汽车安全气囊技术及其发展趋势

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汽车安全系统是汽车电子领域增长最快的一部分。汽车的安全设计在整车设计中所占的比例也越来越大。汽车安全性分为主动安全和被动安全两种，主动安全系统旨在提高车辆行驶的稳定性，防范事故于未然。被动安全系统是事故发生后开始起作用，以减缓事故严重程度。

        汽车安全涵盖的内容很多，图1显示了汽车安全方面的分类。
         汽车安全气囊属于被动安全系统。我国2000年实施了CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》，该法规等效于欧洲ECE R94法规。 最近，我国的侧面碰撞法规已经开始实施，这将对我国车辆的碰撞安全性能和驾乘人员保护系统提出更高的要求。汽车安全法规体系的不断完善，将带动中国汽车电子市场的发展。据预测，2009年前排乘客侧面保护气囊的安装率将会是2006年的2倍，侧气帘的安装率将是2006年的4倍。美国和欧洲两种安全气囊系统的比较如表1所示。

安全气囊技术应用

        安全气囊系统，属于辅助约束系统(SRS)。它的作用是在碰撞过程中弥补佩带安全带仍不能保护乘员头部、脸部、胸部和膝部的缺陷。安全气囊系统的组成如图2所示。

图2：安全气囊系统组成

         早期的安全气囊为机械式安全气囊系统，现在国内外气囊厂家主要采用的是电子式安全气囊系统。基本型安全气囊系统包含了驾驶员、乘员正面保护安全气囊及安全带预紧装置。

        电子式安全气囊系统特点是由传感器感知车辆运动情况，由MCU监控并作出判断，判断当前的事件是否是严重碰撞事件，如果是严重碰撞事件则驱动气囊展开，保护驾乘人员的安全。安全气囊作用过程为：碰撞发生后0~20ms内传感器将信号输送到中央电子控制器(ECU)，ECU判断后确认是严重碰撞则引发气体发生器，在20~60ms内高温、高压气体(氮气)经过滤冷却进入气袋，气袋张开形成气垫，将乘员与车内装备隔开，60~100ms后气袋排气孔打开，气囊泄气并收缩。气体的阻尼作用吸收了碰撞的能量，缓解了气囊对乘员头部和脸部的压力，乘员陷入较柔软的气囊中，使得乘员得到保护。最后气体全部从排气孔排出，气囊瘪下。图3为安全气囊系统基本装车形式，图中DAB是驾驶员气囊，PAB是乘员气囊，PSB是安全带预紧装置。

图3：基本型安全气囊系统的装车形式

         由于安全气囊系统属于汽车安全部件，它所采用的电子器件均有较高的特殊性能要求，需要精度高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。

        常规安全气囊的电子控制系统包括加速度传感器和MCU等。当前国内外气囊厂家常用的安全气囊传感器为微机电系统(MEMS)传感器，MEMS传感器的感应范围比较宽，可以感应1G到100G值的加速度，感应方向可从单轴向到三轴向，在正面、侧面、垂直三个方向感应汽车碰撞过程中的加速度变化，并输出模拟信号。

        安全气囊控制要求MCU运算能力强、I/O口充足等，从可靠性角度考虑，需要使用汽车级的具有一些特殊功能模块的MCU。根据系统性能的不同要求使用的MCU有8位、16位，对于更复杂的系统，许多气囊系统供应商已经采用了32位的高性能MCU。

安全气囊系统开发

        开发安全气囊是一项涵盖内容较多的智能系统，具有周期长、试验量大、费用高等特点。整个过程包含了零部件开发、系统开发、系统的整车工程匹配、参数匹配等多项工作。涉及化工、机械、电子等多种技术。

        安全气囊系统开发过程中的关键点是气囊点火控制算法及目标点火时刻的确定。

        确定目标点火时刻，首先要解决如何评价乘员的伤害，由于气囊不可避免的要和乘员发生碰撞，会导致乘员的伤害，定量地分析乘员的伤害指标，才能分析气囊在不同时刻点火对乘员的保护效果。

        汽车被动安全性评价指标是根据人体生物工程研究的成果来确定的。执行标准有欧洲标准ECE R94，美国标准FMVSS208 ，中国的法规为CMVD R294，日本一般引用的是美国标准。

        主要伤害评价指标有：乘员头部伤害指标HIC、胸部位移ThPC、腿部伤害受力FPC。 我国法规规定，碰撞后乘员头部伤害指标HIC＜1000、胸部位移ThPC＜75mm、腿部伤害受力FPC＜10kN。

        安全气囊系统目标点火控制策略要求：准确的点火、防止误点、漏点和迟点。目前，国际汽车界普遍采用的是5in-30ms的准则作为点火控制准则。其含义是汽车碰撞过程中，乘员向前移动5in时刻的前30ms时刻是气囊目标点火时刻。

        按照这个准则，实现气囊系统点火控制策略的算法有加速度法、速度减量法、比功率法、移动窗式积分法等，它们是利用加速度信号进行各种组合，得出判断结果，确定最佳点火时刻。安全气囊点火控制策略算法模型可以看作是一个多维欧式空间到一维欧式空间的非线性映射值F，yi＝F(x i)，式中x、y为输入、输出向量。通过对输入信息的权值排列和等效预测，以及阀值比较，进行点火时刻的输出值确定。

        安全气囊开发过程需要专业的设备和实验场所，具有特定的开发流程，如图4所示。

图4：安全气囊系统开发流程

汽车安全气囊的发展趋势

        随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高，汽车安全技术中的安全气囊技术近年来也发展得很快，智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。

        新的技术可以更好地识别乘客类型，采取不同的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等因素，进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用1级点火还是多级点火、点爆力有多大，并与安全带形成总体控制。通过传感器，气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式，是正面碰撞还是角度碰撞，侧面碰撞还是整车的翻滚运动，以便驱动车身不同位置的气囊，形成对乘客的最佳保护。

        网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。在汽车网络中，有一种应用面比较窄，但是非常重要的网络即Safe-By-Wire。 Safe-By-Wire是专门用于汽车安全气囊系统的总线，Safe-By-Wire技术旨在通过综合运用多个传感器和控制器来实现安全气囊系统的细微控制。Safe-By-Wire Plus总线标准是由汽车电子供应商和部件供应商如飞利浦、德尔福等公司提出。与整车系统常用的CAN、FlexRay等总线相比，Safe-By-Wire的优势在于它是专门面向安全气囊系统的汽车LAN接口标准。为了保证系统在汽车出事故时也不受破坏，Safe-By-Wire中嵌入有多重保护功能。比如说，即使线路发生短路，安全气囊系统也不会因出错而起动。Safe-By-Wire技术将会在汽车安全气囊系统中获得广泛的应用。