汽车驻车被淹时，车辆在积水中的长时间浸泡会造成车辆高压分电系统潮湿、进水短路和车内各电器元件损坏的问题，大大影响了汽车的电器功能。在汽车涉水行驶通过积水路段时，由于驾乘人员对积水深度的错误判断而盲目涉水，发动机进水、或者因车辆涉水后的二次启动造成的发动机损坏，都会给车主带来巨大的经济损失。

1.1 传统汽车研究现状

为了解决因强降雨而造成的汽车涉水熄火和驻车被淹的问题，解决或减少汽车涉水问题给车主带来的经济损失，诸多学者对此进行了研究。

目前，用于汽车涉水的报警装置主要有单一功能的水位报警装置和组合式双重功能的涉水报警装置、关闭发动机的涉水报警系统三大类，缺乏系统、功能完整、能满足涉水行驶和停车驻车等不同条件下的涉水智能报警装置。

1.单一功能的水位报警装置

（1）汽车涉水报警装置。主要有液位传感器、报警装置、控制器和拨号设备组成。通过设置不同高度、不同位置的传感器，监测不同涉水深度，同时通过电信号连接报警装置与控制器。

主要解决了驾驶人员盲目涉水导致车辆熄火和强降雨导致车辆驻车被积水浸泡的问题。该装置结构简单，当涉水一旦达到第三液位传感器时，只能发出声音提醒，无法自动关闭发动机。

（2）车辆涉水深度自动报警装置,由液位检测装置、警示灯、报警器等构成。通过设置不同高度的电极与对应的电路连接，液位检测输出端连接报警器和警示信号灯，一旦超过涉水深度的预警值，将会发出声光提醒，有效防止发动机涉水问题。

存在问题：功能单一，仅能通过检测涉水深度，发出报警声，警示驾驶人员，报警装置无法自动关闭发动机。报警声音虽能提醒车主出现涉水情况，但是无法显示汽车的涉水具体深度。一旦汽车涉水达到一定危险值，电路不稳定，电机无法立即停止工作，仍会损害发动机，装置实用性较弱。

2.组合式双重功能涉水报警装置

一种汽车涉水远程报警装置的研制。该系统涵盖单片机控制系统、测距装置、通信电路等。除了进行水位监测，还可以在水位深度超过安全值时，远程报警提示车主，以便车主转移汽车，减少自身经济损失。通过单片机进行控制，整个装置体积减小、实现轻量化设计,价格实惠。

3.关闭发动机的涉水报警系统

该类系统主要通过水位传感器，探测水坑深度。当涉水深度达到一定预警值，报警模块将会发出警示，同时关闭发动机。解决了报警装置，仅发出提示而不能自动关闭发动机的问题，提高了整个装置的实用性。

存在问题：忽略了南方的特殊天气，强降雨多，容易造成汽车驻车时被积水浸泡、电器设备损坏的问题。在汽车驻车时，车辆在积水中的长时间浸泡会造成车辆高压分电系统潮湿、进水短路和车内各电器元件损坏的问题，大大影响了汽车的电器功能。

1.2 新能源汽车发展现状

除了传统燃油汽车，在涉水行驶和驻车淹车存在安全隐患。其他类型的汽车，也面临同样的问题：

①新能源汽车——纯电动汽车因其并没有传统的内燃机，不存在进气口和排气管，也就不会发生传统汽车涉水时操作不当所导致的发动机严重损坏。同时，电动车的电池、电机等硬件在出厂时就已经充分考虑了防水性能，因此其涉水性能相比传统汽车要好很多，但是除了电机、电池等硬件外，纯电动汽车的底盘悬架、制动系统等与传统汽车一致的地方，涉水行驶后也可能会产生与传统汽车一样的风险问题，同样有潜在的安全隐患。

②混合动力汽车——因其具备发动机，因此涉水行驶的潜在风险与传统汽车一致。

③搭载了无人驾驶系统的汽车——在涉水行驶时因其车身搭载的传感器数量相比非无人驾驶汽车更多，在非无人驾驶汽车上所能发生的隐患的基础上，更容易产生其他的安全隐患，比如传感器设备的短路、损坏，处理器、控制器的毁坏等等，甚至导致整个无人驾驶系统紊乱，给车内成员造成极大的安全威胁。

因而，为了解决不同因强降雨而造成的汽车涉水熄火和驻车被淹的问题，同时，适用于传统汽车、新能源汽车、混动汽车等不同车型，需要研发新一代汽车发动机涉水智能保护系统，通过自主判断车辆的行车与驻车状态，实现发动机涉水智能保护功能。当汽车驻车时，可以远程向车主发送报警信息。当汽车涉水行驶时，可以根据不同危险阶段的积水深度发出相应的多级报警提醒;并且，在水位达到指定高度时，能智能切断点火电路和启动电路，自主关闭发动机，实现智慧预警、智能管控和安全保护效果。

2 汽车涉水智能报警系统设计思路

当前，新能源汽车、汽车人工智能、汽车智能网联、无人驾驶等已经成为汽车研发的主流趋势。随着汽车工业的发展，传统汽车和新能源汽车保有量不断增加，设计一种人性化、精准化、智能化发动机涉水自动保护系统，是我们研究的主要方向。

通过设计研发这一新增的发动机涉水智能保护功能，确保各类新能源汽车、智能汽车、无人驾驶车辆在涉水情况下，既能保证车辆安全行驶，又能自动保护发动机，避免在熄火后发动机的二次启动，造成发动机的损坏，其现实作用非常巨大而有意义。该系统不仅可以在涉水途中，自动保护我们的发动机，还可以无差别的安装在所有传统汽车和新能源汽车上，此类车辆市场保有量巨大，市场推广价值很大。

3 汽车涉水智能保护系统设计

本项目主要开发一种新型发动机涉水自动保护系统，主要由发动机涉水智能关闭和发动机怠速启停功能的监测控制自动关闭两个部分构成。解决涉水熄火和驻车被淹问题。当遇到暴雨、积水等天气，一旦车辆涉水熄火和驻车被淹时，通过发动机智能保护系统，可以智能切断启动电路和点火电路，避免发动机在涉水状态下因人为启动或自主二次启动，造成损坏。更加人性化、精准化、智能化保护汽车发动机，延长汽车使用寿命，同时，广泛适用于所有传统汽车和新能源汽车，也适用于其他没有启停技术的发动机。覆盖面广、成本较低。具体内容如下：

3.1 系统设计原理

本系统方案的设计原理如下：一是在雨刮高速档的控制单元中串联一个发光二极管，当系统判断为雨刮高速档开始工作，则输出信号，则将怠速启停控制单元的继电器执行断开，怠速启停功能自动关闭。二是增加一个水位传感器，当地面积水达到设定的水位高度时系统发光报警提示，并通过控制模块，断开自动关闭怠速启停功能。水位传感器通过电路接入控制，控制模块再通过外部电路打开报警灯光并接入继电器。当水位传感器在路面积水到达设定水位后发出信号到单片机，单片机接收处理信号并输出信号，通过外部电路驱动继电器，控制继电器的开关，将启停按钮短接，实现了自动关闭发动机怠速启停的目的。

电路中，水位传感电路由水位监测电极A、B和电阻R1、晶体管V1组成；光报警、控制电路由晶体管V1～V4、电容C、电阻R1、R2、发光二极管VL和继电器KM组成。在地面积水未达到设定水位时，电极A、B之间的阻值较大，V1处于截止状态，发光报警电路不工作，VL不发光。当水位达到设定水位时，电极A、B通过水的电阻相连，使V1～V4导通，VL点亮;同时控制模块驱动继电器KM工作，触点K1闭合，将启动开关导通一次，关闭发动机。

改变电极A、B之间的距离，即可设定需要报警的水位。调整R1的阻值，可改变报警器动作的灵敏度。具体如图1所示：

图1 汽车水位监控工作示意图

3.2 系统设计方案

1．发动机涉水智能关闭保护

通过设计增加水位传感器和控制模块，在地面积水达到设定水位时发光报警提示，并通过控制模块，断开自动关闭发动机。该水位监控报警控制电路由水位监测电路和发光报警电路组成。水位信号通过电路接入控制，控制模块再通过外部电路打开报警灯光并接入继电器。当水位传感器在路面积水到达设定水位后发出信号到单片机，单片机接收处理信号并输出信号，通过外部电路驱动继电器，控制继电器的开关，实现了自动关闭发动机的目的。该水位监控报警控制电路由水位监测电路和发光报警电路组成。

（1）通过搭载水位传感器、控制器、执行器等，智能判断车辆的行车与驻车状态，对水位实时监测。当汽车涉水行驶时，可以根据不同危险等级的积水深度发出相应的多级报警提醒。并且，可以远程向车主发送报警信息。

（2）当水位传感器在路面积水到达设定水位后，发出信号到单片机，单片机接收处理信号并输出信号，通过外部电路驱动继电器，控制继电器的开关，自动关闭、保护发动机。

（3）通过设计的控制模块发光报警提醒驾驶员并自动将发动机启动系统关闭，同时实现自锁功能。通过加装一个继电器，切断信号的输出，避免发动机怠速启停系统反复开启关闭，实现自锁。从而避免特殊天气或极端条件下，发动机在涉水状态下突然熄火，因怠速启停系统工作自动启动发动机而造成的发动机严重损坏、大修，造成车辆的大幅贬值、给驾驶员带来巨大经济损失。

2．自动关闭发动机怠速启停功能的监测控制

目前我们的技术，无法感知当前的道路环境信息，发动机启停系统在大雨中因行进缓慢容易造成不必要的频繁启停问题，即需要设计一种监测控制系统用于自动关闭发动机怠速启停。通过监测控制系统对汽车的雨刮是否工作进行实时监控，判断雨刮的挡位（高速档位）是否在工作。一旦高速档位的雨刮开始运行，监测控制系统将立刻执行关闭怠速启停功能。从而避免特殊天气或极端条件下，发动机在涉水状态下突然熄火，因怠速启停系统工作自动启动发动机而造成的发动机严重损坏、大修，造成车辆的大幅贬值、给驾驶员带来巨大经济损失。

通过设计检测系统自动感应关闭发动机启停技术，避免发动机在涉水状态下二次启动，造成损坏。

系统通过光敏三极管接收到雨刮高速档工作的信息（雨刮工作在高速档是大暴雨的工作环境）。在雨刮高速档的控制单元中串联一个发光二极管，当系统判断为雨刮高速档开始工作，则输出信号，则将怠速启停控制单元的继电器执行闭合，怠速启停功能自动关闭。

4 解决的关键问题

通过研究一种汽车涉水发动机智能保护系统，使车辆在涉水途中，能够自主感知当前的环境信息，实现智慧预警、智能管控和安全保护，进一步提升用户驾乘体验。

图2 汽车涉水发动机智能保护系统

①实现驻车被淹远程提醒功能。当检测到车辆处于驻车状态时，单片机控制系统检测到水位可能威胁到汽车安全时，通过手机APP发送警示信息通知车主，实现远程报警。

②实现智能涉水报警功能。通过搭载水位传感器、控制器、执行器等，智能判断车辆的行车与驻车状态，对水位实时监测。当汽车涉水行驶时，可以根据不同危险等级的积水深度发出相应的多级报警提醒。并且，可以远程向车主发送报警信息。

③实现涉水自主保护功能。当水位传感器在路面积水到达设定水位后，发出信号到单片机，单片机接收处理信号并输出信号，通过外部电路驱动继电器，控制继电器的开关，自动关闭发动机怠速启停系统，避免发动机在涉水状态二次启动，造成其损毁，保护发动机。

同时，通过搭载多个智能网联传感器、控制器和执行器，融合智能通信与云端技术，全方位实现车车、车路、车云动态实时信息交互，实现人、车、路、云的智能协同，保证行驶安全，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的发动机涉水保护系统，实现安全、节能、舒适行驶的新一代智能汽车。

该系统性能可靠、成本低，适合在不同车型上推广应用。实现在涉水途中安全、方便、精准、智能保护发动机的效果。