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KP200在汽车安全领域的创新应用

摘要:随着国内外汽车安全法规的颁布以及人们安全意识的增加,汽车安全越来越引起人们的重视。借助科技的发展，汽车制造商，系统制造商以及IC供应商引入越来越多产品用于保护乘员和行人安全。作为汽车领域主要IC供应商之一的英飞凌，为汽车安全提供各种产品及解决方案。本文简单介绍英飞凌KP200压力传感器在侧碰安全,行人保护以及防夹系统的应用。
关键词:KP200,汽车安全,侧碰安全,行人保护，防夹系统
KP200 Innovation Application in Vehicle Safety
Xifu He
(Infineon Technologies China Co., Ltd Shanghai 201203)
Abstract: As the implementation of automotive safety regulations and the increase of safety awareness, automotive safety has drawn more attention. Thanks to the development of new technology, OEM, Tire1 and IC suppliers introduce more and more products to protect occupant and pedestrian. Infineon is one of the world marketed leaders in automotive marketing, has already provided all kinds of products and solutions for automotive safety. This paper simply describes the Infineon KP200 pressure sensor in side crash safety, pedestrian protection and pinch protection application.
Key words: KP200, Automotive safety, side crash detection, pedestrian protection，pinch protection
前言
英飞凌是半导体工业磁性传感器和压力传感器全球领先的供应商之一，产品涵盖安全系统、动力总成、车身系统和舒适电子系统等。截止到今年五月份，英飞凌传感器芯片累计出货量已经突破20亿大关[1]。
根据英飞凌的估计，英飞凌面向汽车侧气囊系统的集成式压力传感器的全球市场份额约为65%；胎压监控系统（TPMS）的市场份额约为50%；用于测量轮速的防抱死制动系统（ABS）传感器的市场份额同样约为50%[2]。
KP200产品介绍
英飞凌压力传感器概述
英飞凌集成式压力传感器采用微机械电子结构电容阵列，能够实现强大的功能，例如自我诊断功能。处理元件和感应单元集成到一个芯片上，采用标准的汽车认证BiCMOS先进生产工艺。传感器单元全数字化信号处理结合高标准生产流程，确保英飞凌传感器的高品质。

KP200主要特性
KP200压力传感器属于相对压力传感器，输出信号为Δp/p0的压力变化，即绝对压力的变化除以环境压力。信号幅度与环境压力无关，而是取决于压力的相对变化。环境压力p0是由绝对压力通过低通滤波器处理后获得。传感器输出相对信号Δp/p0，无需任何外围逻辑集成电路对信号进行进一步处理，节省了成本。在正常工作模式下，KP200压力传感器会在Phase 1，Phase 2，Phase 3,Phase 4进行一系列内部诊断，确认无误后在Phase 4进行Δp/p0数据传输，确保了通讯及信号的可靠性。

KP200压力传感器采用PG-DSOF-8-16 SMD封装，尺寸仅为7mm×7mm。传感器芯片标准压力范围为50.9 kPa至126.5 kPa （509 mbar至1265 mbar或7.4 psi 至18.3 psi），工作温度范围为-40 °C至85 °C，工作电压为4.5 V至11 V,其电流消耗平均为8mA,灵敏度为20.48 LSB/%。
KP200压力传感器符合最新出台的侧气囊标准PSI5和AK-LV 29协议，可应用于汽车侧气囊和引擎管理系统，也可以应用于行人保护等新系统。具有如下主要特性：
同步数据传输模式PSI5-P10P-500/3L和PSI5-P10P-250/1L；
异步数据传输模式PSI5-A10P-250/1L；
兼容AK-LV 29协议；
两线制曼彻斯特电流调制协议；
有英飞凌专利的压力感应单元在线诊断技术，支持IEC61508 以及ISO 26262 的PRO-SILTM技术；
在线电压调制；
相对压力信号Δp/p0；
支持SIL特性。
KP200支持以下SIL特性:
压力单元和电路在线诊断专利技术；
反向极性保护；
缓冲电容对芯片短暂掉电保护；
过压保护；
ROM CRC检查；
过滤器自我检查；
真实性检查；
内置自我检查功能；
E²PROM前向纠错功能；
E²PROM 编程状态检查；
内部环境压力检查。

侧碰检测
侧碰安全概况
根据美国高速公路安全保险协会（IIHS）2009年数据，在美国因侧面碰撞导致的死亡人数占总车祸死亡的27% [3]。相比汽车正面碰撞，侧面碰撞更容易造成乘员死亡，这是因为汽车两侧空间相对较小，没有足够空间可以吸收碰撞能量。通过控制司机的年龄，性别和车型以及重量等变量后发现，在左边侧碰车祸中，侧面保护好的车辆司机死亡概率比侧面保护差的车辆要低70%[3]。

随着因侧碰导致的车祸事故增多，对于汽车侧碰测试要求也随之增强，这就要求侧碰保护系统能够迅速可靠地检测到侧面碰撞的发生。欧洲，美国，日本以及澳大利亚新车评估程序（New Car Assessment Program: NCAP）对于乘员侧碰安全保护越来越重视，2003年IIHS开发出新的侧面碰撞流程用于模拟SUV/皮卡对乘用车的侧面碰撞。我国《汽车侧面碰撞的乘员保护》标准(GB 20071-2006)明确规定，所有M1类车型(9座(以下)4轮(以上)载客机动车辆)和N1类车型(最大设计总质量≤3.5吨的4轮(以上)载货机动车辆)，都必须满足侧碰“强制性规定”。
侧碰检测系统
在一般的被动安全系统中，往往只有加速度传感器用于检测侧向碰撞。而加速度传感器不足之处在于，一方面因其安装在车门B柱而车门B柱能够吸收一定侧碰压力或者碰撞在车门等位置时碰撞点与加速度传感器安装位置有一定距离，导致对侧碰的反应有一定延迟。由于车身侧面空间相对较窄，因此要求安全气囊点火信号在侧面碰撞要比正面碰撞快，这就要求具有更为快速的感应方式。另一方面当前悬架离地距离较大的车辆如SUV侧面碰撞乘用车时，乘用车相对于SUV而言底盘较低,因而乘用车上加速度传感器位置相对SUV前身也较低,导致乘用车被SUV侧面碰撞时不能及时检测到侧面碰撞的发生。根据NCAP测试数据表明[4]，小轿车发生侧碰时乘员往往能够得到较好的保护，而前悬架离地距离较大的车辆如SUV侧面碰撞乘用车时，除非被撞车辆很好地配备有头部保护气囊，否则被碰撞车辆乘员头部和胸部存在更高的受伤风险。
如图(1)所示为英飞凌被动安全解决方案，该系统引入KP200压力传感器，将KP200安装在门腔中，当门腔因侧碰而受到挤压变形时，KP200能够迅速地检测到门腔压力变化。KP200压力传感器的应用使得在侧碰发生之初就能够被迅速检测到。这一应用在多年来被证明是行之有效且可靠性高的方案。

图（1）：英飞凌被动安全方案
通过KP200压力传感器和加速度传感器配合使用,能够快速检测侧碰情况的发生,并及时点爆侧碰安全气囊,从而大幅降低乘员受伤风险。
KP200压力传感器优势
英飞凌KP200压力传感器应用于侧碰安全，具有以下一些优势：
压力传感器反应迅速；
整个门作为感应区域：能够直接检测到车门形变；
基于物理原理，直接反应受伤风险；
不会误触发安全气囊；
安装方式灵活：可安装在门腔任何位置；
完全兼容PSI5和AK-LV 29协议；

行人保护
行人保护概况
行人安全是一个全球性的重要问题，世界卫生组织报告[5]指出交通意外死亡是全球主要伤亡原因之一。估计有120万人死亡，50万人受伤。《中华人民共和国道路交通事故统计年报(2007年度)》数据显示，2007年行人因道路交通意外死亡人数为21106人，占当年全部道路交通死亡人数的25.85%；行人道路交通事故受伤人数为70838人，占当年全部道路交通事故受伤人数的18.62%。
在低收入国家，大部分交通意外死亡往往不是驾驶人员而是行人（包含自行车,两轮摩托车等小型交通工具）。而在发达国家，行人死亡人数相对较低[6]。
目前有三个新车评估程序（New Car Assessment Programs NCAP）针对行人进行碰撞测试。即欧洲NCAP，澳大利亚的ANCAP和日本的JNCAP。欧洲的NCAP的测试程序是从EEVC基础上开发的，澳大利亚ANCAP测试程序和欧洲NCAP测试程序相同。国外许多国家已经将行人保护纳入法规。2003年欧盟颁布了2003/102/EC行人碰撞法规，要求从2005年10月1日欧盟成员国所有新生产的乘用车都要配备行人保护系统。日本也于2004年颁布实施了《步行者头部保护标准》，要求新生产的车必须安装行人保护装置。
中国于2005年起着手研究起草行人保护标准，2008年9月通过初步审查，2010年获批，2013年可实施。《汽车行人保护标准》对于中国行人的保护将起重大意义。
行人保护系统
大部分车辆的发动机罩通常为金属薄板，能够吸收一定量的碰撞能量，从而减少碰撞对行人的威胁。最严重的头部受伤情况往往发生在发动机罩和发动机组件之间间隙过小的情况。通常发动机罩和发动机组件存在约10厘米的间隙时[7]，在发生碰撞时能够给行人头部一个有效的缓冲，从而减少死亡的风险。

该行人保护系统在汽车前保险杠中安装了一个密封空气软管，软管内集成有两个KP200压力传感器，两端各有一个。当车辆碰撞到行人时，软管会被压缩。KP200压力传感能够检测到软管内压力变化，并实时评估这些数据，每隔500微秒向安全气囊中央控制单元发送压力变化数据。
KP200传感器记录这些测量结果并处理这些数据，平均需要不到40微秒的时间。中央控制单元对收到的压力变化信号进行处理及评估，判断是否需要触发行人保护机制。当中央控制单元激活行人保护机制时，发动机罩里的机械装置会被升高，从而增加行人以及发动机引擎之间缓冲空间，减轻对行人的撞击。在测量过程中，KP200压力传感器不受周围空气压力变化的影响。这是在任何天气或海拔条件下实现可靠的撞击检测所必需的。
该行人保护系统包含两个独立的KP200压力传感器，可以实现系统冗余。通过两个独立的信号通道，每个压力传感器都可以测量密封软管内压力变化，并通过相应路径传给控制单元，确保了系统的安全。同时，由于装配有两个压力传感器，可以补偿因密封软管硬度不同而造成的不均匀性。

门窗防夹保护
4.1汽车防夹保护概况
随着门窗电气自动化程度增加，门窗安全重要性也随之增加。电动车窗存在对乘员尤其小孩有夹伤的风险，因此需要增加门窗防夹保护。所谓防夹保护，是指电动窗在上升过程中夹住物体并达到一定力度后，让电动窗自动停止或回落，用以防止物体，尤其是人体被夹伤产生事故。
美国规定2008年10月1日之后在北美销售乘用车、多功能车以及整车在4.536吨以下的卡车必须满足针对电动车窗开关系统的FMVSS118法规。
美国的FMVSS118和欧洲的74/60/EEC这些国际标准提出了对门窗防夹技术的一些要求：
防夹产生作用的适用范围为距离电动窗顶端4mm到200mm的区域,
最大防夹力为100 N。
当遇到障碍物时，车窗电机反向。
在电动车窗开关系统这块，目前国内于2008年颁布《车用电动窗开关技术条件》、《汽车用门窗升降器电动机技术条件》和《汽车用电动窗防夹电子模块的技术条件》，对电动窗这一领域的市场进行规范。

4.2新型门窗防夹方法介绍

目前车辆门窗防夹主要有两种方法:
一种是红外检测,缺点是可靠性低,容易受到环境因素(如大雨、烟雾和灰尘等)影响而导致性能下降，且成本较高。
目前普遍采用的方案是通过电机控制（又可以分为有霍尔传感器和无霍尔传感器两种方案）来实现防夹功能。门窗在上升过程中遇到障碍物时，电机轴负载转矩会突然增大，可通过检测电机电流来实现防夹。这种方法比较成熟，电路设计简单，但是防夹算法会比较复杂，需要考虑重力、摩擦力以及各种类型的干扰后，才能实现可靠的防夹功能。
一种新的方法是将密封空气软管安装到门窗的边沿，将英飞凌KP200压力传感器连接到密封空气软管两端,用于检测软管内压力变化。当门窗关闭时被异物阻挡，软管里压力会随之发生变化， KP200压力传感器能够输出成正比的压力变化信号。通过改变软管的硬度，可以调节门窗防夹系统的灵敏度。
这种新型防夹保护方案优点在于信号幅度与环境压力无关，而是取决于压力的相对变化。无需任何外围逻辑集成电路对信号进行进一步处理，节省了成本。信号幅度直接反应压力的变换，防夹算法容易实现。其强大的自我诊断功能保证了信号的可靠性。
结束语

英飞凌KP200压力传感器性能优异,能够快速可靠检测空气压力变化,且不受外界环境影响。多年来在汽车安全领域应用（如侧碰安全）证明其出色性能，为汽车安全作出重要贡献。

【参考文献】
Infineon Ships Two Billionth Sensor Chip, Putting It up with the World Market Leaders for Sensors Used in Automotive and Industrial Applications, Infineon News release, May 24, 2012
Infineon's KP200 Pressure Sensor Improves Impact Protection for Pedestrians: Now Used by Continental for Safety System in Car Bumper, Infineon News release, June 20, 2012
3.  Vehicles That Earn Good Test Ratings For Side-impact Protection Greatly Reduce Risk Of  Dying For Real-World Crashes,IIHS News Release,Jannuary 19,2011.
4.  Chris Coxon, Michael Paine, Jack Haley, Side Impacts and Improved Occupant Protection.
5.  M. Peden, R. Scurfield, D. Sleet, D. Mohan, A. A. Hyder, E. Jarawan,and C. Mathers, Eds., World Report on Road Traffic Injury Prevention. Geneva, Switzerland: World Health Organization, 2004.
6.  Tarak Gandhi , Mohan Manubhai Trivedi, Pedestrian Protection Systems: Issues,Survey, and Challenges.
7.  Jain, SL,"Dangerous Instrumentality": The Bystander as Subject in Automobility. Cultural Anthropology 91 (1), February, 2004.

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