汽車(chē)安全氣囊技術(shù)及其發(fā)展趨勢

摘要： 本文概述了汽車(chē)安全系統涵蓋的內容，著(zhù)重介紹了汽車(chē)安全氣囊技術(shù)，闡述了安全氣囊系統的工作原理、主要組成及系統開(kāi)發(fā)程序。指出了汽車(chē)安全氣囊的未來(lái)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(chē)安全系統是汽車(chē)電子領(lǐng)域增長(cháng)最快的一部分。汽車(chē)的安全設計在整車(chē)設計中所占的比例也越來(lái)越大。汽車(chē)安全性分為主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種，主動(dòng)安全系統旨在提高車(chē)輛行駛的穩定性，防范事故于未然。被動(dòng)安全系統是事故發(fā)生后開(kāi)始起作用，以減緩事故嚴重程度。

汽車(chē)安全涵蓋的內容很多，圖1顯示了汽車(chē)安全方面的分類(lèi)。

圖1：汽車(chē)安全分類(lèi)

汽車(chē)安全氣囊屬于被動(dòng)安全系統。我國2000年實(shí)施了CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護的設計規則》，該法規等效于歐洲ECE R94法規。 最近，我國的側面碰撞法規已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施，這將對我國車(chē)輛的碰撞安全性能和駕乘人員保護系統提出更高的要求。汽車(chē)安全法規體系的不斷完善，將帶動(dòng)中國汽車(chē)電子市場(chǎng)的發(fā)展。據預測，2009年前排乘客側面保護氣囊的安裝率將會(huì )是2006年的2倍，側氣簾的安裝率將是2006年的4倍。美國和歐洲兩種安全氣囊系統的比較如表1所示。

安全氣囊技術(shù)應用

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

圖2：安全氣囊系統組成

早期的安全氣囊為機械式安全氣囊系統，現在國內外氣囊廠(chǎng)家主要采用的是電子式安全氣囊系統?；拘桶踩珰饽蚁到y包含了駕駛員、乘員正面保護安全氣囊及安全帶預緊裝置。

電子式安全氣囊系統特點(diǎn)是由傳感器感知車(chē)輛運動(dòng)情況，由MCU監控并作出判斷，判斷當前的事件是否是嚴重碰撞事件，如果是嚴重碰撞事件則驅動(dòng)氣囊展開(kāi)，保護駕乘人員的安全。安全氣囊作用過(guò)程為：碰撞發(fā)生后0~20ms內傳感器將信號輸送到中央電子控制器(ECU)，ECU判斷后確認是嚴重碰撞則引發(fā)氣體發(fā)生器，在20~60ms內高溫、高壓氣體(氮氣)經(jīng)過(guò)濾冷卻進(jìn)入氣袋，氣袋張開(kāi)形成氣墊，將乘員與車(chē)內裝備隔開(kāi)，60~100ms后氣袋排氣孔打開(kāi)，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。最后氣體全部從排氣孔排出，氣囊癟下。圖3為安全氣囊系統基本裝車(chē)形式，圖中DAB是駕駛員氣囊，PAB是乘員氣囊，PSB是安全帶預緊裝置。

圖3：基本型安全氣囊系統的裝車(chē)形式

由于安全氣囊系統屬于汽車(chē)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、抗干擾能力強等特點(diǎn)。

常規安全氣囊的電子控制系統包括加速度傳感器和MCU等。當前國內外氣囊廠(chǎng)家常用的安全氣囊傳感器為微機電系統(MEMS)傳感器，MEMS傳感器的感應范圍比較寬，可以感應1G到100G值的加速度，感應方向可從單軸向到三軸向，在正面、側面、垂直三個(gè)方向感應汽車(chē)碰撞過(guò)程中的加速度變化，并輸出模擬信號。

安全氣囊控制要求MCU運算能力強、I/O口充足等，從可靠性角度考慮，需要使用汽車(chē)級的具有一些特殊功能模塊的MCU。根據系統性能的不同要求使用的MCU有8位、16位，對于更復雜的系統，許多氣囊系統供應商已經(jīng)采用了32位的高性能MCU。

安全氣囊系統開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)安全氣囊是一項涵蓋內容較多的智能系統，具有周期長(cháng)、試驗量大、費用高等特點(diǎn)。整個(gè)過(guò)程包含了零部件開(kāi)發(fā)、系統開(kāi)發(fā)、系統的整車(chē)工程匹配、參數匹配等多項工作。涉及化工、機械、電子等多種技術(shù)。

安全氣囊系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)是氣囊點(diǎn)火控制算法及目標點(diǎn)火時(shí)刻的確定。

確定目標點(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(huì )導致乘員的傷害，定量地分析乘員的傷害指標，才能分析氣囊在不同時(shí)刻點(diǎn)火對乘員的保護效果。

汽車(chē)被動(dòng)安全性評價(jià)指標是根據人體生物工程研究的成果來(lái)確定的。執行標準有歐洲標準ECE R94，美國標準FMVSS208 ，中國的法規為CMVD R294，日本一般引用的是美國標準。

主要傷害評價(jià)指標有：乘員頭部傷害指標HIC、胸部位移ThPC、腿部傷害受力FPC。  我國法規規定，碰撞后乘員頭部傷害指標HIC＜1000、胸部位移ThPC＜75mm、腿部傷害受力FPC＜10kN。

安全氣囊系統目標點(diǎn)火控制策略要求：準確的點(diǎn)火、防止誤點(diǎn)、漏點(diǎn)和遲點(diǎn)。目前，國際汽車(chē)界普遍采用的是5in-30ms的準則作為點(diǎn)火控制準則。其含義是汽車(chē)碰撞過(guò)程中，乘員向前移動(dòng)5in時(shí)刻的前30ms時(shí)刻是氣囊目標點(diǎn)火時(shí)刻。

按照這個(gè)準則，實(shí)現氣囊系統點(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進(jìn)行各種組合，得出判斷結果，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(xiàn)性映射值F，yi＝F(x i)，式中x、y為輸入、輸出向量。通過(guò)對輸入信息的權值排列和等效預測，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(kāi)發(fā)過(guò)程需要專(zhuān)業(yè)的設備和實(shí)驗場(chǎng)所，具有特定的開(kāi)發(fā)流程，如圖4所示。

圖4：安全氣囊系統開(kāi)發(fā)流程

汽車(chē)安全氣囊的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)科技的發(fā)展和人們對汽車(chē)安全重視程度的提高，汽車(chē)安全技術(shù)中的安全氣囊技術(shù)近年來(lái)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發(fā)展的必然趨勢。

新的技術(shù)可以更好地識別乘客類(lèi)型，采取不同的保護措施。系統采用重量、紅外、超聲波等傳感器來(lái)判斷乘客與儀表板遠近、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(guò)傳感器，氣囊系統還可以判斷出車(chē)輛當前經(jīng)歷的碰撞形式，是正面碰撞還是角度碰撞，側面碰撞還是整車(chē)的翻滾運動(dòng)，以便驅動(dòng)車(chē)身不同位置的氣囊，形成對乘客的最佳保護。

網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用也是安全氣囊系統的發(fā)展方向。在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )中，有一種應用面比較窄，但是非常重要的網(wǎng)絡(luò )即Safe-By-Wire。 Safe-By-Wire是專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)安全氣囊系統的總線(xiàn)，Safe-By-Wire技術(shù)旨在通過(guò)綜合運用多個(gè)傳感器和控制器來(lái)實(shí)現安全氣囊系統的細微控制。Safe-By-Wire Plus總線(xiàn)標準是由汽車(chē)電子供應商和部件供應商如飛利浦、德?tīng)柛５裙咎岢?。與整車(chē)系統常用的CAN、FlexRay等總線(xiàn)相比，Safe-By-Wire的優(yōu)勢在于它是專(zhuān)門(mén)面向安全氣囊系統的汽車(chē)LAN接口標準。為了保證系統在汽車(chē)出事故時(shí)也不受破壞，Safe-By-Wire中嵌入有多重保護功能。比如說(shuō)，即使線(xiàn)路發(fā)生短路，安全氣囊系統也不會(huì )因出錯而起動(dòng)。Safe-By-Wire技術(shù)將會(huì )在汽車(chē)安全氣囊系統中獲得廣泛的應用。安全氣囊控制系統發(fā)展方向如圖5所示。