冷德龙，孙连明，苏朋军

（中国第一汽车集团有限公司研发总院，吉林 长春 130011）

汽车发动机运行过程中，随着冷却系统水温升高，散热器中盛不下的冷却液会回流到膨胀水箱，防止水箱压力过高而损坏冷却系零件；相反，膨胀水箱还可以在散热器水温过低时补充水位。所以，一般在膨胀水箱侧壁上有一些刻度，用于检查膨胀水箱的液位［1］。当膨胀水箱液位过低时将直接威胁到发动机的安全运行，所以在组合仪表中设计了报警指示灯，以便及时提醒驾驶员补充发动机冷却液。膨胀水箱液位过低报警系统一般包括传感器或液位开关、液位控制器、组合仪表，如图1a所示。

实际上，驾驶员并不关注膨胀水箱中具体液位是多少，只要能够在系统液位过低的时候得到有效提醒就足够了。另外，为了降低成本，提高零部件功能集成度，将液位开关集成到膨胀水箱上，将液位控制器集成到仪表的信号采集电路中，实车采用的方案如图1b所示。

但是，在实际应用过程中存在问题，主要表现为：天气较冷或刚起动发动机时，组合仪表上出现了液位过低报警灯常亮的异常情况。本文首先分析问题产生的原因，并通过试验复现问题现象。接下来针对问题原因提出两种解决方案，并进行台架试验验证方案的合理性，并且在实车得以应用，通过大量对标说明行业现状。最后对膨胀水箱液位报警系统设计进行总结。

图1 膨胀水箱液位报警系统原理图

1 液位报警系统在应用中存在的问题

1.1 系统介绍

实车膨胀水箱液位开关采用双金属片形式，结构原理如图2所示。其工作原理为：液位开关位于膨胀水箱下端，线束插接器直接连接在液位开关上。液位开关由两段金属极片构成，且外部覆盖有工程塑料，金属极片材料为321不锈钢，工作原理就是利用冷却液的导电性判断当前液位是否过低。当液位正常时，金属极片浸入冷却液中，导通电阻在160 kΩ左右；当液位过低时，金属极片从冷却液中漏出，处于悬空状态，达到报警条件。

相应地，组合仪表采样端口接口电路如图3所示。开关量采集，通过计算可知，当信号采样端口电压高于2.6 V时，液位报警信号电阻高于160 kΩ，此时对应液位过低状态，进行报警。

图2 双金属片液位开关结构原理图

图3 组合仪表液位报警采样电路

1.2 问题原因分析

将故障车上的膨胀水箱拆下并将双金属片液位开关局部拆解，发现其中一个电极 （正极）明显变黑，如图4所示。化学成分分析结果表明金属极片上变黑的附着物主要成分是炭，由于采样接口电路对膨胀水箱始终施加一定的电压，推测膨胀水箱内发生了电化学反应，使得杂质聚积在金属极片上，影响了导电性，从而引起误报警。

另外，通过图4也看出，膨胀水箱内部环境并非很干净，某些情况甚至杂质特别多，所以电化学反应问题是不得不考虑的问题。

图4 金属极片变黑示意图

1.3 台架试验复现

根据整车线束原理搭建连接电路进行台架测试，如图5所示。以下试验过程中，均采用新膨胀水箱进行试验。

1）试验一：常温连续通电测试1周未复现，但是将膨胀水箱插接器拔掉，同时用万用表测试双金属片两端电压，发现液体中存在电压，并且逐渐减小，说明随着对冷却液通电施加电压时间增加，液体内达到电平衡，此时导电性会逐渐下降；当拔掉外接线束，冷却液又开始放电。图6为双金属片液位开关两侧的电压变化情况，说明液体“充放电”过程很快完成。由于液体中杂质较少，测试时间较短，所以问题并未直接复现。

图5 台架测试接线原理示意图

图6 液位开关两侧电压变化

2）试验二：常温，通过更换仪表接口电路中电阻提高双金属片两端电压，连续通电测试1周，故障复现，此时用万用表测试发现膨胀水箱两端电压确实达到了报警的临界电压，并且同样存在试验一中的放电现象。

3）试验三：同时在常温 （25℃）和低温 （-30℃、-40℃）进行试验，发现1h内低温环境下的系统均出现了报警现象，结论汇总见表1。

表1 温度对系统的影响

通过试验复现了低温下该液位报警系统存在的问题。同时验证了电化学反应的存在，电极式液位开关在通直流电的情况下液体易发生电离，阴、阳离子分别向正、负极移动，吸附在电极的两端，覆盖在电极上，导致电极式液位开关失效。说明实际应用方案从原理方面存在问题，需要进行优化，改进液位报警系统。

2 液位报警系统优化设计

为了对现有系统进行优化，避免电化学问题的出现，除了比较成熟的交流电液位采集方法［2］外，我们另外设计了两种方案：直流间歇供电液位采集、电液隔离液位采集，并进行了试验验证。

2.1 直流间歇供电液位采集

一般地，可采用振荡器产生50～100 Hz的交流信号传输至传感器端，进行检测。此处，考虑现有产品更改工作量，设计了另外一种检测原理，即直流间歇供电液位采集，并设计了两种接口电路，如图7所示。

图7方案 （a）中，LQY-1为单片机的双态端口，即该端口周期性为输入端 （信号采集端）和输出端 （低电平端）。这样，当作为输入端时，采集液位信号，当LQY-1端电压超过2.5 V进行报警，此过程对电解液充电，液位极片上聚集正离子；当作为输出端时，电解液放电，选择合适的占空比，可避免电化学反应的累积效应。

图7方案 （b）中，通过控制端控制上拉电压的有效时机 （占空比10%左右），也可避免电化学反应的累积，达到可靠地进行液位报警的目的。

图7 直流间歇供电液位采集接口电路

2.2 电液隔离液位采集

方案2.1中对信号采集电路进行了优化设计，除了接口优化设计，对传感器进行隔离，实现与液位非接触也是一种方案［3-4］。该方案从液位开关着手，通过电磁隔离避免电化学反应的产生。结构原理如图8所示，干簧管有两种状态或两种电阻值，分别对应正常液位和异常液位。当液位异常时，液体中的浮子会随着液位下降从而触发干簧管的异常状态电阻值，从而被组合仪表采集到进行报警，通知驾驶员添加冷却液。该方案原理从根本上对电液进行了隔离，避免了电化学反应的产生。

图8 电液隔离液位采集结构原理

2.3 试验验证及应用对标

各试制3套样件，参照图5搭建台架进行连续100 h试验测试，以上两种方案均可有效地监测膨胀水箱中的液位状况，并且未发生误报等异常情况。但是考虑到产品现状，采用方案2.1。

对标市场上车型液位报警系统方案，采用方案情况汇总如表2所示。可以看出国外车型主流采用干簧管隔离方案，对于新设计车型可以考虑。

表2 市场车型液位报警系统方案对比

3 结论

通过分析现状问题产生的原因，并通过试验复现问题现象，验证了问题根源。针对根本原因提出了两种解决方案，并试验验证了方案的可行性，对现状问题进行了改进。通过对标给出了行业现状，提出新产品设计建议。同时为汽车行业、工业上的其他方面液位监控系统提供了借鉴。