一種汽車涉水智能保護系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃茜

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州市 545616

1 汽車涉水智能保護系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與反思

近年來，因強降雨天氣，造成眾多汽車駐車時被積水浸泡、行車時因盲目涉水而熄火的事件屢有發(fā)生。汽車駐車被淹時，車輛在積水中的長時間浸泡會造成車輛高壓分電系統(tǒng)潮濕、進水短路和車內(nèi)各電器元件損壞的問題，大大影響了汽車的電器功能。在汽車涉水行駛通過積水路段時，由于駕乘人員對積水深度的錯誤判斷而盲目涉水，發(fā)動機進水、或者因車輛涉水后的二次啟動造成的發(fā)動機損壞，都會給車主帶來巨大的經(jīng)濟損失。

1.1 傳統(tǒng)汽車研究現(xiàn)狀

為了解決因強降雨而造成的汽車涉水熄火和駐車被淹的問題，解決或減少汽車涉水問題給車主帶來的經(jīng)濟損失，諸多學(xué)者對此進行了研究。

目前，用于汽車涉水的報警裝置主要有單一功能的水位報警裝置和組合式雙重功能的涉水報警裝置、關(guān)閉發(fā)動機的涉水報警系統(tǒng)三大類，缺乏系統(tǒng)、功能完整、能滿足涉水行駛和停車駐車等不同條件下的涉水智能報警裝置。

1.單一功能的水位報警裝置

（1）汽車涉水報警裝置。主要有液位傳感器、報警裝置、控制器和撥號設(shè)備組成。通過設(shè)置不同高度、不同位置的傳感器，監(jiān)測不同涉水深度，同時通過電信號連接報警裝置與控制器。

主要解決了駕駛?cè)藛T盲目涉水導(dǎo)致車輛熄火和強降雨導(dǎo)致車輛駐車被積水浸泡的問題。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，當涉水一旦達到第三液位傳感器時，只能發(fā)出聲音提醒，無法自動關(guān)閉發(fā)動機。

（2）車輛涉水深度自動報警裝置,由液位檢測裝置、警示燈、報警器等構(gòu)成。通過設(shè)置不同高度的電極與對應(yīng)的電路連接，液位檢測輸出端連接報警器和警示信號燈，一旦超過涉水深度的預(yù)警值，將會發(fā)出聲光提醒，有效防止發(fā)動機涉水問題。

存在問題：功能單一，僅能通過檢測涉水深度，發(fā)出報警聲，警示駕駛?cè)藛T，報警裝置無法自動關(guān)閉發(fā)動機。報警聲音雖能提醒車主出現(xiàn)涉水情況，但是無法顯示汽車的涉水具體深度。一旦汽車涉水達到一定危險值，電路不穩(wěn)定，電機無法立即停止工作，仍會損害發(fā)動機，裝置實用性較弱。

2.組合式雙重功能涉水報警裝置

一種汽車涉水遠程報警裝置的研制。該系統(tǒng)涵蓋單片機控制系統(tǒng)、測距裝置、通信電路等。除了進行水位監(jiān)測，還可以在水位深度超過安全值時，遠程報警提示車主，以便車主轉(zhuǎn)移汽車，減少自身經(jīng)濟損失。通過單片機進行控制，整個裝置體積減小、實現(xiàn)輕量化設(shè)計,價格實惠。

3.關(guān)閉發(fā)動機的涉水報警系統(tǒng)

該類系統(tǒng)主要通過水位傳感器，探測水坑深度。當涉水深度達到一定預(yù)警值，報警模塊將會發(fā)出警示，同時關(guān)閉發(fā)動機。解決了報警裝置，僅發(fā)出提示而不能自動關(guān)閉發(fā)動機的問題，提高了整個裝置的實用性。

存在問題：忽略了南方的特殊天氣，強降雨多，容易造成汽車駐車時被積水浸泡、電器設(shè)備損壞的問題。在汽車駐車時，車輛在積水中的長時間浸泡會造成車輛高壓分電系統(tǒng)潮濕、進水短路和車內(nèi)各電器元件損壞的問題，大大影響了汽車的電器功能。

1.2 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

除了傳統(tǒng)燃油汽車，在涉水行駛和駐車淹車存在安全隱患。其他類型的汽車，也面臨同樣的問題：

①新能源汽車——純電動汽車因其并沒有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，不存在進氣口和排氣管，也就不會發(fā)生傳統(tǒng)汽車涉水時操作不當所導(dǎo)致的發(fā)動機嚴重損壞。同時，電動車的電池、電機等硬件在出廠時就已經(jīng)充分考慮了防水性能，因此其涉水性能相比傳統(tǒng)汽車要好很多，但是除了電機、電池等硬件外，純電動汽車的底盤懸架、制動系統(tǒng)等與傳統(tǒng)汽車一致的地方，涉水行駛后也可能會產(chǎn)生與傳統(tǒng)汽車一樣的風(fēng)險問題，同樣有潛在的安全隱患。

②混合動力汽車——因其具備發(fā)動機，因此涉水行駛的潛在風(fēng)險與傳統(tǒng)汽車一致。

③搭載了無人駕駛系統(tǒng)的汽車——在涉水行駛時因其車身搭載的傳感器數(shù)量相比非無人駕駛汽車更多，在非無人駕駛汽車上所能發(fā)生的隱患的基礎(chǔ)上，更容易產(chǎn)生其他的安全隱患，比如傳感器設(shè)備的短路、損壞，處理器、控制器的毀壞等等，甚至導(dǎo)致整個無人駕駛系統(tǒng)紊亂，給車內(nèi)成員造成極大的安全威脅。

因而，為了解決不同因強降雨而造成的汽車涉水熄火和駐車被淹的問題，同時，適用于傳統(tǒng)汽車、新能源汽車、混動汽車等不同車型，需要研發(fā)新一代汽車發(fā)動機涉水智能保護系統(tǒng)，通過自主判斷車輛的行車與駐車狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)動機涉水智能保護功能。當汽車駐車時，可以遠程向車主發(fā)送報警信息。當汽車涉水行駛時，可以根據(jù)不同危險階段的積水深度發(fā)出相應(yīng)的多級報警提醒;并且，在水位達到指定高度時，能智能切斷點火電路和啟動電路，自主關(guān)閉發(fā)動機，實現(xiàn)智慧預(yù)警、智能管控和安全保護效果。

2 汽車涉水智能報警系統(tǒng)設(shè)計思路

當前，新能源汽車、汽車人工智能、汽車智能網(wǎng)聯(lián)、無人駕駛等已經(jīng)成為汽車研發(fā)的主流趨勢。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)汽車和新能源汽車保有量不斷增加，設(shè)計一種人性化、精準化、智能化發(fā)動機涉水自動保護系統(tǒng)，是我們研究的主要方向。

通過設(shè)計研發(fā)這一新增的發(fā)動機涉水智能保護功能，確保各類新能源汽車、智能汽車、無人駕駛車輛在涉水情況下，既能保證車輛安全行駛，又能自動保護發(fā)動機，避免在熄火后發(fā)動機的二次啟動，造成發(fā)動機的損壞，其現(xiàn)實作用非常巨大而有意義。該系統(tǒng)不僅可以在涉水途中，自動保護我們的發(fā)動機，還可以無差別的安裝在所有傳統(tǒng)汽車和新能源汽車上，此類車輛市場保有量巨大，市場推廣價值很大。

3 汽車涉水智能保護系統(tǒng)設(shè)計

本項目主要開發(fā)一種新型發(fā)動機涉水自動保護系統(tǒng)，主要由發(fā)動機涉水智能關(guān)閉和發(fā)動機怠速啟停功能的監(jiān)測控制自動關(guān)閉兩個部分構(gòu)成。解決涉水熄火和駐車被淹問題。當遇到暴雨、積水等天氣，一旦車輛涉水熄火和駐車被淹時，通過發(fā)動機智能保護系統(tǒng)，可以智能切斷啟動電路和點火電路，避免發(fā)動機在涉水狀態(tài)下因人為啟動或自主二次啟動，造成損壞。更加人性化、精準化、智能化保護汽車發(fā)動機，延長汽車使用壽命，同時，廣泛適用于所有傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，也適用于其他沒有啟停技術(shù)的發(fā)動機。覆蓋面廣、成本較低。具體內(nèi)容如下：

3.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

本系統(tǒng)方案的設(shè)計原理如下：一是在雨刮高速檔的控制單元中串聯(lián)一個發(fā)光二極管，當系統(tǒng)判斷為雨刮高速檔開始工作，則輸出信號，則將怠速啟停控制單元的繼電器執(zhí)行斷開，怠速啟停功能自動關(guān)閉。二是增加一個水位傳感器，當?shù)孛娣e水達到設(shè)定的水位高度時系統(tǒng)發(fā)光報警提示，并通過控制模塊，斷開自動關(guān)閉怠速啟停功能。水位傳感器通過電路接入控制，控制模塊再通過外部電路打開報警燈光并接入繼電器。當水位傳感器在路面積水到達設(shè)定水位后發(fā)出信號到單片機，單片機接收處理信號并輸出信號，通過外部電路驅(qū)動繼電器，控制繼電器的開關(guān)，將啟停按鈕短接，實現(xiàn)了自動關(guān)閉發(fā)動機怠速啟停的目的。

電路中，水位傳感電路由水位監(jiān)測電極A、B和電阻R1、晶體管V1組成；光報警、控制電路由晶體管V1～V4、電容C、電阻R1、R2、發(fā)光二極管VL和繼電器KM組成。在地面積水未達到設(shè)定水位時，電極A、B之間的阻值較大，V1處于截止狀態(tài)，發(fā)光報警電路不工作，VL不發(fā)光。當水位達到設(shè)定水位時，電極A、B通過水的電阻相連，使V1～V4導(dǎo)通，VL點亮;同時控制模塊驅(qū)動繼電器KM工作，觸點K1閉合，將啟動開關(guān)導(dǎo)通一次，關(guān)閉發(fā)動機。

改變電極A、B之間的距離，即可設(shè)定需要報警的水位。調(diào)整R1的阻值，可改變報警器動作的靈敏度。具體如圖1所示：

圖1 汽車水位監(jiān)控工作示意圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

1．發(fā)動機涉水智能關(guān)閉保護

通過設(shè)計增加水位傳感器和控制模塊，在地面積水達到設(shè)定水位時發(fā)光報警提示，并通過控制模塊，斷開自動關(guān)閉發(fā)動機。該水位監(jiān)控報警控制電路由水位監(jiān)測電路和發(fā)光報警電路組成。水位信號通過電路接入控制，控制模塊再通過外部電路打開報警燈光并接入繼電器。當水位傳感器在路面積水到達設(shè)定水位后發(fā)出信號到單片機，單片機接收處理信號并輸出信號，通過外部電路驅(qū)動繼電器，控制繼電器的開關(guān)，實現(xiàn)了自動關(guān)閉發(fā)動機的目的。該水位監(jiān)控報警控制電路由水位監(jiān)測電路和發(fā)光報警電路組成。

（1）通過搭載水位傳感器、控制器、執(zhí)行器等，智能判斷車輛的行車與駐車狀態(tài)，對水位實時監(jiān)測。當汽車涉水行駛時，可以根據(jù)不同危險等級的積水深度發(fā)出相應(yīng)的多級報警提醒。并且，可以遠程向車主發(fā)送報警信息。

（2）當水位傳感器在路面積水到達設(shè)定水位后，發(fā)出信號到單片機，單片機接收處理信號并輸出信號，通過外部電路驅(qū)動繼電器，控制繼電器的開關(guān)，自動關(guān)閉、保護發(fā)動機。

（3）通過設(shè)計的控制模塊發(fā)光報警提醒駕駛員并自動將發(fā)動機啟動系統(tǒng)關(guān)閉，同時實現(xiàn)自鎖功能。通過加裝一個繼電器，切斷信號的輸出，避免發(fā)動機怠速啟停系統(tǒng)反復(fù)開啟關(guān)閉，實現(xiàn)自鎖。從而避免特殊天氣或極端條件下，發(fā)動機在涉水狀態(tài)下突然熄火，因怠速啟停系統(tǒng)工作自動啟動發(fā)動機而造成的發(fā)動機嚴重損壞、大修，造成車輛的大幅貶值、給駕駛員帶來巨大經(jīng)濟損失。

2．自動關(guān)閉發(fā)動機怠速啟停功能的監(jiān)測控制

目前我們的技術(shù)，無法感知當前的道路環(huán)境信息，發(fā)動機啟停系統(tǒng)在大雨中因行進緩慢容易造成不必要的頻繁啟停問題，即需要設(shè)計一種監(jiān)測控制系統(tǒng)用于自動關(guān)閉發(fā)動機怠速啟停。通過監(jiān)測控制系統(tǒng)對汽車的雨刮是否工作進行實時監(jiān)控，判斷雨刮的擋位（高速檔位）是否在工作。一旦高速檔位的雨刮開始運行，監(jiān)測控制系統(tǒng)將立刻執(zhí)行關(guān)閉怠速啟停功能。從而避免特殊天氣或極端條件下，發(fā)動機在涉水狀態(tài)下突然熄火，因怠速啟停系統(tǒng)工作自動啟動發(fā)動機而造成的發(fā)動機嚴重損壞、大修，造成車輛的大幅貶值、給駕駛員帶來巨大經(jīng)濟損失。

通過設(shè)計檢測系統(tǒng)自動感應(yīng)關(guān)閉發(fā)動機啟停技術(shù)，避免發(fā)動機在涉水狀態(tài)下二次啟動，造成損壞。

系統(tǒng)通過光敏三極管接收到雨刮高速檔工作的信息（雨刮工作在高速檔是大暴雨的工作環(huán)境）。在雨刮高速檔的控制單元中串聯(lián)一個發(fā)光二極管，當系統(tǒng)判斷為雨刮高速檔開始工作，則輸出信號，則將怠速啟停控制單元的繼電器執(zhí)行閉合，怠速啟停功能自動關(guān)閉。

4 解決的關(guān)鍵問題

通過研究一種汽車涉水發(fā)動機智能保護系統(tǒng)，使車輛在涉水途中，能夠自主感知當前的環(huán)境信息，實現(xiàn)智慧預(yù)警、智能管控和安全保護，進一步提升用戶駕乘體驗。

圖2 汽車涉水發(fā)動機智能保護系統(tǒng)

①實現(xiàn)駐車被淹遠程提醒功能。當檢測到車輛處于駐車狀態(tài)時，單片機控制系統(tǒng)檢測到水位可能威脅到汽車安全時，通過手機APP發(fā)送警示信息通知車主，實現(xiàn)遠程報警。

②實現(xiàn)智能涉水報警功能。通過搭載水位傳感器、控制器、執(zhí)行器等，智能判斷車輛的行車與駐車狀態(tài)，對水位實時監(jiān)測。當汽車涉水行駛時，可以根據(jù)不同危險等級的積水深度發(fā)出相應(yīng)的多級報警提醒。并且，可以遠程向車主發(fā)送報警信息。

③實現(xiàn)涉水自主保護功能。當水位傳感器在路面積水到達設(shè)定水位后，發(fā)出信號到單片機，單片機接收處理信號并輸出信號，通過外部電路驅(qū)動繼電器，控制繼電器的開關(guān)，自動關(guān)閉發(fā)動機怠速啟停系統(tǒng)，避免發(fā)動機在涉水狀態(tài)二次啟動，造成其損毀，保護發(fā)動機。

同時，通過搭載多個智能網(wǎng)聯(lián)傳感器、控制器和執(zhí)行器，融合智能通信與云端技術(shù)，全方位實現(xiàn)車車、車路、車云動態(tài)實時信息交互，實現(xiàn)人、車、路、云的智能協(xié)同，保證行駛安全，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的發(fā)動機涉水保護系統(tǒng)，實現(xiàn)安全、節(jié)能、舒適行駛的新一代智能汽車。

該系統(tǒng)性能可靠、成本低，適合在不同車型上推廣應(yīng)用。實現(xiàn)在涉水途中安全、方便、精準、智能保護發(fā)動機的效果。