寶馬新3系F30被動安全系統技術剖析(上)

◆文/北京 周文勝

寶馬新3系F30被動安全系統技術剖析(上)

◆文/北京 周文勝

2012年7月13日，基于“F30”平臺的寶馬新世代3系列在中國正式發布，現已開始銷售。新寶馬328i使用新的4缸渦輪增壓發動機，0～100km/h加速僅需5.9s，與6缸渦輪增壓發動機相比，只相差0.4s，從加速性能上來說，性價比很高。寶馬新世代3系列除了大家熟悉的四門、雙門、敞篷、旅行車版本之外，還加入了一位新成員，即3-GT series。新3系將采用寶馬MSB車身架構。本文將針對寶馬新3系F30被動安全系統技術進行剖析。

一、F30被動安全系統概述

寶馬新3系F30被動安全系統以當前寶馬車型被動安全系統的目標和特性為基礎，符合世界各國相關的法規要求，針對車身和乘員保護系統采取了多項措施。被動安全系統不僅包括乘員保護系統，還包括具有規定防碰撞性能的特殊車身結構，如圖1所示。該系統在車輛發生事故時,可按規定方式減小作用力，從而減輕對乘員的傷害。為進一步降低乘員受到傷害的危險程度，F30被動安全系統使用第4代高級碰撞和安全模塊ACSM作為中央安全氣囊控制單元，中央傳感器系統安裝在ICM內。新型可選配置主動保護裝置(選項5AL)也在F30中首次采用。可選配置主動保護裝置包括PreCrash和PostCrash兩個獨立套裝，在碰撞前后實施乘員保護。

寶馬F30安裝了第4代被動安全系統作為碰撞和安全模塊。第4代被動安全系統僅在2011款寶馬X3 SAV(F25)、2012款寶馬6系敞篷車(F12)、寶馬1系5門車(F20)上有所應用。寶馬新3系F30總線概覽如圖2所示，歐規車型系統電路圖如圖3所示，美規車型系統電路圖如圖4所示。

二、F30被動安全系統功能

1．碰撞和安全模塊功能

碰撞和安全模塊的任務是持續評估所有傳感器信號，以便從中識別出碰撞情況。碰撞和安全模塊根據傳感器信號及其評估結果識別出碰撞方向和碰撞強度。ACSM分析傳感器信息，隨后采取相應措施以便有選擇性地觸發所需的乘員保護系統。碰撞和安全模塊對系統自身進行監控，并以安全氣囊指示燈熄滅的方式表示系統處于準備狀態。如果運行期間出現故障，該故障將被存儲在一個故障碼存儲器內，診斷時可以讀取該故障碼。如果識別到碰撞情況，碰撞和安全模塊就會將具體情況以碰撞信號的形式提供給總線網絡內其他總線設備。隨后，各控制單元根據碰撞的嚴重程度執行各自的工作，具體步驟為：①開啟中控鎖；②接通危險報警燈；③接通車內照明燈；④停用電動燃油泵；⑤關閉輔助加熱器；⑥進行緊急呼叫。

碰撞和安全模塊還具有安全帶聲音警告功能，即通過視覺和聲音信號提醒駕駛員和前排乘客系好安全帶。通過安全帶鎖扣開關確定駕駛員和前排乘客是否系上安全帶。對于配備歐洲特定附加內容(選項230)的車型，其后排安全帶觸點的狀態也是被監控的，并會在組合儀表中顯示；對于美規的車型，碰撞和安全模塊將監控駕駛員和前排乘客的位置。碰撞和安全模塊通常還具有與碰撞相關的功能、系統監控功能和附加舒適功能等。

2．與碰撞相關的功能

碰撞和安全模塊必須執行以下與碰撞相關的功能。

(1)分析傳感器信號

傳感器用于辨別和確認正面、側面和尾部碰撞，以及進行翻車監測。碰撞和安全模塊與傳感器直接連接，并分析和處理傳感器信號。

(2)歐規車型的碰撞識別

歐規車型配備下列傳感器(見圖5)：①B柱內的一個橫向和縱向加速度傳感器(綠色)；②ICM內的一個橫向和縱向加速度傳感器(黃色)；③ICM內的一個滾動速率傳感器(黃色)；④ICM內的一個垂直加速度傳感器(黃色)(③、④傳感器僅限于帶有2VF自適應M底盤或帶停車起步功能的主動巡航控制系統的車輛)。

縱向加速度傳感器可以測量正加速度和負加速度，碰撞和安全模塊借助這些信號可以識別正面碰撞和尾部碰撞；借助橫向加速度傳感器可識別側面碰撞；借助ICM內的滾動速率傳感器和垂直加速度傳感器可以識別翻車情況(僅限于帶有2VF自適應M底盤或5DF ACC Stop & Go的車輛)。碰撞時力作用的方向不垂直于車輛縱軸或橫軸的碰撞以橫向加速度和縱向加速度組合的方式識別。

(3)美規車型的碰撞識別

美規車型配備下列傳感器(見圖6)：①B柱內的一個橫向和縱向加速度傳感器(綠色)；②前車門各有一個安全氣囊傳感器，以監控壓力(藍色)；③ICM內的一個橫向和縱向加速度傳感器(黃色)；④ICM內的一個滾動速率傳感器(黃色)；⑤ICM內的一個垂直加速度傳感器(黃色)；⑥發動機支架上各有一個前傳感器(紅色)。車門上的安全氣囊傳感器協助辨別側面碰撞，發動機支架上的前傳感器協助辨別正面碰撞及其相應的嚴重性。

(4)觸發時刻和觸發順序

碰撞和安全模塊通過傳感器發送的數據確定碰撞方向和碰撞嚴重程度。例如發生正面碰撞時，B柱內的縱向加速度傳感器和ICM內的縱向加速度傳感器必須識別出較高的加速度值，系統根據加速度值按照運算法則得出碰撞嚴重程度和碰撞方向。這些信息可以計算出待啟用的乘員保護系統的觸發時刻和順序。此外，碰撞和安全模塊還能識別即將翻車的情況并啟用相應的保護系統，觸發引爆電路輸出級。

(5)觸發引爆電路輸出級

FEM通過總線端30B提供相關信息給碰撞和安全模塊。碰撞和安全模塊在總線端30B中處于離線模式，這意味著它在數據總線上開啟時即可執行各類診斷功能。引爆電路處于禁止觸發狀態，只有系統從總線端15開始自檢，待自檢結束后才能觸發。即使在發動機關閉時使用邏輯總線端R，碰撞和安全模塊也可準備點火。引爆電容器由開關調節器充電。車輛發生碰撞事故時，引爆電容器提供引爆能量。如果發生碰撞期間供電中斷，引爆電容器暫時用作能量儲備裝置。引爆電路輸出級由一個高壓斷路器和一個低壓斷路器組成。高壓斷路器接通引爆電壓，低壓斷路器接通接地點，引爆電路輸出級由微處理器控制。高壓和低壓電源開關還用于在系統自檢時檢查點火線路。

(6)發送碰撞信號

碰撞事故使乘員保護系統被觸發時，碰撞和安全模塊將一個碰撞信號發送給總線網絡內的相關總線設備，同時通過一個直接單線導線要求TCU觸發緊急呼叫。隨后，各控制單元根據碰撞嚴重程度執行表1中的功能。

(7)碰撞記錄

表1 各控制單元的功能

碰撞事故使一個或多個執行機構被觸發時，碰撞記錄會在一個不可消除的存儲器內存儲。存入三條碰撞記錄后，系統就會存儲一個不可消除的故障碼在存儲器里，同時提示存儲了三條碰撞信息。此外，安全氣囊指示燈持續亮起。發生事故期間也可能存儲三條碰撞記錄，每條碰撞記錄都會分配一個系統時間，存儲三條碰撞記錄后，控制單元仍處于可引爆狀態。碰撞記錄是不可消除的，以便用于以后進行設備診斷。一個控制單元最多可存儲三條碰撞記錄，超過三條后必須更換該控制單元。

(8)緊急呼叫功能

緊急呼叫功能根據各國具體情況而定，在具有寶馬ssist基礎設施的國家可供客戶使用。也就是說，該功能必須擁有相應的服務提供商及呼叫中心。緊急呼叫功能的另一個前提是可以使用電話網絡，必須安裝寶馬Assist可選配置(選項612)，方可使用緊急呼叫功能。

①手動緊急呼叫

未直接受事故影響的駕駛員可以通過手動緊急呼叫請求救援。緊急呼叫按鈕位于車頂功能中心內，直接與COMBOX連接。按壓緊急呼叫按鈕即可與所在國家的相應服務提供商建立通話連接。語音開關內的LED閃爍時表示建立了通話連接。

②自動緊急呼叫

發生一定嚴重程度的碰撞事故時，碰撞和安全模塊就會將一條信息發送給COMBOX，再由COMBOX發出緊急呼叫(如果可發送的話)，呼叫內容中包括車輛所在位置。同時還會嘗試與車內乘員建立通話連接，以便得到事故其他相關的詳細信息(如乘員受傷情況)，從而開始后續救援行動。

③擴展型自動緊急呼叫

此外，在具有寶馬ssist的車輛上還提供擴展型自動緊急呼叫功能。擴展型自動緊急呼叫并非在所有具有寶馬ssist基礎設施的國家都提供。寶馬F30批量上市時，德國、奧地利、意大利、法國、美國、加拿大等市場可提供擴展型自動緊急呼叫功能。在緊急呼叫情況下，來自不同傳感器的數據(如安全帶觸點的狀態等)會傳輸至呼叫中心，以確定車內人數，或者有關碰撞嚴重性的傳感器數據，以了解乘員受傷程度。緊急呼叫還會提供有關事故的附加特殊信息，因此呼叫中心能夠得到更準確的事故和受傷程度信息，這些信息可以轉呈至救援指揮中心，從而確保救援指揮中心能夠采取相應的措施。

3.系統監控功能

碰撞和安全模塊有以下系統監控功能。

(1)系統自檢

碰撞和安全模塊從總線端15起進行系統自檢。系統自檢期間安全氣囊指示燈啟用約5s，如果系統自檢結束時沒有發現故障，安全氣囊指示燈就會熄滅且系統進入準備狀態。

(2)顯示系統準備狀態

組合儀表內的安全氣囊指示燈熄滅表示碰撞和安全模塊處于系統準備狀態。

(3)循環監控

如果順利完成系統自檢且進入準備狀態，系統就會進行循環監控以監測是否出現故障。循環監控功能用于對控制單元和整個安全氣囊系統進行內部診斷。從總線端15起持續進行循環監控，即使發動機關閉到達邏輯總線端R時也會繼續監控。

(4)故障顯示和故障存儲

系統進行循環監控時，安全氣囊指示燈亮起表示故障碼存儲器內有故障記錄，安全氣囊或安全帶鎖扣拉緊器啟動時間等也存儲在故障碼存儲器中。應該注意的是，故障碼存儲器內存有乘員保護系統觸發記錄不表示該乘員保護系統在碰撞事故中損壞，僅表示無法再次觸發這個已引爆的乘員保護系統。

(5)故障輸出(診斷)

借助寶馬診斷系統綜合服務技術，應用ISTA可通過診斷接口讀取故障碼存儲器記錄。排除故障或更換已觸發的組件后，可通過診斷指令“刪除故障碼存儲器記錄”來刪除故障碼記錄。

(6)聲音和視覺安全帶警告

具有碰撞和安全模塊的車輛都標配聲音和視覺安全帶警告功能。碰撞和安全模塊探測駕駛員或前排乘客是否系上安全帶。如果未系安全帶，就會通過聲音和視覺提示信息提醒乘員系上安全帶。

(7)停用安全氣囊

對于歐規車輛，在前排乘客側使用兒童座椅運送兒童時，為安全起見必須停用前排乘客安全氣囊和前排乘客側側面安全氣囊，駕駛員負責停用或啟用前排乘客安全氣囊和前排乘客側側面安全氣囊。采用選項5DA的車型配備前排乘客安全氣囊關閉開關和指示燈，通過使用機械車鑰匙(見圖7)操作前排乘客安全氣囊關閉開關停用前排乘客安全氣囊和前排乘客側側面安全氣囊。前排乘客安全氣囊關閉指示燈的黃色符號亮起時表示處于停用狀態。在寶馬F30中，前排乘客安全氣囊關閉開關位于副駕駛側，如圖8所示。只有當前排乘客一側的車門開啟時，方可接觸該開關；只有在車輛靜止時，該開關方可關閉。

美規車型具有安全氣囊自動關閉功能，以滿足美國公路交通安全管理局(NHTSA)的規定。美國NHTSA的規定中列出兒童座椅中乘坐兒童時必須停用安全氣囊。為了滿足這項規定，前排乘客座椅使用座椅占用識別墊，對前排乘客座椅的乘客進行探測和分類。電容性車內感應墊(CIS墊)是乘客級別3墊(OC3墊)的進一步研發，用于寶馬F30中。CIS墊以120kHz的頻率測量傳感器線路(陽極)和車輛底板(陰極)之間的電容和電阻。CIS墊根據電容和電阻的變化確定占用前排乘客座椅的是成人還是兒童座椅中的兒童。前排乘客安全氣囊、側面安全氣囊和膝部安全氣囊的關閉通過前排乘客安全氣囊關閉指示燈顯示出來。如果在前排乘客座椅上監測到兒童座椅(如根據NHTSA規定經過測試并坐有兒童的兒童保護系統)，或前排乘客座椅無人占用，車頂功能中心內的前排乘客安全氣囊關閉指示燈將亮起。其顯示亮度通過顯示屏照明自動亮度調節功能來調節。

4．主動保護裝置

可選配置主動保護裝置(選項5AL)包括PreCrash和PostCrash兩個獨立的子系統。在危險駕駛情況下，系統通過預防性措施(PreCrash)以及碰撞后措施(PostCrash)提高車輛乘員的安全性。其系統電路圖如圖9所示。

(1)PreCrash系統

PreCrash系統在可能導致事故的已知危險駕駛情況下啟動預防性保護措施。①危險駕駛情況識別

在車內安裝的慣性傳感器系統協助下，PreCrash系統識別危險駕駛情況。危險駕駛情況包括啟動緊急制動、嚴重轉向不足、嚴重轉向過度、車輛翻車。

表2 傳感器的數據信息

對于配備帶停車起步功能的主動巡航控制系統(選項5DF)或偏離車道警告系統(選項5AD)的車型，還將在KAFAS雷達傳感器的協助下，將所識別到的威脅性碰撞考慮在內。如果同時安裝兩個系統，那么將評估雷達傳感器所識別的碰撞。PreCrash系統的識別為KAFAS或FRR啟動PreCrash功能設置單獨的碰撞警告限值。表2為PreCrash功能根據具體車型配置評估傳感器數據概覽。傳感器數據分析在REMA_LI和REMA_RE控制單元中執行。這兩個控制單元集成在可逆電機驅動收卷機構(REMA)中，后者與具體的安全帶收卷機構或安全帶伸縮機構連接。控制單元REMA_LI和REMA_RE是PT-CAN中的總線從控單元。車輛左側的REMA_LI控制單元負責PreCrash系統的主功能。

②乘員保護措施

如果監測到危險駕駛的情況，將采取減少安全帶松弛部分、關閉側窗玻璃或關閉滑動/外翻式天窗等措施以保護乘員。如果已經識別危險駕駛的情況，在安全帶觸點關閉的情況下，駕駛員和前排乘客的安全帶將可逆拉緊，并減少安全帶的松弛部分，作為REMA的預防措施，以提高安全帶拉緊器的有效性并減少碰撞情況下的受傷嚴重性。只要危險駕駛情況不再存在，安全帶將再次放松。關閉側窗和滑動/外翻式天窗能夠在碰撞時避免物體進入乘客艙。如果車輛在碰撞后處于靜止，側窗將部分開啟，以便安全氣囊觸發時所釋放的氣體能夠更加快速地溢出。車窗和滑動/外翻式天窗的控制由控制單元REMA_LI執行。此外，REME也可提供舒適拉緊功能。在車速約10km/h的情況下，安全帶觸點關閉時都能減少駕駛員和前排乘客的安全帶松弛部分。(未完待續)