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汽车安全气囊技术及其发展趋势 An Overview of Air Bag Technology 比亚迪汽车有限公司(上海)张颖 摘要：本文概述了汽车安全系统涵盖的内容，着重介绍了汽车安全 气囊技术，阐述了安全气囊系统的工作原理、主要组成及系 统开发程序。指出了汽车安全气囊的未来的发展方向。 关键词：主动安全；被动安全；安全气囊

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。 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y 技术长廊Corridor 132 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。 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CMVDR294，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、 图3基本型安全气囊 系统的装车形式 图4安全气囊系统开 发流程 表1美国式安全气囊 系统和欧洲的比较 135 何金玉值，以避免出 现开机/开盖花屏(开机时，基板对LCM初始 化；开盖时，LCM退出休眠状态，恢复正常 供电，液晶显示控制器倍压电路开始工作)。 结语 在平板显示器件空前发展的情况下，液 晶显示器件以其轻、薄、小、耗电低等优点而 一枝独秀。本文通过对液晶模块的显示、工作 原理的阐述，对软件的设计、调试方法以及出 现的问题进行了详细讲解，并总结出通用切实 的调试方法。该方法已实践于多项FSTN、 CSTN、TFT产品的开发量产，为公司赢得了 中兴、奥盛、中电通信等客户。这里介绍给广 大工程师，希望能以此快捷地开发出液晶显示 器件，使其达到良好、稳定的显示效果，从而 做到理论与实践相结合，缩短整机开发周期， 为产品快速上市赢得宝贵时间。 参考文献： 1.李维提，郭强，液晶显示应用技术[M]， 北京：电子工业出版社，2000.3 2.刘永智、杨开愚等，液晶显示技术[M]， 成都：电子科技大学出版,2000.12 3.余理富，信息显示技术[M]，北京：电 子工业出版社，2003.12 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。 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。 图5安全气囊系统发 展方向 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。安全气囊控制系统发展 方向如图5所示。 132 何金玉 搜索气囊技术，电子产品 世界网站有1篇相关文章。 搜索液晶显示技术，电子 产品世界网站有4篇相关 文章。

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前言 安全气囊的防护效果与众多的因素有关。一方 面是事故发生的客观情况，如碰撞强度，碰撞类型， 乘员的身高、体重，乘坐位置，车辆的类型和大小等。 另一方面是车辆上安装的防护系统及其使用情况， 例如是否使用了安全带和安全气囊及它们的尺寸、 容量等。因而，要对安全气囊有效性做出客观准确 的评价，找到影响其防护效果的主要因素难度很大， 是安全气囊研究领域的重要问题。它涉及到工程 学、交通事故损伤流行病学、损伤生物力学和统计学 等多个学科，是综合性很强的研究领域。 安全气囊依据其作用的不同分为防止前碰撞损 伤的驾驶员安全气囊、前座乘客安全气囊和侧面碰 撞防护安全气囊等。安全气囊在防止重大损伤和减 少事故死亡的同时，也可能由于它的快速展开而引 发新的损伤，本文将此种损伤称为“气囊损伤”。如 何保证安全气囊对各类汽车乘员在各种碰撞条件下 提供最有效保护的同时，减少甚至避免气囊损伤，是 目前汽车乘员约束系统研究的最主要问题之一。本 文通过对安全气囊防护有效性、气囊损伤和相关技 术发展的综述，剖析了这一领域涉及的范围广泛的 问题。 " 碰撞事故中的损伤流行病学 交通事故损伤流行病学是利用流行病学 （,-./01.23245）研究的方法和工具研究在道路车辆事 故中创伤发生的原因及类型，研究人、环境和工程技 术的因素，发展各种方法去评价在交通事故损伤防护过程中所采取的各种降低损伤措施的有效性。 !"! 损伤监测系统与事故数据分析 交通事故损伤流行病学研究的基础是可靠的事 故数据，这些事故数据应该是经过交通管理部门、医 院、保险公司、汽车制造厂和相关权威机构收集得来 的。 美国是交通事故损伤监测系统最完善的国家之 一，并建立了完整的交通事故数据库。最有名的例 子是美国的耐撞性数据库系统678，678 从")9) 年 开始收集交通事故的数据，其工作小组除了收集一 般碰撞事故数据外，还完成所在地区典型事故的分 析，每年要以这种方式调查大约9 ### 件碰撞事故。 美国另一个重要的数据库是死亡事故报告系统 :;<8，该数据库包括自")9+ 年以来美国各州收集 的所有碰撞致死事故，是一个数据规范性和可靠性 都很高的事故数据源，也是目前美国交通损伤流行 病学研究的重要基础。此外还有英国的66=8 和德 国的;=>〔"〕等。 事故损伤数据的完整性直接影响损伤流行病学 研究的结果。解决事故数据完整性不够问题的措 施，除了改进采集数据的方法外，还应考虑范围更加 广泛的数据源，如保险公司和医院的数据库等，并将 这些数据库与警察和国家权威机构的数据库连成一 体，才能为交通事故流行病学的研究提供可靠全面 的数据基础。 第一个关于三点式安全带防护效果的研究是瑞 典人?2@3.A 完成的，随后其他人进行了大量的关于 早期安全带防护效果评估方面的研究。然而，由于 所用数据和使用方法的不同，得到的结果差别较大。 $# 年代中期，在交通事故流行病学的分析中引入了 更加精确的统计学方法，如,BCAD〔%〕创造了配对比较 法可以将事故众多因素中某一因素的作用相对独立出来，使人们有可能对使用某种约束系统的有效性 作出比较准确可靠的评价。 !"# 损伤评估标准和体系 损伤的评估标准和尺度是损伤流行病学研究的 重要基础概念，它被用来区别和衡量事故中人体损 伤程度（!"#"$%&’），也可以称为损伤尺度或指标 （!()*%+,）。它可以从力学和生理学的角度定义为生 理学或解剖学意义上的使人体功能丧失或解剖结构 破坏方面的量，也可以定义为生理学和与之相关的 社会学意义方面的量。与损伤程度密切相关的另一 个量称为损伤标准（-+./$’ ($%&"$%0+），它通过一些物 理参数或其的函数定义，这些参数常常反映了引起 某一程度损伤发生的损伤力学因素。人体或人体的 某一部分对损伤载荷的承受能力称为耐受度 （10*"$)+("），它定义为导致某种类型损伤发生或达 到某种损伤标准的阈值时的载荷大小，或者是由这 种载荷换算出来的量。应该注意到，不同年龄和不 同个体之间耐受度的差别是很大的，一般只能用试 验或统计学的方法来确定。 损伤程度有多种定义方法，大体上可以分为2 类。!解剖学尺度：以损伤发生的解剖学位置、类型 和损伤的程度来描述，它仅仅考虑损伤处本身及相 关的功能改变，如3-!（344$"#%)&"5 %+./$’ 6()*"）等。 "社会学尺度：不仅考虑到损伤处本身和功能的改 变，而且考虑到因损伤而导致的长期影响，包括治疗 费用、伤者的生活质量等。如损伤主导指标-78 （-+./$’ 9$%0$%&’ $)&%+,）、--!（-+./$’ %:9)%$:"+& 6()*"）和 ;38<〔2〕等。#生理学尺度：主要考虑损伤导致人 体生理学变化的过程，在医学临床治疗中使用较多， 如=>! 等。 由于损伤尺度、损伤分类方法与损伤监测体系 与交通事故流行病学及汽车安全研究关系密切，是 预防和减少交通事故损伤及从事相关科学研究的基 础性工作，也是社会发展的一个重要方面，世界各发 达国家都高度重视，进行了深入研究。如文献〔2〕关 于;38< 的研究就是在?;1!3 的资助下进行的。 !"$ 碰撞强度参数$! 和!"，"@ 描述碰撞强度（>$)6A 6"#"$%&’）的主要技术参数 是$! 和!"，"@ 。$! 是指在汽车发生碰撞接触时间 内，车辆惯性中心在固定坐标参考系中的速度变化； !"，"@ （ B+"$,’ "@/%#)*"+& 69""5）是对相碰撞车辆在接触 期间所吸收动能的一种衡量。计算碰撞强度还有英 国>>-! 使用的!&，"@ （ B@/%#)*"+& &"6& 69""5），它表示汽 车撞击到刚性墙上发生某种程度破坏时的对应碰撞 - 安全气囊防护研究重点和发展趋势 #"$ 研究方法 试验研究和计算机仿真研究是汽车被动安全领 域广泛采用的两种研究方法。试验研究大致可以分为两大类，一类是生物力学基础性试验，一类是检测 汽车安全性设计的碰撞试验。生物力学基础试验主 要的任务是研究生物体的碰撞响应特性；碰撞试验 更多地考虑了事故的环境，与车辆、约束系统等工程 因素联系在一起，试验的目的是测试安全防护设施 的防护性能及汽车整体结构的耐撞性。碰撞试验中 采用的人体模型可分为三大类。 -A6A6 生物力学模型 生物力学模型试验包括：人类自愿者试验。这 种试验可以提供人体在没有发生损伤时响应的很多 一般性知识，其结果对于开发机械式假人和人体数 学模型都很重要；人类尸体试验，也称<%+’=（<BCD /BEDF/ 1G/HI CGJ5FKD DFCD）。尸体试验是碰撞试验研 究的重要方法，主要用于人体损伤力学的研究，试验 的结果也是验证机械试验模型和数学仿真模型的重 要依据；动物试验。用麻醉了的动物作为人的替代 物进行损伤试验，对于取得像脑组织、脊椎等特殊部 位的数据是很重要的。 -A6A( 机械模型 机械模型也称为碰撞试验用假人（LG//M）或拟 人试验装置（;=L,;ID1EBNB/BEN14K DFCD OFP4KF）。假人 在结构、尺寸、质量分布和冲击运动学、动力学特征 方面与人类都相似，并在重要部位的冲击响应方面 具有生物力学保真度。在试验中假人与约束系统一 起使用，可以评价汽车安全装置的性能，并可测试汽 车整车的安全性。 碰撞试验用假人最重要的特性是在各种冲击载 荷的作用下其主要部分，如头、胸、颈或下肢等的响 应与人体的对应部分在同样条件下的响应是否一 致，也就是所谓的生物力学保真度（>4BQ4OFR4DM）。衡 量用假人在测试某一项碰撞响应参数时的保真度的 标准称为生物力学保真度界域（>4BQ4OFR4DM KBEE4OBE）， 它是在人类自愿者或尸体试验基础上，通过生物力 学研究分析而确定的该参数允许变化的范围。假人 的另一个重要特性是碰撞响应参数的测试能力，目 前的科技水平还不能制造出能测试各个方向碰撞响 应参数的单个假人，一般是按其功能分为正面碰撞 和侧面碰撞假人等。 在+MJE4O!假人系列当中，有! 百分位的女性 假人和!)、7! 百分位的男性假人。由于欧盟、加拿 大、澳大利亚和日本等都已决定在前碰撞试验中采 用+,!假人，所以+,!实质上已成为前碰撞唯一法 定的试验假人。6776 年’;S 开发了儿童安全气囊 相互作用假人3T;>2（6 岁）；677( 年U14B 大学与 ’;S 合作开发了" 岁儿童假人。此外，美国还开发。。。。。。。

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