宝马被动安全系统功能解析
BMWCHE/2015-11-19/技术解析/阅读:次
一、概述
(一) 隠藏式保护装置
被动安全系统能够满足世界各国的相关法规要求。在 F30上，针对车身和乘员保护系统，采用了很多措施。被动安全系统不仅包括乘员保护系统，还包括具有防碰撞性能的特殊车身结构。当发生碰撞事故时，车身可按规定方式减少作用力，减轻对乘员的伤害。乘员保护系统负责进一步降低乘员受伤危险。具有防碰撞性能的F30车身结构见下图。
具有防碰撞性能的F30车身结构图
第四代高级碰撞和安全模块 (AcsM模块) 是 F30被动安全系统的中央安全气囊控制模块。中央传感器安装在集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块)内。
作为选配装置的主动保护装置首次在 F30 中应用。主动保护裝置有两个子系统： Precrash 系统和 Post Crash系统。Precrash系统可以在碰撞前对乘员进行保护，Post Crash系统可以在碰撞后对乘员进行保护。
(二)车型对比
在以往的车型中安装多方位乘员保护系统控制模块 (MRS控制模块) 或其他版本的碰撞和安全模块。被动安全系统的车型对比见下表。
被动安全系统的车型对比图
二、系统电路图
(一)欧规车型 F30被动安全系统电路图
碰撞和安全模块是被动安全系统的主控模块，它与PT-CAN总线相连。欧规车型 F30被动安全系统电路图见下图。
1.仪表板(KOMBI) 2.碰撞和安全模块(ACSM模块)
3.前部电子模块(FEM模块) 4.30号电源
5.前乘客安全气囊关闭开关
6.前乘客安全气囊关闭指示灯(车顶功能中心内)
7.右侧头部安全气囊 8.右侧B柱加速度传感器
9.前乘客安全气囊 10.前乘客安全带锁扣拉紧器
11.前乘客安全带锁扣开关 12.前乘客侧面安全气囊
13.座椅占用识别垫 (SBR) 14.右后座椅安全带锁扣开关
15.安全蓄电池接线柱(SBK) 16.紧急呼叫和多媒体模块(COMBOX模块)
17.中后座椅安全带锁扣开关 18.左后座椅安全带锁扣开关
19.集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块) 20.驾驶员侧面安全气囊
3.前部电子模块(FEM模块) 4.30号电源
5.前乘客安全气囊关闭开关
6.前乘客安全气囊关闭指示灯(车顶功能中心内)
7.右侧头部安全气囊 8.右侧B柱加速度传感器
9.前乘客安全气囊 10.前乘客安全带锁扣拉紧器
11.前乘客安全带锁扣开关 12.前乘客侧面安全气囊
13.座椅占用识别垫 (SBR) 14.右后座椅安全带锁扣开关
15.安全蓄电池接线柱(SBK) 16.紧急呼叫和多媒体模块(COMBOX模块)
17.中后座椅安全带锁扣开关 18.左后座椅安全带锁扣开关
19.集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块) 20.驾驶员侧面安全气囊
21.驾驶员安全带锁扣开关 22.驾驶员安全带锁扣拉紧器
23.驾驶员安全气囊 24.卷簧 25.左侧 B柱加速度传感器
23.驾驶员安全气囊 24.卷簧 25.左侧 B柱加速度传感器
26.左側头部安全气囊 KL30.30号电源 PT-CAN.动力总线
欧规车型F30被动安全系统电路图
(二)美规车型 F30被动安全系统电路图
与欧规车型相比，美规车型被动安全系统增加了前方传感器、 座椅位置传感器、 自适应安全带限力器等部件。美规车型F30被动安全系统电路图见下图。
1.发动机左支架前方传感器 2.仪表板(KOMBI)
3.碰撞和安全模块(ACSM模块) 4.发动机右支架前方传感器
5.前部电子模块(FEM模块) 6.30号电源
7.右侧车门安全气囊传感器(压力型) 8.前乘客侧头部安全气嚢
9.右侧B柱加速度传感器 10.前乘客安全气囊关闭指示灯
11.前乘客膝部安全气囊 12.带两级通风系统的前乘客安全气囊
13.前乘客安全带锁扣开关 14.前乘客座椅位置传感器
15.前乘客安全带锁扣拉紧器 16.座椅占用识别垫(CIS垫)
17.前乘客侧面安全气囊 18.前乘客白动拉紧器
19.前乘客自适应安全带限力器 (仅限配备主动保护装置的车型)
20.安全蓄电池接线柱(sBK) 21.紧急呼叫和多媒体模块(COMBOX模块)
22.集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块) 23.驾驶员侧面安全气囊
24.驾驶员安全带锁扣拉紧器
25.驾驶员座椅位置传感器(仅限没有位置记忆功能的电动座椅)
26.驾驶员安全带锁扣开关
27.驾驶员自适应安全带限力器(仅限配备主动保护装置的车型)
28.驾驶员自动拉紧器 29.左侧 B柱加速度传感器
30.驾驶员侧头部安全气囊 31.带两级通风系统的驾驶员安全气囊
32.驾驶员膝部安全气嚢 33.卷簧
34.左侧车门安全气囊传感器(压力型) KL30.30号电源 LIN-Bus.LIN总线 PT-CAN.动力总线
3.碰撞和安全模块(ACSM模块) 4.发动机右支架前方传感器
5.前部电子模块(FEM模块) 6.30号电源
7.右侧车门安全气囊传感器(压力型) 8.前乘客侧头部安全气嚢
9.右侧B柱加速度传感器 10.前乘客安全气囊关闭指示灯
11.前乘客膝部安全气囊 12.带两级通风系统的前乘客安全气囊
13.前乘客安全带锁扣开关 14.前乘客座椅位置传感器
15.前乘客安全带锁扣拉紧器 16.座椅占用识别垫(CIS垫)
17.前乘客侧面安全气囊 18.前乘客白动拉紧器
19.前乘客自适应安全带限力器 (仅限配备主动保护装置的车型)
20.安全蓄电池接线柱(sBK) 21.紧急呼叫和多媒体模块(COMBOX模块)
22.集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块) 23.驾驶员侧面安全气囊
24.驾驶员安全带锁扣拉紧器
25.驾驶员座椅位置传感器(仅限没有位置记忆功能的电动座椅)
26.驾驶员安全带锁扣开关
27.驾驶员自适应安全带限力器(仅限配备主动保护装置的车型)
28.驾驶员自动拉紧器 29.左侧 B柱加速度传感器
30.驾驶员侧头部安全气囊 31.带两级通风系统的驾驶员安全气囊
32.驾驶员膝部安全气嚢 33.卷簧
34.左侧车门安全气囊传感器(压力型) KL30.30号电源 LIN-Bus.LIN总线 PT-CAN.动力总线
美规车型F30被动安全系统电路图
三、系统功能
(一) 碰撞和安全模块功能
碰撞和安全模块根据相关传感器信号识别碰撞方向和碰撞强度，然后采取相应措施，以便有选择地触发乘员保护系统。该模块对系统自身进行监控并以安全气囊警告灯熄灭的方式表示系统处于准备状态。如果系统在运行期间出现故障，那么碰撞和安全模块将存储相关故障码。
如果碰撞和安全模块识别到碰撞情况，那么该模块将通过总线发送碰撞信号，随后相关模块根据碰撞严重程度执行相应的工作，包括： 开启中控锁，接通危险报警灯，接通车内照明灯，停用电动燃油泵，关闭辅助加热器，进行紧急呼叫。
碰撞和安全模块的功能分为以下几个方面： 与碰撞相关的功能、 系统监控功能、 附加舒适功能。碰撞和安全模块有一项安全带声音警告功能，即通过视觉和声音信号提醒驾驶员和前乘客系好安全带。前排座椅的安全带锁扣开关用于识别驾驶员和/或前乘客是否系安全带。前排乘客座椅占用信号也用于安全带声音警告功能。对于特定的欧规车型，后排座椅安全带锁扣开关的状态受到监控，相关信息由仪表板显示。对于美规车型，驾驶员座椅和前排乘客座椅的位置受到监控。
(二) 与碰撞相关的功能
碰撞和安全模块执行以下与碰撞相关的功能： 分析传感器信号，识别碰撞，确定需要启动的执行机构，确定触发时刻和触发顺序，触发引爆电路的输出级部件，将碰撞信号发送至总线设备，记录碰撞信息，激活紧急呼叫功能。
1、分析传感器信号
相关传感器用于识别正面、 侧面和尾部碰撞以及进行翻车监测。这些传感器与碰撞和安全模块直接相连。碰撞和安全模块对这些传感器的信号进行分析和处理。
2、欧规车型的碰撞识别
欧规车型配备与碰撞识别相关的传感器。
(1) B柱内有一个横向和纵向加速度传感器。
(2) 集成式底盘管理控制模块内部有一个横向和纵向加速度传感器。
(3)集成式底盘管理控制模块内部有一个滚动速率传感器(仅限于带有2VF自适应 M底盘或停车起步功能的主动定速巡航控制系统的车辆)。
(4)集成式底盘管理控制模块内部有一个垂直加速度传感器(仅限于带有2VF自适应 M底盘或停车起步功能的主动定速巡航控制系统的车辆)。
纵向加速度传感器能够测量纵向加速度，碰撞和安全模块根据这些信号识别正面碰撞或尾部碰撞。横向加速度传感器能够识别横向加速度，碰撞和安全模块根据该信号识别侧面碰撞。碰撞和安全模块根据滚动速率传感器和垂直加速度传感器的信号识别翻车情况。需要说明的是，对于作用方向不垂直于车辆纵轴或横轴的碰撞情况，碰撞和安全模块以纵向加速度信号和横向加速度信号的组成方式来进行识别。F30欧规车型的碰撞识别传感器见下图。
F30欧规车型的碰通识别传感器图
3、美规车型的碰撞识别
美规车型配备与碰撞识别相关的传感器。
(1) B柱内有一个横向和纵向加速度传感器。
(2) 每个前部车门各有一个安全气囊传感器，该传感器用于监控车门内的压力，从而协助识别侧面碰撞。
(3)集成式底盘管理控制模块内部有一个横向和纵向加速度传感器。
(4)集成式底盘管理控制模块内部有一个滚动速率传感器。
(5)集成式底盘管理控制模块内部有一个垂直加速度传感器。
(6)发动机支架的左侧、右侧各有一个前方传感器，该传感器协助识别正面碰撞以及碰撞的严重性。
F30美规车型的碰撞识别传感器见下图。
F30美规车型的碰撞识别传感器
4、触发时刻和触发顺序
碰撞和安全模块根据相关传感器的信号确定碰撞方向和碰撞严重程度。例如，当车辆发生正面碰撞时，B柱内的纵向加速度传感器和集成式底盘管理控制模块内部的纵向加速度传感器检测到较高的加速度值，系统根据该加速度值得出碰撞方向和碰撞严重程度，然后得出相应的乘员保护系统触发时刻和触发顺序，从而触发相关的引爆电路。
5、触发引爆电路.
前部电子模块通过总线端3oB向碰撞和安全模块提供电源。在点火开关关闭的情况下，引爆电路处于禁止状态。只有当总线端l5接通且系统自检结束后，引爆电路才能被触发。在发动机关闭且总线端 R接通的情况下，碰撞和安全模块仍可以执行触发功能。
引爆电容器由开关调节器充电。当车辆发生碰撞时，引爆电容器提供引爆能量。如果在碰撞期间碰撞和安全模块供电中断，那么引爆电容器暂时用作能量储备装置。
引爆电路输出级由一个高压断路器和一个低压断路器组成。高压断路器接通引爆电压，低压断路器接通接地点。引爆电路输出级由碰撞和安全模块的微处理器控制。此外，高压断路器和低压断路器还用于当系统自检时进行点火线路检查。
6、发送碰撞信号
当发生碰撞事故使乘员保护系统触发时，碰撞和安全模块将一个碰撞信号发送到总线上的相关设备，同时通过一条单独导线发送紧急呼叫信号，随后，相关设备根据碰撞信号执行以下功能：
(1) 发动机控制模块利用电动燃油泵控制系统使电动燃油泵停止运转。
(2) 自动空调控制模块关闭辅助加热器。
(3) 前部电子模块和后部电子模块开启中控锁系统，接通危险报警灯和车内照明灯。
(4) 紧急呼叫和多媒体模块发送紧急呼叫信号。
7、碰撞记录
当发生碰撞事故使一个或多个执行机构触发时，碰撞和安全模块将在一个不可擦除的存储器内存储一个碰撞记录信息，安全气囊警告灯持续点亮。每个碰撞记录信息都分配了一个系统时问，以便进行诊断。当3个碰撞事故被记录后，碰撞和安全模块将存储一个不可擦除的故障码。该故障码只用于诊断，不可擦除。也就是说，碰撞和安全模块最多可存储3个碰撞记录信息，此后必须更换该模块。
需要说明的是，在一次碰撞事故期间，碰撞和安全模块可能存储3个碰撞记录信息。当3 个碰撞记录信息被存储后，碰撞和安全模块仍处于可触发状态。
8、紧急呼叫功能
车辆是否有紧急呼叫功能根据各国情况而定。必须拥有相应的服务提供商及呼叫中心以及可使用的电话网络，而且车辆本身必须安装相关的辅助设备(BMW Assist)，才能使用紧急呼叫功能。
(1) 手动紧急呼叫功能。未直接受事故影响的驾驶员可以利用手动紧急呼叫装置请求救援。紧急呼叫按钮位于车顶功能中心内，该按钮与紧急呼叫和多媒体模块相连。按下该按钮，即可与所在国家的相应服务提供商建立通话连接。当语音开关内的 LED闪烁时，表示已建立起通话连接。
(2) 自动紧急呼叫功能。当碰撞事故达到一定严重程度时，碰撞和安全模块将一条信息发送至紧急呼叫和多媒体模块，该模块发出紧急呼叫 (如果可发送的话)，呼叫内容包括车辆所在位置。服务提供商将尝试与车内乘员建立通话连接，以便得到有关事故的其他详细信息，从而开始后续的救援行动。
(3)扩展型紧急呼叫功能。以下国家可提供扩展型紧急呼叫功能服务：德国、奥地利、意大利、 法国、 美国和加拿大。在紧急呼叫情况下，来自不同传感器的数据被传送至呼叫中心进行处理。例如，安全带开关的状态数据用于确定车内人数，碰撞严重数据用于了解受伤危险的可能性。呼叫中心得到的数据可转送至救援指挥中心，从而确保救援指挥中心采取相应措施。
(三)系统监控功能
碰撞和安全模块具备以下与系统监控相关的功能。
1、系统自检(行驶前检査)
当总线端15接通时，碰撞和安全模块进行系统自检。在系统自检期间，安全气囊警告灯点亮约5s。如果系统自检结束时没有发现故障，那么安全气囊警告灯熄灭，碰撞和安全模块进入准备状态。
2、显示系统准备状态信息
当仪表板内的安全气嚢警告灯熄灭时，表示碰撞和安全模块处于准备状态。
3、循环监控
如果碰撞和安全模块顺利完成系统白检且进入准备状态，那么该模块将进行循环监控，检査系统是否出现故障。循环监控功能用于对碰撞和安全模块本身和整个系统的内部诊断。从总线端15接通起，循环监控持续进行，即使在发动机关闭且总线端 R接通的情况下，循环监控也持续进行。
4、故障信息显示和存储
如果安全气嚢警告灯一直点亮，那么表示碰撞和安全模块检测到故障并记录故障信息。
5、故障信息输出(诊断)
利用诊断仪可以读取碰撞和安全模块的故障信息。当排除故障或更換已触发的部件后，需要通过诊断指令 (删除故障码存储器记录) 来删除故障码。
6、声音和视觉安全带警告
声音和视觉安全带警告功能是标准配置功能。如果碰撞和安全模块检测到前排座椅安全带没有系上，那么将发出声音和视觉信号，提醒乘员系上安全带。
7、停用安全气囊
(1) 欧规车型。如果在前排乘客座椅上安装儿童座椅，那么必须停用前乘客安全气囊和前乘客侧面安全气囊。利用机械钥匙操作前乘客安全气囊关闭开关，可以停用这两个安全气囊。前乘客安全气囊关闭开关位于前乘客侧的仪表台上，只有当打开前乘客车门时，才能接触到该开关。F30前乘客安全气囊关闭开关见下图。
F30前乘客安全气囊关闭开关
(2) 美规车型。美规车型提供安全气囊白动关闭功能，以满足美国公路交通安全管理局(NHTSA) 的规定。规定指出当儿童座椅中乘坐儿童时，必须停用相关的安全气囊。为了满足这项规定，前排乘客座椅配备座椅占用识别垫，以便对前排乘客座椅的乘客进行探测和分类。
F30配备的是电容性车内感应垫(CIS垫)，该垫是乘客识别垫(0C3垫)的改进产品。cIs 垫有两个元件，一个是传感器线路(平行于座椅加热线路)，另一个是评估装置。cIs垫以l20Hz的频率测量传感器线路(阳极)和车辆底板(阴极)之间的电容和电阻。评估装置根据电容和电阻的变化情况判断占用前排乘客座椅的人，是成人还是儿童座椅中的儿童。如果评估装置监测到在前排乘客座椅上装有儿童座椅或者前排乘客座椅无人占用，那么车顶功能中心的前乘客安全气囊关闭指示灯点亮。前乘客安全气囊、 侧面安全气囊和膝部安全气囊被关闭。
(四) 主动保护装置
在危险驾驶状况下，系统通过预防性措施(Precrash系统)和碰撞后措施(PostCrash系统) 提高乘员安全性。F30主动保护装置电路图见下图。
1.动态稳定控制模块(DSC控制模块) 2.碰撞和安全模块(ACsM模块)
3.带停车起步功能的主动定速巡航系统雷达传感器(ACCSEN)
4.汽油/柴油发动机控制模块(DME/DDE控制模块)
5.前部电子模块(FEM模块) 6.右前车窗升降器电动机
7.车顶功能中心(FZD) 8.集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块)
9.右侧可逆电动机驱动收卷机构(RE- MARE) l0.右后车窗升降器电动机
11.后部配电盒 12.后部电子模块(REM模块)
13.左侧可逆电动机驱动收卷机构(REMALI) 14.左后车窗升降器电动机
15.滑动/外翻式天窗电动机 16.左前车窗升降器电动机
17.驾驶员辅助系统控制模块(KAFAS控制模块) K130.30号电源 KL.30B.30B号电源 FlexRay.快速预定容错总线 K-CAN2.车身总线2 PT-CAN.动力总线 S-CAN.S总线
3.带停车起步功能的主动定速巡航系统雷达传感器(ACCSEN)
4.汽油/柴油发动机控制模块(DME/DDE控制模块)
5.前部电子模块(FEM模块) 6.右前车窗升降器电动机
7.车顶功能中心(FZD) 8.集成式底盘管理控制模块(ICM控制模块)
9.右侧可逆电动机驱动收卷机构(RE- MARE) l0.右后车窗升降器电动机
11.后部配电盒 12.后部电子模块(REM模块)
13.左侧可逆电动机驱动收卷机构(REMALI) 14.左后车窗升降器电动机
15.滑动/外翻式天窗电动机 16.左前车窗升降器电动机
17.驾驶员辅助系统控制模块(KAFAS控制模块) K130.30号电源 KL.30B.30B号电源 FlexRay.快速预定容错总线 K-CAN2.车身总线2 PT-CAN.动力总线 S-CAN.S总线
F30主动保护装量电路图
1、Precrash系统
(1) 危险驾驶情况识别。在惯性传感器系统的协助下，Precrash系统能够识别危险驾驶情况。危险驾驶情况包括：启动紧急制动，转向严重不足，转向严重过度、车辆翻车。
对于配备带停车起步功能的主动定速巡航控制系统或偏离车道警告系统的车辆，Precrash 系统还能够在雷达传感器的协助下识别威胁性碰撞。
左侧可逆电动机驱动收卷机构和右侧可逆电动机驱动收卷机构是PT-CAN 总线的用户，它们对相关传感器的信号进行分析和处理。左侧可逆电动机驱动收卷机构是 Precrash 系统的主控模块。
(2) 乘员保护措施。如果 Precrash系统监测到危险驾驶情况，那么该系统将采取以下措施来保护乘员： 减少安全带的松弛部分，关闭车窗玻璃，关闭滑动/外翻式天窗。此时若安全带开关处于关闭状态，则驾驶员和前乘客的安全带将被拉紧。当危险情况不再存在时，这两条安全带将被放松。
车窗玻璃和滑动/外翻式天窗由左侧可逆电动机驱动收卷机构控制。关闭车窗玻璃和滑动/ 外翻式天窗的目的是避免当碰撞时物体进入车厢。如果车辆在碰撞后处于静止状态，那么车窗玻璃将部分开启，以便安全气囊触发时所释放的气体能够更快地排出。
(3)可逆电动机驱动收卷机构的设计与功能。可逆电动机驱动收卷机构是在现有的惯性收卷机构的功能基础上进行改进的产品，它主要包括控制装置、电动机、变速器、离合器等部件。可逆电动机驱动收卷机构利用这些部件将安全带收卷机构或自动拉紧器连接在一起。F30可逆电动机驱动收卷机构见下图。
1.安全带收卷机构/自动拉紧器 2.离合器钟形箱
3.皮带轴 4.配备离合器的从动齿轮 5.变速器 6.电动机
3.皮带轴 4.配备离合器的从动齿轮 5.变速器 6.电动机
F30可逆电动机驱动收卷机构图
在可逆电动机驱动收卷机构没有运转的情况下，制动爪处于收回状态，离合器钟形箱和度带轴可自由旋转，安全带可被拉出或卷入。在可逆电动机驱动收卷机构运转的情况下，电动机利用传动轴使从动齿轮旋转，使制动爪伸出并接触到离合器钟形箱。由于安全带缠绕在皮带轴上，因此安全带被收紧，从而保护乘员： F30可逆电动机驱动收卷机构工作原理见下图。
1.传动轴齿轮 2.蜗轮 3.配备离合器的从动齿轮
F30可逆电动机驱动收卷机构工作原理图
可逆电动机驱动收卷机构的控制装置在变速器盖的下方，它是一个电子装置，与PT-CAN总线相连，见下图。
1.控制装置
F30可逆电动机驱动收卷机构的控制装置
2、Post Crash系统
在特定事故情况下，Post Crash系统执行自动制动功能，使车辆制动到停止，不需要驾驶员操作，从而减少再次碰撞的危险。当事故发生后，驾驶员踩下制动踏板或加速踏板，从而解除自动制动功能。
如果碰撞和安全模块识别出较严重的碰撞事故，那么自动制动功能在事故发生后被激活。碰撞和安全模块向电动燃油泵控制系统发送信号，停用电动燃油泵，该信号由动态稳定控制模块进行分析。此后，动态稳定控制模块在 DSc液压泵的协助下使车辆制动至静止。在执行自动制动功能期间，系统将对加速踏板和制动踏板进行监控，如果发现加速请求信号或制动踏板被踩下较长时间，那么白动制动功能将被解除。
在执行自动制动功能期间，防抱死制动系统避免车轮抱死，动态稳定控制系统对车辆进行稳定控制(即使在 DSC OFF模式下，也将进行稳定控制)。当车辆静止约1.5s后，制动系统将被启动，从而防止车辆滑动。
以下情况将导致自动制动功能失效： 碰撞导致安全蓄电池接线柱松脱，防抱死制动系统在碰撞前已发生故障，动态稳定控制系统在碰撞前已发生故障，制动液液位过低。
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