基于坡度信號(hào)的燃油表算法設(shè)計(jì)與研究

王淑琴 李樸

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013；2.一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：燃油表 坡度 燃油油耗 仿真

1 前言

車輛在行駛過程中，燃油表和燃油信息分別是用戶日常使用過程中的重要設(shè)備和參數(shù)[1]。燃油表的功能是實(shí)時(shí)顯示油箱內(nèi)的剩余油量，同時(shí)提醒駕駛員及時(shí)加油，保證車輛行駛必須的燃油油量。

燃油表顯示值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)其性能的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。在使用過程中，燃油顯示不準(zhǔn)會(huì)讓用戶體驗(yàn)不佳，例如車輛在坡路怠速或行駛時(shí)油表顯示油量的上下波動(dòng)、加滿油后燃油指示不到滿油位等。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的燃油算法策略尤為重要。

2 傳統(tǒng)燃油表顯示系統(tǒng)

傳統(tǒng)燃油顯示系統(tǒng)的組成一般由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，組合儀表及燃油傳感器組成，見圖1。組合儀表獲取燃油傳感器的阻值信息及發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的燃油消耗信息，根據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算顯示燃油信息。一些車型由組合儀表僅采集燃油傳感器阻值信息進(jìn)行處理顯示，不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗信息。

圖1 燃油顯示系統(tǒng)組成

3 燃油表傳統(tǒng)算法策略

3.1 基于燃油傳感器阻值的策略

油箱內(nèi)剩余燃油量通過安裝在燃油箱內(nèi)的燃油傳感器進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果反饋給燃油表，燃油表根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波及阻尼計(jì)算并顯示油箱內(nèi)的剩余燃油量[2]。

燃油傳感器目前多采用浮子式，結(jié)構(gòu)以滑動(dòng)變阻器觸片為主，見圖2。車輛行駛會(huì)引起油位的變化，油位的變化會(huì)帶動(dòng)連桿浮子高度的變化，連桿浮子高度的變化會(huì)導(dǎo)致輸出阻值的變化，根據(jù)阻值與油位的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，可以計(jì)算得出當(dāng)前阻值對(duì)應(yīng)的油量，但此油量會(huì)變化迅速，不適宜直接顯示，需要有一個(gè)良好的算法策略保證燃油表顯示的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性。

圖2 燃油傳感器連桿變化原理

缺點(diǎn)：在坡路上怠速或行駛時(shí)指示會(huì)上下波動(dòng)。

3.2 基于燃油傳感器阻值+發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)消耗的策略

除獲取燃油傳感器阻值信息外，還引入發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗信息，兩個(gè)參數(shù)配合使用可以使燃油信息顯示更準(zhǔn)確。

缺點(diǎn)：此策略的基準(zhǔn)還是取決于燃油傳感器阻值信號(hào)，當(dāng)車輛在坡路加減油時(shí)，燃油表顯示值會(huì)不準(zhǔn)確。

4 基于坡度信號(hào)的燃油表算法策略

4.1 總體思路介紹

目前，車輛坡度信號(hào)的計(jì)算已經(jīng)相對(duì)比較成熟，且坡度信息已是汽車底盤制動(dòng)系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)中常用參數(shù)，故在燃油表策略中引入此參數(shù)不需車輛增加額外的工作。

燃油表算法策略引入坡度信號(hào)后的核心思想為：車輛靜止時(shí)，通過坡度信號(hào)和燃油傳感器阻值信號(hào)計(jì)算得出準(zhǔn)確的油箱剩余油量值Vr(n)，當(dāng)車輛行駛時(shí)，燃油表顯示值Vi(n)=Vr(n)-發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量。每一次車輛靜止時(shí)，通過獲取燃油傳感器阻值信號(hào)與坡度信號(hào)計(jì)算準(zhǔn)確的剩余燃油信息，根據(jù)此準(zhǔn)確的燃油量信息對(duì)目前正在顯示的燃油值進(jìn)行校準(zhǔn)，這種策略可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示油箱剩余油量信息。

4.2 基于坡度信號(hào)的燃油量計(jì)算

車型不同，油箱設(shè)計(jì)不同，導(dǎo)致坡度信號(hào)、燃油傳感器阻值和油箱油量三者之間沒有一個(gè)固定的關(guān)系，需要每個(gè)車型進(jìn)行適應(yīng)性標(biāo)定，標(biāo)定方法如下：

（1）首先確定一個(gè)標(biāo)定起始油量，記錄油量值及燃油傳感器阻值；

（2）逐一調(diào)整車輛角度，記錄各個(gè)角度下油量的變化值及對(duì)應(yīng)的阻值，完成表1的填寫；

表1 某一固定油量在各個(gè)坡度情況下的標(biāo)定表

表中：

ax—車輛下坡最大坡度；

βx—車輛上坡最大坡度；

αy、βy——車輛Y向（橫向）變化的最小及最大坡度；

spx—X向（縱向）角度標(biāo)定步長；

spy—Y向（橫向）角度標(biāo)定步長；

（3）改變油箱內(nèi)實(shí)際油量值，重復(fù)步驟（2）；

（4）得出各個(gè)油量值在各角度下的標(biāo)定結(jié)果后，尋找規(guī)律，得出坡度、阻值、油位對(duì)應(yīng)關(guān)系的公式，如果沒有規(guī)律得出公式，可以用查表的方式。

因?yàn)闆]有統(tǒng)一的規(guī)律，所以本文僅給出標(biāo)定方法。

4.3 信號(hào)輸入輸出關(guān)系圖

燃油表算法策略的輸入輸出關(guān)系見圖3。輸入信息主要考慮點(diǎn)火開關(guān)位置信號(hào)，車速信號(hào)（用于判斷車輛處于靜止還是行駛），坡度信號(hào)，燃油傳感器阻值信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗信號(hào)。輸出信息一個(gè)是燃油表顯示值，一個(gè)是油箱剩余油量值。

其中：

Pos_Ign—點(diǎn)火開關(guān)位置信號(hào)；

Veh_Speed—車輛行駛速度信號(hào)；

AX—車輛X向（縱向）坡路信號(hào)；

AY—車輛Y向（橫向）坡路信號(hào)；

Fuel_R—燃油傳感器阻值信號(hào)；

TFC—發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)加拖牧坷鄯e值；

TFC_Fault—發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)加拖牧啃盘?hào)是否正確的判斷變量；

Vr(n)—通過算法策略計(jì)算出的油箱剩余真實(shí)油量值；

Vi(n)—通過本文算法策略計(jì)算出的指示油量值。

圖3 輸入輸出關(guān)系

4.4 狀態(tài)流轉(zhuǎn)圖

在燃油算法策略中定義了5種狀態(tài)模式，各模式狀態(tài)流轉(zhuǎn)見圖4。

圖4 模式狀態(tài)流轉(zhuǎn)

其中：

模式1，StandbyMode：此種狀態(tài)是指點(diǎn)火開關(guān)IG OFF，但燃油表處于喚醒狀態(tài)時(shí)；

模式2，StaticMode：此種狀態(tài)是指點(diǎn)火開關(guān)處于IG ON狀態(tài)，但是車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)；

模式3，DrivingMode：此種狀態(tài)時(shí)指點(diǎn)火開關(guān)處于IG ON狀態(tài)，但是車輛處于行駛狀態(tài)；

模式4，ErrorMode：當(dāng)檢測(cè)到燃油傳感器阻值短路或斷路時(shí)，進(jìn)入此種狀態(tài)；

模式5，RMode：此種狀態(tài)表示完全依靠燃油傳感器阻值來進(jìn)行計(jì)算油箱剩余油量。

在狀態(tài)流轉(zhuǎn)圖中引入了如下配置參數(shù)，這些參數(shù)均存在EEPROM中：

●Fuel_SenRev_T—燃油傳感器阻值正常持續(xù)時(shí)間；

●Fuel_SenErr_T—燃油傳感器阻值故障持續(xù)時(shí)間；

●Fuel_VehMovSpeed—定義車輛處于行駛狀態(tài)的最低車速；

●Fuel_VehSta_T—車輛處于超低速態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

本文僅針對(duì)StandbyMode、StaticMode和 Driving-Mode3種狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析，因?yàn)槠渌麪顟B(tài)模式已經(jīng)是目前較成熟策略，本文不再贅述。

4.4.1 StandbyMode

此種狀態(tài)的主要工作是計(jì)算出燃油箱內(nèi)的真實(shí)油量值，因?yàn)榇朔N狀態(tài)車輛相對(duì)平穩(wěn)，所以計(jì)算出的剩余燃油量最為準(zhǔn)確。

在StandbyMode下，定義變量m，含義如下：

m=00—代表油箱油位為滿油位；

m=01—代表此狀態(tài)的油箱油位與上次熄火前計(jì)算的油箱剩余油量有變化，油箱進(jìn)行了加/減油；

m=11—代表此狀態(tài)的油箱油位與上次熄火前計(jì)算的油箱剩余油量無變化。

m的具體賦值見圖5。

圖5 變量m的賦值流程

其中：

V(0)—進(jìn)入StandbyMode時(shí)第一次計(jì)算得出的油箱剩余油量；

V(n)—進(jìn)入StandbyMode后實(shí)時(shí)計(jì)算得出的油箱剩余油量；

Fuel_FData—代表油箱最大容積；

Vi_sb—在StandbyMode下，計(jì)算出的燃油指示值；

Vr_sb—在StandbyMode下，計(jì)算出的油箱剩余油量；

Vi_sl—進(jìn)入StandbyMode前計(jì)算出的燃油指示值；

Vr_sl—進(jìn)入StandbyMode前計(jì)算出的油箱剩余油量；

Fuel_Chage_Data——燃油變化閾值。

4.4.2 StaticMode

進(jìn)入StaticMode前存在兩種狀態(tài)，即：Standby-Mode和DrivingMode。

（1）從StandbyMode進(jìn)入StaticMode

在此狀態(tài)，詳細(xì)算法流程見圖6。

圖6 從StandbyMode進(jìn)入StaticMode后的算法流程

其中：

V（n）—代表在StaticMode下通過燃油傳感器阻值及AX、AY實(shí)時(shí)計(jì)算得出的油箱中剩余油量值；

Leng（n）=TFC（n）-TFC（n-1）

Fuel_C_Diff—指示油量值和油箱剩余油量值之間的差值參數(shù)；

Fuel_C_Factor_1—油量油耗變量系數(shù)，用于使指示油量快速逼近油箱剩余油量，此值大于1；

Fuel_C_Factor_2—油量油耗變量系數(shù)，用于使指示油量慢慢逼近油箱剩余油量，此值小于1；

（2）從DrivingMode進(jìn)入StaticMode

在此狀態(tài)，詳細(xì)算法流程見圖7。

圖7 從DrivingMode進(jìn)入StaticMode后的算法流程

其中：

Vi_dr—Driving Mode進(jìn)入Static Mode時(shí)計(jì)算的指示油量值；

V（0）—Driving Mode進(jìn)入Static Mode時(shí)計(jì)算的油箱剩余油量的第一個(gè)值。

4.4.3 DrivingMode

定義進(jìn)入此模式前燃油指示位置及油箱剩余油量標(biāo)記為：Vi_st，Vr_st。

定義此模式下，油箱內(nèi)的油量通過坡度后算出的真實(shí)油量標(biāo)記為Vr_dr。

在DrivingMode狀態(tài)下，詳細(xì)的算法流程見圖8。

圖8 DrivingMode的算法流程

5MATLAB建模與仿真

以上針對(duì)基于坡度信號(hào)的燃油表算法策略進(jìn)行了詳細(xì)描述，本章節(jié)采用基于模型的設(shè)計(jì)方法，在沒有儀表底層軟、硬件的階段，借助于建模開發(fā)專業(yè)工具M(jìn)ATLAB/Simulink進(jìn)行算法模型的開發(fā)及驗(yàn)證。

車輛行駛過程中，上下坡及車輛行駛狀態(tài)均會(huì)影響燃油傳感器測(cè)量的剩余燃油值，如圖9。

圖9 上下坡及車輛行駛狀態(tài)對(duì)燃油傳感器測(cè)量值的影響

針對(duì)本文中提出的3種燃油算法策略（算法描述見3.1、3.2及第4章節(jié)）分別進(jìn)行了建模、驗(yàn)證及對(duì)比。策略1-基于燃油傳感器阻值與策略2-基于燃油傳感器阻值+發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗的對(duì)比如圖10。其中：

表示策略1結(jié)果；

表示策略2結(jié)果；

表示實(shí)際燃油剩余值；

可見上下坡時(shí)，策略1計(jì)算的剩余燃油會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，策略2規(guī)避了上下坡波動(dòng)的影響，但會(huì)引入瞬時(shí)油耗誤差積累值。

圖10 策略1與策略2計(jì)算剩余燃油量對(duì)比

策略2-基于燃油傳感器阻值+發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗與策略3-基于坡度信號(hào)的對(duì)比如下圖11。其中：

①表示實(shí)際燃油剩余值；

②表示策略2結(jié)果；

③表示策略3結(jié)果。

策略3在車輛靜止時(shí)，通過坡度信號(hào)計(jì)算真實(shí)油量以修正瞬時(shí)油耗積累誤差的影響。

圖11 策略2與策略3計(jì)算剩余油量對(duì)比

7 結(jié)束語

根據(jù)以上仿真結(jié)果對(duì)比，可以看出：基于坡路信號(hào)的燃油表算法策略有效地規(guī)避了上下坡路以及瞬時(shí)油耗誤差等影響燃油顯示準(zhǔn)確性的干擾因素，使燃油表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)得到了很好的體現(xiàn)，具有可操作性和易實(shí)現(xiàn)性。