汽車安全氣囊技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

摘要： 本文概述了汽車安全系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容，著重介紹了汽車安全氣囊技術(shù)，闡述了安全氣囊系統(tǒng)的工作原理、主要組成及系統(tǒng)開發(fā)程序。指出了汽車安全氣囊的未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 主動(dòng)安全；被動(dòng)安全；安全氣囊

汽車安全系統(tǒng)是汽車電子領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的一部分。汽車的安全設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中所占的比例也越來越大。汽車安全性分為主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種，主動(dòng)安全系統(tǒng)旨在提高車輛行駛的穩(wěn)定性，防范事故于未然。被動(dòng)安全系統(tǒng)是事故發(fā)生后開始起作用，以減緩事故嚴(yán)重程度。

汽車安全涵蓋的內(nèi)容很多，圖1顯示了汽車安全方面的分類。

圖1：汽車安全分類

汽車安全氣囊屬于被動(dòng)安全系統(tǒng)。我國(guó)2000年實(shí)施了CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》，該法規(guī)等效于歐洲ECE R94法規(guī)。 最近，我國(guó)的側(cè)面碰撞法規(guī)已經(jīng)開始實(shí)施，這將對(duì)我國(guó)車輛的碰撞安全性能和駕乘人員保護(hù)系統(tǒng)提出更高的要求。汽車安全法規(guī)體系的不斷完善，將帶動(dòng)中國(guó)汽車電子市場(chǎng)的發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，2009年前排乘客側(cè)面保護(hù)氣囊的安裝率將會(huì)是2006年的2倍，側(cè)氣簾的安裝率將是2006年的4倍。美國(guó)和歐洲兩種安全氣囊系統(tǒng)的比較如表1所示。

安全氣囊技術(shù)應(yīng)用

安全氣囊系統(tǒng)，屬于輔助約束系統(tǒng)(SRS)。它的作用是在碰撞過程中彌補(bǔ)佩帶安全帶仍不能保護(hù)乘員頭部、臉部、胸部和膝部的缺陷。安全氣囊系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2：安全氣囊系統(tǒng)組成

早期的安全氣囊為機(jī)械式安全氣囊系統(tǒng)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外氣囊廠家主要采用的是電子式安全氣囊系統(tǒng)?；拘桶踩珰饽蚁到y(tǒng)包含了駕駛員、乘員正面保護(hù)安全氣囊及安全帶預(yù)緊裝置。

電子式安全氣囊系統(tǒng)特點(diǎn)是由傳感器感知車輛運(yùn)動(dòng)情況，由MCU監(jiān)控并作出判斷，判斷當(dāng)前的事件是否是嚴(yán)重碰撞事件，如果是嚴(yán)重碰撞事件則驅(qū)動(dòng)氣囊展開，保護(hù)駕乘人員的安全。安全氣囊作用過程為：碰撞發(fā)生后0~20ms內(nèi)傳感器將信號(hào)輸送到中央電子控制器(ECU)，ECU判斷后確認(rèn)是嚴(yán)重碰撞則引發(fā)氣體發(fā)生器，在20~60ms內(nèi)高溫、高壓氣體(氮?dú)?經(jīng)過濾冷卻進(jìn)入氣袋，氣袋張開形成氣墊，將乘員與車內(nèi)裝備隔開，60~100ms后氣袋排氣孔打開，氣囊泄氣并收縮。氣體的阻尼作用吸收了碰撞的能量，緩解了氣囊對(duì)乘員頭部和臉部的壓力，乘員陷入較柔軟的氣囊中，使得乘員得到保護(hù)。最后氣體全部從排氣孔排出，氣囊癟下。圖3為安全氣囊系統(tǒng)基本裝車形式，圖中DAB是駕駛員氣囊，PAB是乘員氣囊，PSB是安全帶預(yù)緊裝置。

圖3：基本型安全氣囊系統(tǒng)的裝車形式

由于安全氣囊系統(tǒng)屬于汽車安全部件，它所采用的電子器件均有較高的特殊性能要求，需要精度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

常規(guī)安全氣囊的電子控制系統(tǒng)包括加速度傳感器和MCU等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外氣囊廠家常用的安全氣囊傳感器為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器，MEMS傳感器的感應(yīng)范圍比較寬，可以感應(yīng)1G到100G值的加速度，感應(yīng)方向可從單軸向到三軸向，在正面、側(cè)面、垂直三個(gè)方向感應(yīng)汽車碰撞過程中的加速度變化，并輸出模擬信號(hào)。

安全氣囊控制要求MCU運(yùn)算能力強(qiáng)、I/O口充足等，從可靠性角度考慮，需要使用汽車級(jí)的具有一些特殊功能模塊的MCU。根據(jù)系統(tǒng)性能的不同要求使用的MCU有8位、16位，對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，許多氣囊系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)采用了32位的高性能MCU。

安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)安全氣囊是一項(xiàng)涵蓋內(nèi)容較多的智能系統(tǒng)，具有周期長(zhǎng)、試驗(yàn)量大、費(fèi)用高等特點(diǎn)。整個(gè)過程包含了零部件開發(fā)、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)的整車工程匹配、參數(shù)匹配等多項(xiàng)工作。涉及化工、機(jī)械、電子等多種技術(shù)。

安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)是氣囊點(diǎn)火控制算法及目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻的確定。

確定目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻，首先要解決如何評(píng)價(jià)乘員的傷害，由于氣囊不可避免的要和乘員發(fā)生碰撞，會(huì)導(dǎo)致乘員的傷害，定量地分析乘員的傷害指標(biāo)，才能分析氣囊在不同時(shí)刻點(diǎn)火對(duì)乘員的保護(hù)效果。

汽車被動(dòng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)是根據(jù)人體生物工程研究的成果來確定的。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有歐洲標(biāo)準(zhǔn)ECE R94，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FMVSS208 ，中國(guó)的法規(guī)為CMVD R294，日本一般引用的是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

主要傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)有：乘員頭部傷害指標(biāo)HIC、胸部位移ThPC、腿部傷害受力FPC。  我國(guó)法規(guī)規(guī)定，碰撞后乘員頭部傷害指標(biāo)HIC＜1000、胸部位移ThPC＜75mm、腿部傷害受力FPC＜10kN。

安全氣囊系統(tǒng)目標(biāo)點(diǎn)火控制策略要求：準(zhǔn)確的點(diǎn)火、防止誤點(diǎn)、漏點(diǎn)和遲點(diǎn)。目前，國(guó)際汽車界普遍采用的是5in-30ms的準(zhǔn)則作為點(diǎn)火控制準(zhǔn)則。其含義是汽車碰撞過程中，乘員向前移動(dòng)5in時(shí)刻的前30ms時(shí)刻是氣囊目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻。

按照這個(gè)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)氣囊系統(tǒng)點(diǎn)火控制策略的算法有加速度法、速度減量法、比功率法、移動(dòng)窗式積分法等，它們是利用加速度信號(hào)進(jìn)行各種組合，得出判斷結(jié)果，確定最佳點(diǎn)火時(shí)刻。安全氣囊點(diǎn)火控制策略算法模型可以看作是一個(gè)多維歐式空間到一維歐式空間的非線性映射值F，yi＝F(x i)，式中x、y為輸入、輸出向量。通過對(duì)輸入信息的權(quán)值排列和等效預(yù)測(cè)，以及閥值比較，進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)刻的輸出值確定。

安全氣囊開發(fā)過程需要專業(yè)的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，具有特定的開發(fā)流程，如圖4所示。

圖4：安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)流程

汽車安全氣囊的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)汽車安全重視程度的提高，汽車安全技術(shù)中的安全氣囊技術(shù)近年來也發(fā)展得很快，智能化、多安全氣囊是今后整體安全氣囊系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

新的技術(shù)可以更好地識(shí)別乘客類型，采取不同的保護(hù)措施。系統(tǒng)采用重量、紅外、超聲波等傳感器來判斷乘客與儀表板遠(yuǎn)近、重量、身高等因素，進(jìn)而在碰撞時(shí)判斷是否點(diǎn)爆氣囊、采用1級(jí)點(diǎn)火還是多級(jí)點(diǎn)火、點(diǎn)爆力有多大，并與安全帶形成總體控制。通過傳感器，氣囊系統(tǒng)還可以判斷出車輛當(dāng)前經(jīng)歷的碰撞形式，是正面碰撞還是角度碰撞，側(cè)面碰撞還是整車的翻滾運(yùn)動(dòng)，以便驅(qū)動(dòng)車身不同位置的氣囊，形成對(duì)乘客的最佳保護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用也是安全氣囊系統(tǒng)的發(fā)展方向。在汽車網(wǎng)絡(luò)中，有一種應(yīng)用面比較窄，但是非常重要的網(wǎng)絡(luò)即Safe-By-Wire。 Safe-By-Wire是專門用于汽車安全氣囊系統(tǒng)的總線，Safe-By-Wire技術(shù)旨在通過綜合運(yùn)用多個(gè)傳感器和控制器來實(shí)現(xiàn)安全氣囊系統(tǒng)的細(xì)微控制。Safe-By-Wire Plus總線標(biāo)準(zhǔn)是由汽車電子供應(yīng)商和部件供應(yīng)商如飛利浦、德爾福等公司提出。與整車系統(tǒng)常用的CAN、FlexRay等總線相比，Safe-By-Wire的優(yōu)勢(shì)在于它是專門面向安全氣囊系統(tǒng)的汽車LAN接口標(biāo)準(zhǔn)。為了保證系統(tǒng)在汽車出事故時(shí)也不受破壞，Safe-By-Wire中嵌入有多重保護(hù)功能。比如說，即使線路發(fā)生短路，安全氣囊系統(tǒng)也不會(huì)因出錯(cuò)而起動(dòng)。Safe-By-Wire技術(shù)將會(huì)在汽車安全氣囊系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。安全氣囊控制系統(tǒng)發(fā)展方向如圖5所示。