汽車安全氣囊技術(shù)及其發(fā)展趨勢

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： 主動安全；被動安全；安全氣囊

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)計在整車設(shè)計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安全系統(tǒng)。我國2000年實施了CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護的設(shè)計規(guī)則》，該法規(guī)等效于歐洲ECE R94法規(guī)。 最近，我國的側(cè)面碰撞法規(guī)已經(jīng)開始實施，這將對我國車輛的碰撞安全性能和駕乘人員保護系統(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)預測，2009年前排乘客側(cè)面保護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(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、乘員正面保護安全氣囊及安全帶預緊裝置。

電子式安全氣囊系統(tǒng)特點是由傳感器感知車輛運動情況，由MCU監(jiān)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(qū)動氣囊展開，保護駕乘人員的安全。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(nèi)高溫、高壓氣體(氮氣)經(jīng)過濾冷卻進入氣袋，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(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、抗干擾能力強等特點。

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。當前國內(nèi)外氣囊廠家常用的安全氣囊傳感器為微機電系統(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運算能力強、I/O口充足等，從可靠性角度考慮，需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)安全氣囊是一項涵蓋內(nèi)容較多的智能系統(tǒng)，具有周期長、試驗量大、費用高等特點。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)匹配等多項工作。涉及化工、機械、電子等多種技術(shù)。

安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵點是氣囊點火控制算法及目標點火時刻的確定。

確定目標點火時刻，首先要解決如何評價乘員的傷害，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刻點火對乘員的保護效果。

汽車被動安全性評價指標是根據(jù)人體生物工程研究的成果來確定的。執(zhí)行標準有歐洲標準ECE R94，美國標準FMVSS208 ，中國的法規(guī)為CMVD R294，日本一般引用的是美國標準。

主要傷害評價指標有：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(guī)規(guī)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(tǒng)目標點火控制策略要求：準確的點火、防止誤點、漏點和遲點。目前，國際汽車界普遍采用的是5in-30ms的準則作為點火控制準則。其含義是汽車碰撞過程中，乘員向前移動5in時刻的前30ms時刻是氣囊目標點火時刻。

按照這個準則，實現(xiàn)氣囊系統(tǒng)點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行各種組合，得出判斷結(jié)果，確定最佳點火時刻。安全氣囊點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(x i)，式中x、y為輸入、輸出向量。通過對輸入信息的權(quán)值排列和等效預測，以及閥值比較，進行點火時刻的輸出值確定。

安全氣囊開發(fā)過程需要專業(yè)的設(shè)備和實驗場所，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

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近、重量、身高等因素，進而在碰撞時判斷是否點爆氣囊、采用1級點火還是多級點火、點爆力有多大，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。

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)旨在通過綜合運用多個傳感器和控制器來實現(xiàn)安全氣囊系統(tǒng)的細微控制。Safe-By-Wire Plus總線標準是由汽車電子供應(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統(tǒng)的汽車LAN接口標準。為了保證系統(tǒng)在汽車出事故時也不受破壞，Safe-By-Wire中嵌入有多重保護功能。比如說，即使線路發(fā)生短路，安全氣囊系統(tǒng)也不會因出錯而起動。Safe-By-Wire技術(shù)將會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。