汽車安全氣囊技術(shù)及其發(fā)展趨勢

1、汽車安全氣囊技術(shù)及其發(fā)展趨勢圖 1 汽車安全分類圖 2 安全氣囊系統(tǒng)組成 汽車安全系統(tǒng)是汽車電子領(lǐng)域增長最快的一部分。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安全和被動 安全兩種，主動安全系統(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。汽車安全氣囊屬于被動安全系統(tǒng)。我國 2000年實(shí)施了 CMVDR294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ECER94法規(guī)。 最近，我國的側(cè)面碰撞法規(guī)已經(jīng)開始實(shí)施，這將對我國車輛的碰撞安 全性能和駕乘人員保

2、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，將帶動中國汽車電子市場的發(fā)展。據(jù)預(yù)測， 2009 年前排乘客 側(cè)面保護(hù)氣囊的安裝率將會是 2006 年的 2 倍，側(cè)氣簾的安裝率將是 2006年的 4倍。美國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所示早期的安全氣囊為機(jī)械式安全氣囊系統(tǒng)，現(xiàn)在國內(nèi)外氣囊廠家主要采用的是電子式安全氣囊系統(tǒng)。基本型安全氣囊系統(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

3、氣囊系統(tǒng)特點(diǎn)是由傳感器感知車輛運(yùn)動情況， 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020ms內(nèi)傳感器將信號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 2060ms內(nèi)高溫、 高壓氣體（氮?dú)猓┙?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, 60100ms 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

4、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。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。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

5、要使用汽車級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、試驗(yàn)量 大、費(fèi)用高等特點(diǎn)。整個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

6、時(shí)刻點(diǎn)火對乘員的保護(hù)效果。汽車被動安全性評價(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) ECER94美國標(biāo)準(zhǔn) FMVSS208中國的法規(guī)為 CMVDR294日本一般引用的是美國標(biāo)準(zhǔn)。主要傷害評價(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我國法規(guī)規(guī)定，碰撞后乘員頭部傷害指標(biāo) HICV 1000、 胸部位移ThPCk 75mm、腿部傷害受力FPG 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 5in 時(shí)刻的前

7、30ms 時(shí)刻是氣囊目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻。 按照這個準(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、移動窗式積分法等，它們是利用加速度信號進(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多維歐式空間到一維歐式空間的非線性映 射值F, yi= F (xi),式中x、y為輸入、輸出向量。通過對輸入信息的 權(quán)值排列和等效預(yù)測，以及閥值比較，進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)刻的輸出值確定。圖 3 基本型安全氣囊系統(tǒng)的裝車形式圖 4 安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)流程表 1 美國式安全氣囊系統(tǒng)和歐洲的比較安全氣囊開發(fā)過程需要專業(yè)的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場所, 具有特定的開發(fā)流程, 如圖 4

8、所示。汽車安全氣囊的發(fā)展趨勢 隨著科技的發(fā)展和人們對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。新的技術(shù)可以更好地識別乘客類型，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 級點(diǎn)火還是多級點(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，以便驅(qū)動車身不同位置的氣囊，形成 對乘客的最佳保護(hù)。圖 5 安全氣囊系統(tǒng)發(fā)展方向 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-WirePlus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)勢在于它是專門面向安全氣囊系