摘要:隨著國內(nèi)外汽車安全法規(guī)的頒布以及人們安全意識(shí)的增加,汽車安全越來越引起人們的重視。借助科技的發(fā)展，汽車制造商，系統(tǒng)制造商以及IC供應(yīng)商引入越來越多產(chǎn)品用于保護(hù)乘員和行人安全。作為汽車領(lǐng)域主要IC供應(yīng)商之一的英飛凌，為汽車安全提供各種產(chǎn)品及解決方案。本文簡(jiǎn)單介紹英飛凌KP200壓力傳感器在側(cè)碰安全,行人保護(hù)以及防夾系統(tǒng)的應(yīng)用。
前言
英飛凌是半導(dǎo)體工業(yè)磁性傳感器和壓力傳感器全球領(lǐng)先的供應(yīng)商之一，產(chǎn)品涵蓋安全系統(tǒng)、動(dòng)力總成、車身系統(tǒng)和舒適電子系統(tǒng)等。截止到今年五月份，英飛凌傳感器芯片累計(jì)出貨量已經(jīng)突破20億大關(guān)[1]。
根據(jù)英飛凌的估計(jì)，英飛凌面向汽車側(cè)氣囊系統(tǒng)的集成式壓力傳感器的全球市場(chǎng)份額約為65%;胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)的市場(chǎng)份額約為50%;用于測(cè)量輪速的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)傳感器的市場(chǎng)份額同樣約為50%[2]。
KP200產(chǎn)品介紹
英飛凌壓力傳感器概述
英飛凌集成式壓力傳感器采用微機(jī)械電子結(jié)構(gòu)電容陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的功能，例如自我診斷功能。處理元件和感應(yīng)單元集成到一個(gè)芯片上，采用標(biāo)準(zhǔn)的汽車認(rèn)證BiCMOS先進(jìn)生產(chǎn)工藝。傳感器單元全數(shù)字化信號(hào)處理結(jié)合高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程，確保英飛凌傳感器的高品質(zhì)。
KP200主要特性
KP200壓力傳感器屬于相對(duì)壓力傳感器，輸出信號(hào)為Δp/p0的壓力變化，即絕對(duì)壓力的變化除以環(huán)境壓力。信號(hào)幅度與環(huán)境壓力無關(guān)，而是取決于壓力的相對(duì)變化。環(huán)境壓力p0是由絕對(duì)壓力通過低通濾波器處理后獲得。傳感器輸出相對(duì)信號(hào)Δp/p0，無需任何外圍邏輯集成電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，節(jié)省了成本。在正常工作模式下，KP200壓力傳感器會(huì)在Phase 1，Phase 2，Phase 3,Phase 4進(jìn)行一系列內(nèi)部診斷，確認(rèn)無誤后在Phase 4進(jìn)行Δp/p0數(shù)據(jù)傳輸，確保了通訊及信號(hào)的可靠性。
KP200壓力傳感器采用PG-DSOF-8-16 SMD封裝，尺寸僅為7mm×7mm。傳感器芯片標(biāo)準(zhǔn)壓力范圍為50.9 kPa至126.5 kPa (509 mbar至1265 mbar或7.4 psi 至18.3 psi)，工作溫度范圍為-40 °C至85 °C，工作電壓為4.5 V至11 V,其電流消耗平均為8mA,靈敏度為20.48 LSB/%。
KP200壓力傳感器符合最新出臺(tái)的側(cè)氣囊標(biāo)準(zhǔn)PSI5和AK-LV 29協(xié)議，可應(yīng)用于汽車側(cè)氣囊和引擎管理系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于行人保護(hù)等新系統(tǒng)。
具有如下主要特性：
同步數(shù)據(jù)傳輸模式PSI5-P10P-500/3L和PSI5-P10P-250/1L;
異步數(shù)據(jù)傳輸模式PSI5-A10P-250/1L;
兼容AK-LV 29協(xié)議;
兩線制曼徹斯特電流調(diào)制協(xié)議;
有英飛凌專利的壓力感應(yīng)單元在線診斷技術(shù)，支持IEC61508 以及ISO 26262 的PRO-SILTM技術(shù);
在線電壓調(diào)制;
相對(duì)壓力信號(hào)Δp/p0;
支持SIL特性。
KP200支持以下SIL特性:
壓力單元和電路在線診斷專利技術(shù);
反向極性保護(hù);
緩沖電容對(duì)芯片短暫掉電保護(hù);
過壓保護(hù);
ROM CRC檢查;
過濾器自我檢查;
真實(shí)性檢查;
內(nèi)置自我檢查功能;
E2PROM前向糾錯(cuò)功能;
E2PROM 編程狀態(tài)檢查;
內(nèi)部環(huán)境壓力檢查。
側(cè)碰檢測(cè)
側(cè)碰安全概況
根據(jù)美國高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)2009年數(shù)據(jù)，在美國因側(cè)面碰撞導(dǎo)致的死亡人數(shù)占總車禍死亡的27% [3]。相比汽車正面碰撞，側(cè)面碰撞更容易造成乘員死亡，這是因?yàn)槠噧蓚?cè)空間相對(duì)較小，沒有足夠空間可以吸收碰撞能量。通過控制司機(jī)的年齡，性別和車型以及重量等變量后發(fā)現(xiàn)，在左邊側(cè)碰車禍中，側(cè)面保護(hù)好的車輛司機(jī)死亡概率比側(cè)面保護(hù)差的車輛要低70%[3]。
隨著因側(cè)碰導(dǎo)致的車禍?zhǔn)鹿试龆啵瑢?duì)于汽車側(cè)碰測(cè)試要求也隨之增強(qiáng)，這就要求側(cè)碰保護(hù)系統(tǒng)能夠迅速可靠地檢測(cè)到側(cè)面碰撞的發(fā)生。歐洲，美國，日本以及澳大利亞新車評(píng)估程序(New Car Assessment Program: NCAP)對(duì)于乘員側(cè)碰安全保護(hù)越來越重視，2003年IIHS開發(fā)出新的側(cè)面碰撞流程用于模擬SUV/皮卡對(duì)乘用車的側(cè)面碰撞。我國《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)(GB 20071-2006)明確規(guī)定，所有M1類車型(9座(以下)4輪(以上)載客機(jī)動(dòng)車輛)和N1類車型(最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量≤3.5噸的4輪(以上)載貨機(jī)動(dòng)車輛)，都必須滿足側(cè)碰“強(qiáng)制性規(guī)定”。
側(cè)碰檢測(cè)系統(tǒng)
在一般的被動(dòng)安全系統(tǒng)中，往往只有加速度傳感器用于檢測(cè)側(cè)向碰撞。而加速度傳感器不足之處在于，一方面因其安裝在車門B柱而車門B柱能夠吸收一定側(cè)碰壓力或者碰撞在車門等位置時(shí)碰撞點(diǎn)與加速度傳感器安裝位置有一定距離，導(dǎo)致對(duì)側(cè)碰的反應(yīng)有一定延遲。由于車身側(cè)面空間相對(duì)較窄，因此要求安全氣囊點(diǎn)火信號(hào)在側(cè)面碰撞要比正面碰撞快，這就要求具有更為快速的感應(yīng)方式。另一方面當(dāng)前懸架離地距離較大的車輛如SUV側(cè)面碰撞乘用車時(shí)，乘用車相對(duì)于SUV而言底盤較低,因而乘用車上加速度傳感器位置相對(duì)SUV前身也較低,導(dǎo)致乘用車被SUV側(cè)面碰撞時(shí)不能及時(shí)檢測(cè)到側(cè)面碰撞的發(fā)生。根據(jù)NCAP測(cè)試數(shù)據(jù)表明[4]，小轎車發(fā)生側(cè)碰時(shí)乘員往往能夠得到較好的保護(hù)，而前懸架離地距離較大的車輛如SUV側(cè)面碰撞乘用車時(shí)，除非被撞車輛很好地配備有頭部保護(hù)氣囊，否則被碰撞車輛乘員頭部和胸部存在更高的受傷風(fēng)險(xiǎn)。
如圖(1)所示為英飛凌被動(dòng)安全解決方案，該系統(tǒng)引入KP200壓力傳感器，將KP200安裝在門腔中，當(dāng)門腔因側(cè)碰而受到擠壓變形時(shí)，KP200能夠迅速地檢測(cè)到門腔壓力變化。KP200壓力傳感器的應(yīng)用使得在側(cè)碰發(fā)生之初就能夠被迅速檢測(cè)到。這一應(yīng)用在多年來被證明是行之有效且可靠性高的方案。
圖(1)：英飛凌被動(dòng)安全方案
通過KP200壓力傳感器和加速度傳感器配合使用,能夠快速檢測(cè)側(cè)碰情況的發(fā)生,并及時(shí)點(diǎn)爆側(cè)碰安全氣囊,從而大幅降低乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)。
英飛凌KP200壓力傳感器應(yīng)用于側(cè)碰安全，具有以下一些優(yōu)勢(shì)：
壓力傳感器反應(yīng)迅速;
整個(gè)門作為感應(yīng)區(qū)域：能夠直接檢測(cè)到車門形變;
基于物理原理，直接反應(yīng)受傷風(fēng)險(xiǎn);
不會(huì)誤觸發(fā)安全氣囊;
安裝方式靈活：可安裝在門腔任何位置;
完全兼容PSI5和AK-LV 29協(xié)議;
行人保護(hù)
行人保護(hù)概況
行人安全是一個(gè)全球性的重要問題，世界衛(wèi)生組織報(bào)告[5]指出交通意外死亡是全球主要傷亡原因之一。估計(jì)有120萬人死亡，50萬人受傷?！吨腥A人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)(2007年度)》數(shù)據(jù)顯示，2007年行人因道路交通意外死亡人數(shù)為21106人，占當(dāng)年全部道路交通死亡人數(shù)的25.85%;行人道路交通事故受傷人數(shù)為70838人，占當(dāng)年全部道路交通事故受傷人數(shù)的18.62%。
在低收入國家，大部分交通意外死亡往往不是駕駛?cè)藛T而是行人(包含自行車,兩輪摩托車等小型交通工具)。而在發(fā)達(dá)國家，行人死亡人數(shù)相對(duì)較低[6]。
目前有三個(gè)新車評(píng)估程序(New Car Assessment Programs NCAP)針對(duì)行人進(jìn)行碰撞測(cè)試。即歐洲NCAP，澳大利亞的ANCAP和日本的JNCAP。歐洲的NCAP的測(cè)試程序是從EEVC基礎(chǔ)上開發(fā)的，澳大利亞ANCAP測(cè)試程序和歐洲NCAP測(cè)試程序相同。國外許多國家已經(jīng)將行人保護(hù)納入法規(guī)。2003年歐盟頒布了2003/102/EC行人碰撞法規(guī)，要求從2005年10月1日歐盟成員國所有新生產(chǎn)的乘用車都要配備行人保護(hù)系統(tǒng)。日本也于2004年頒布實(shí)施了《步行者頭部保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》，要求新生產(chǎn)的車必須安裝行人保護(hù)裝置。
中國于2005年起著手研究起草行人保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，2008年9月通過初步審查，2010年獲批，2013年可實(shí)施?！镀囆腥吮Ｗo(hù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于中國行人的保護(hù)將起重大意義。
行人保護(hù)系統(tǒng)
大部分車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)罩通常為金屬薄板，能夠吸收一定量的碰撞能量，從而減少碰撞對(duì)行人的威脅。最嚴(yán)重的頭部受傷情況往往發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)罩和發(fā)動(dòng)機(jī)組件之間間隙過小的情況。通常發(fā)動(dòng)機(jī)罩和發(fā)動(dòng)機(jī)組件存在約10厘米的間隙時(shí)[7]，在發(fā)生碰撞時(shí)能夠給行人頭部一個(gè)有效的緩沖，從而減少死亡的風(fēng)險(xiǎn)。
該行人保護(hù)系統(tǒng)在汽車前保險(xiǎn)杠中安裝了一個(gè)密封空氣軟管，軟管內(nèi)集成有兩個(gè)KP200壓力傳感器，兩端各有一個(gè)。當(dāng)車輛碰撞到行人時(shí)，軟管會(huì)被壓縮。KP200壓力傳感能夠檢測(cè)到軟管內(nèi)壓力變化，并實(shí)時(shí)評(píng)估這些數(shù)據(jù)，每隔500微秒向安全氣囊中央控制單元發(fā)送壓力變化數(shù)據(jù)。
KP200傳感器記錄這些測(cè)量結(jié)果并處理這些數(shù)據(jù)，平均需要不到40微秒的時(shí)間。中央控制單元對(duì)收到的壓力變化信號(hào)進(jìn)行處理及評(píng)估，判斷是否需要觸發(fā)行人保護(hù)機(jī)制。當(dāng)中央控制單元激活行人保護(hù)機(jī)制時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩里的機(jī)械裝置會(huì)被升高，從而增加行人以及發(fā)動(dòng)機(jī)引擎之間緩沖空間，減輕對(duì)行人的撞擊。在測(cè)量過程中，KP200壓力傳感器不受周圍空氣壓力變化的影響。這是在任何天氣或海拔條件下實(shí)現(xiàn)可靠的撞擊檢測(cè)所必需的。
該行人保護(hù)系統(tǒng)包含兩個(gè)獨(dú)立的KP200壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余。通過兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，每個(gè)壓力傳感器都可以測(cè)量密封軟管內(nèi)壓力變化，并通過相應(yīng)路徑傳給控制單元，確保了系統(tǒng)的安全。同時(shí)，由于裝配有兩個(gè)壓力傳感器，可以補(bǔ)償因密封軟管硬度不同而造成的不均勻性。
門窗防夾保護(hù)
4.1汽車防夾保護(hù)概況
隨著門窗電氣自動(dòng)化程度增加，門窗安全重要性也隨之增加。電動(dòng)車窗存在對(duì)乘員尤其小孩有夾傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要增加門窗防夾保護(hù)。所謂防夾保護(hù)，是指電動(dòng)窗在上升過程中夾住物體并達(dá)到一定力度后，讓電動(dòng)窗自動(dòng)停止或回落，用以防止物體，尤其是人體被夾傷產(chǎn)生事故。
美國規(guī)定2008年10月1日之后在北美銷售乘用車、多功能車以及整車在4.536噸以下的卡車必須滿足針對(duì)電動(dòng)車窗開關(guān)系統(tǒng)的FMVSS118法規(guī)。
美國的FMVSS118和歐洲的74/60/EEC這些國際標(biāo)準(zhǔn)提出了對(duì)門窗防夾技術(shù)的一些要求：
防夾產(chǎn)生作用的適用范圍為距離電動(dòng)窗頂端4mm到200mm的區(qū)域,
最大防夾力為100 N。
當(dāng)遇到障礙物時(shí)，車窗電機(jī)反向。
在電動(dòng)車窗開關(guān)系統(tǒng)這塊，目前國內(nèi)于2008年頒布《車用電動(dòng)窗開關(guān)技術(shù)條件》、《汽車用門窗升降器電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》和《汽車用電動(dòng)窗防夾電子模塊的技術(shù)條件》，對(duì)電動(dòng)窗這一領(lǐng)域的市場(chǎng)進(jìn)行規(guī)范。
4.2新型門窗防夾方法介紹
目前車輛門窗防夾主要有兩種方法:
一種是紅外檢測(cè),缺點(diǎn)是可靠性低,容易受到環(huán)境因素(如大雨、煙霧和灰塵等)影響而導(dǎo)致性能下降，且成本較高。
目前普遍采用的方案是通過電機(jī)控制(又可以分為有霍爾傳感器和無霍爾傳感器兩種方案)來實(shí)現(xiàn)防夾功能。門窗在上升過程中遇到障礙物時(shí)，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)突然增大，可通過檢測(cè)電機(jī)電流來實(shí)現(xiàn)防夾。這種方法比較成熟，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是防夾算法會(huì)比較復(fù)雜，需要考慮重力、摩擦力以及各種類型的干擾后，才能實(shí)現(xiàn)可靠的防夾功能。
一種新的方法是將密封空氣軟管安裝到門窗的邊沿，將英飛凌KP200壓力傳感器連接到密封空氣軟管兩端,用于檢測(cè)軟管內(nèi)壓力變化。當(dāng)門窗關(guān)閉時(shí)被異物阻擋，軟管里壓力會(huì)隨之發(fā)生變化， KP200壓力傳感器能夠輸出成正比的壓力變化信號(hào)。通過改變軟管的硬度，可以調(diào)節(jié)門窗防夾系統(tǒng)的靈敏度。
這種新型防夾保護(hù)方案優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)幅度與環(huán)境壓力無關(guān)，而是取決于壓力的相對(duì)變化。無需任何外圍邏輯集成電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，節(jié)省了成本。信號(hào)幅度直接反應(yīng)壓力的變換，防夾算法容易實(shí)現(xiàn)。其強(qiáng)大的自我診斷功能保證了信號(hào)的可靠性。
結(jié)束語
英飛凌KP200壓力傳感器性能優(yōu)異,能夠快速可靠檢測(cè)空氣壓力變化,且不受外界環(huán)境影響。多年來在汽車安全領(lǐng)域應(yīng)用(如側(cè)碰安全)證明其出色性能，為汽車安全作出重要貢獻(xiàn)。
（轉(zhuǎn)載）
