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汽车安全技术的研究现状和展望

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ISSN1674-8484CN11-5904/U

汽车安全与节能学报,2010年,第1卷第2期JAutomotiveSafetyandEnergy,2010,Vol.1No.2

2/1298—106

汽车安全技术的研究现状和展望

宋健，王伟玮，李亮，于良耀

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）摘要：

介绍了国际汽车安全技术的最新进展。

被动安全技术包括：

汽车碰撞结构安全性设计关键技术、先进乘员约束系统关键技术、车身保护行人的安全装置、碰撞安全数据库平台和安全性能评估。

主动安全技术包括：

汽车动力学稳定性控制技术、汽车底盘一体化控制技术、智能安全辅助控制技术、基于人—车危险状态监控的安全预警技术。

提出了先进安全汽车技术的发展模式，探讨了车路协调控制、智能公路和基础共性技术的研究趋势。

关键词：

汽车安全；被动安全；主动安全；车路协调；智能公路中图分类号：

U27

Researchstatusandprospectsofautomotivesafetytechnology

SONGJian,WANGWeiwei,LILiang（StateKeyLabofAutomotiveandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China）Abstract:

Thecurrentinternationalvehicletechnologywasintroduced.Thisarticledescribedthepassivesafetytechnology:

automotivecollisionsafetydesignandvehiclestructuredesigntechnology,keytechnologyofadvancedpassengerrestraintsystems,vehiclesafetydevicestoprotectpedestrians,collisionsafetyandsecurityperformanceevaluationdatabaseplatform;andtheactivesafetytechnology:

vehicledynamicsstabilitycontroltechnology,integratedchassiscontroltechnology,intelligentsecurityauxiliarycontroltechnology,pre-warningtechnologybasedonpeople-Vehicledangerousconditionmonitoring.Adevelopmentmodeoftheadvancedautomotivesecuritytechnology,wasproposed.Thetrendsofthecar-roadcoordinatecontrol,intelligenthighwayandbasicresearchofcommontechnologywerealsopreseuted.Keywords:

aotumotivesafety;passivesafety;activesafety;car-roadcoordinate;intelligenthighway

汽车交通事故伤害的严重性使得汽车安全技术的研究成为了全世界各国的重要课题。

由此，汽车安全技术也成为了当前国际汽车高新技术发展的主题之一。

交通事故伤害是最危险的。

2001—2002年间，欧盟国家交通事故死亡率见表1。

其中：

旅行里程死亡率即每亿人公里死亡人数；旅行时间死亡率即每亿人小时死亡人数。

即：

旅行里程死亡率＝死亡人数／（出行总人数×旅行里程）；旅行时间死亡率＝死亡人数／（出行总人数×旅行时间）。

世界卫生组织的报告指出，全世界每天有3000多人死于汽车交通事故伤害。

因汽车交通事故伤害引起

1

汽车安全技术发展的背景

汽车是当今社会最常用、最普通、最方便的出行

工具，同时对人和社会造成的伤害也是所有交通工具中最严重的。

据估计全世界每年约有120万人死于汽车交通事故伤害，受伤者多达5000万人。

根据联合国和世界卫生组织的报告，在诸多日常交通事故中，汽车

收稿日期：

2010-05-24作者简介：

宋健（1957—）（汉），男，江苏，教授。

E-mail:

daesj@

宋健，等：

汽车安全技术的研究现状和展望表1欧盟国家交通事故死亡率比较（2001-2002年）

旅行里程死亡率10-8km-1公路水运空运铁路0.9500.2500.0350.035旅行时间死亡率10-8h-1281682

99表3部分国家和地区计划减少车祸死亡的目标

国家或地区澳大利亚奥地利加拿大丹麦欧盟芬兰法国希腊爱尔兰意大利马来西亚荷兰新西兰波兰沙特阿拉伯瑞典英国美国日本起始年19971998–2000目标年20052010减少车祸死亡数的目标减少幅度／％–10　–50　–30　–40　–50　–37　–75　–50　–20　–40　–20　–40　＜3人/万辆车–30　–42　–43　–30　–50　–40　–20　–2000人其他目标

1991–19962008–20101998200020001997200019971998–20002001199819991997–1999200019961994–199819961999201220102010202520022005201520022010201020102010201020152007201020082010

的死亡人数中的85%以及由此导致的90%的伤残疾调整寿命年（DALYs）发生在中等收入和低收入国家。

其中：

DALY为伤残疾调整寿命年，是一个测量健康损失的指标，包含因早死损失的寿命年和伤残造成的健康寿命损失年的信息。

研究表明，在2000—2020年期间，汽车交通事故死亡人数在高收入国家将下降30%左右，而在中等收入和低收入国家则会大幅度增加。

如果不采取适当措施，到2020年汽车交通事故伤害预计将成为导致全

[1]球疾病与伤害的原因中的第3位（见表2）。

表21990年与2020年全球疾病负担前十大原因的排序

序次123456789101990年疾病或伤害下呼吸道感染腹泻病围产期疾病抑郁症缺血性心脏病脑血管疾病结核病麻疹汽车交通事故伤害先天性畸形序次123456789102020年疾病或伤害缺血性心脏病抑郁症汽车交通事故伤害脑血管疾病慢性阻塞性肺病下呼吸道感染结核病战争腹泻病艾滋病病毒感染

2汽车安全技术的发展趋势

汽车安全技术由被动安全技术和主动安全技术组成，主要包括：

1）汽车整车安全性设计与评价技术：

基于整车安全性目标分解的安全系统开发与集成技术，整车碰撞安全性设计技术，汽车高速行驶操纵稳定性设计与匹配技术等；2）汽车被动安全系统及关键技术：

先进的乘员约束系统、儿童安全保护技术，高安全性的耐撞性结构设计、高碰撞相容性的结构设计技术，以及支撑上述技术的碰撞安全数据库等；3）汽车主动安全系统系统及关键技术：

汽车电子稳定性控制系统，底盘一体化控制技术，智能安全辅助系统以及人—车安全状况监控与干预技术等[4]；4）支撑上述关键技术实现的关键零部件和共性技术：

动力学控制用传感器开发技术，高性能电液控制单元开发技术，适于中国人体特征的碰撞测试用假人开

汽车交通事故伤害在给人的生命造成巨大损失同时，还造成巨大的经济损失。

根据有关报告，汽车交通事故伤害的经济损失在低收入国家约占国民生产总值（grossnationalproduct，GNP）的1%，在中等收入国家为1.5%，在高收入国家为2%。

每年全球汽车交通事故伤害的损失估计为5180亿美元，其中中等收入和低收入国家的每年损失为650亿美元。

因此，世界各国政府都将治理汽车交通事故伤害问题列为重要的事项，而且提出了具体的目标（见表3）。

在此基础上，许多国家和地区还制订了具体的政策和分解目标[3]。

这些政策的提出，大大地刺激汽车安全技术的发展，对汽车安全性能提出了更高的要求。

[1][2]

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汽车安全与节能学报

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发关键技术等。

在未来的一段时期内，汽车安全技术发展的趋势如图1所示。

行分析。

但对汽车而言，汽车车体结构的变形特性是影响汽车安全性能的关键因素。

这是上述两种方法难以精密分析的。

近年来，有限元方法（finiteelementmethod，FEM）逐渐成熟，并被应用到汽车碰撞仿真的研究当中。

这种在产品设计阶段采用计算机辅助工程（computeraidedengineering，CAE）分析技术，能够尽早发现并解决问题，从而缩短开发周期，降低样车试验费用[5]。

2.1被动安全技术的发展趋势

2.1.1汽车碰撞安全性设计关键技术汽车碰撞是一个十分复杂的过程，以往的研究往往通过多刚体系统动力学和机械振动学方法来进

图1汽车安全技术发展趋势

从20世纪50年代开始，各个汽车企业已经开始汽车碰撞试验的研究，在台车碰撞试验、模型模拟碰撞试验（比例模型和足尺模型模拟试验）和实车碰撞试验方面不仅有先进的测试设备和技术，而且已在大量的试验研究中积累了许多有用数据和丰富的经验。

与此同时，各国政府也在汽车正面碰撞、偏置碰撞、侧面碰撞、侧面柱撞和追尾碰撞等方面制定了完备的法规体系，由政府、保险公司、消费者组织等机构制订的新车评价体系（newcarassessmentprogram，NCAP）对汽车被动安全性的提出了更高的要求。

科研机构和

汽车企业也具备了高精度的CAE建模分析能力，形成了较为成熟的设计理论和设计流程。

近年来，丰田等公司在多年来研究的基础上，提出了适用于多种碰撞工况的安全车身设计理念和设计方法。

通用汽车等公司大量采用高强度钢、塑料材料、结构粘接技术等轻量化手段和技术降低车身重量，给车身结构的碰撞安全性能设计带来了新的理念[6]。

2.1.2先进乘员约束系统关键技术乘员约束系统在碰撞中与乘员发生作用，直接影响乘员伤害，是提高车辆被动安全性的关键所在。

乘

宋健，等：

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员约束系统的研究主要包括：

安全带、安全气囊和安全转向盘，通过对其进行机械特性分析，以获得最优的约束性能；以及在车身内饰组件上采用新吸能衬垫材料，如安全座椅，使得人体与车身内饰品发生二次碰撞时，所受到的伤害最小。

安全带是美国人ChaireL.Strath于1935年发明的，它已经作为必装件为汽车所采用。

国外一直在进行提高安全带约束性能的研究。

人们采用了卷收器、自动锁止卷收器ALR和紧急自动锁止卷收器ELR来提高安全带的约束性能。

人们还开发了安全带预紧器、充气式安全带、儿童安全带系统等。

安全气囊是辅助的乘员约束系统装置，它与安全带一起作用来防止乘员受到汽车内饰的伤害。

目前关于汽车安全气囊的研究很多，安全气囊研究的核心问题是它在充泄气过程中如何使乘员获得最佳的保护。

模拟安全气囊的关键在于建立一个接近实际的模型。

它的研究涉及到工程热力学、流体力学、传感技术、人工智能和材料科学等领域。

安全转向系统主要包括转向盘和压塌式转向管柱。

当汽车发生前撞时，驾驶员的头部或胸部较易与转向盘发生碰撞，从而加大头部和胸部的伤害指标值。

为解决这一问题，可将转向盘的刚度进行优化，使其在满足转向刚性要求的前提下，尽量降低抵抗驾驶员的碰撞刚度。

同时使转向盘的塑胶覆盖层尽量软化，以降低其表面接触刚度。

压塌式转向管柱可有多种形式，其主要功能要求是当转向盘受到的碰撞力达到一定值时，转向管柱能顺利地产生位移（被压塌），从而将转向盘提供的碰撞阻力限制在一定的峰值以内。

安全驾驶室内饰组件的开发研究，可以有效地减轻汽车碰撞中的二次碰撞造成的人体伤害。

如人们设计了安全座椅（像仿生座椅，bionicchair）、安全仪表板等，还不断寻求新的吸能式内饰件衬垫材料、组合式安全仪表板等。

为了提高碰撞中的乘员保护效果，乘员约束系统方面的很多新技术开始逐渐在实车运行过程中得到推广应用，如预紧式安全带、侧气帘、双级气体发生器、尾撞颈部保护座椅等。

能够根据不同的乘员位置和体征、不同的碰撞形式和强度为乘员提供最优保护的自适应式乘员约束系统也在积极发展之中。

2.1.3车身保护行人的安全装置行人交通事故导致大量的人员伤亡，带来一系列严重的社会经济问题，为此，发达国家纷纷开始了行人安全研究。

“欧洲强化车辆安全性委员会”（EuropeanEnhancedVehicleSafetyCommittee，EEVC）先后发布

[8][7]

了WG10标准（1994年）WG17标准和（1998年）。

欧盟于2005年开始实施行人碰撞保护强制性法规。

这些标准和法规的酝酿和制定已经促进了欧洲行人事故伤亡率的降低。

联合国欧洲经济委员会世界车辆规章协调论坛被动安全工作组（UN/ECE/WP.29/GRSP）也已成立行人安全组，除致力于发展协调统一的“行人安全全球技术法规”（GTRforPedestrianSafety，GTR为GlobalTechnicalRegulation的缩写）以外，还针对现欧盟法规中行人下肢冲击模块刚度过大的问题提出下一代更为贴近真实人体下肢碰撞响应的模块。

目前欧洲、日本以及澳大利亚等国已经将汽车的行人碰撞保护性能纳入了新车评价计划（NewCarAssessmentProgram，NCAP）。

中国的汽车与行人碰撞安全保护法规的推荐性标准也已经酝酿出台。

行人碰撞安全研究表明，车辆在设计和制造方面经过一系列改进，能够大幅度减小行人伤亡比例，社会效益和经济效益非常显著。

2.2主动安全技术发展趋势

汽车的主动安全性技术是通过预先的防范，避免事故发生的技术。

由于主动安全技术可以避免人员及车辆的损伤，尤其是可以避免事后由于交通堵塞引起的间接经济损失，可以防患于未然。

因此汽车主动安全技术的研究尤为重要[9]。

汽车主动安全技术主要包括以下4个不同层次：

1）基于汽车制动防抱死系统（anti-lockedbrakingsystem，ABS）牵引力控制系统、（tractioncontrolsystem，TCS）、以及主动横摆力偶矩控制技术（activeyawcontrol，AYC）[10]发展起来的汽车动力学稳定性控制技术（国际上通称为ESP（electronicstabilityprogram，电子稳定程序）或者ESC（electronicstabilitycontrol，电子稳定控制）（见图2）；2）将制动、悬架、转向等底盘电子控制系统控制控制的底盘一体化控制技术（globalchassiscontrol，GCC）；3）紧急事故中主动乘员保护和自动避撞的智能安全辅助控制技术（adaptivecruisecontrol，ACC）；4）基于人—车危险状态监控的汽车主动安全预警与干预技术。

2.2.1汽车动力学稳定性控制技术汽车动力学稳定性控制技术是目前国际上汽车主动安全电控技术中一项关键技术。

其代表产品为电子稳定程序（ESP）以及汽车稳定性控制（vehiclestabilitycontrol，VSC）[11]，这一技术集制动防抱死系统（anti-

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2010年第1卷第2期

braking，ECB）电子制动力分配，（electricbrake-force

[13]distribution，EBD），主动悬架技术（activesuspension，

AS），前轮主动转向（activefrontSteering，AFS）[14]或者四轮转向（four-wheeldrive，4WD），以及防侧翻控制技术等均可以在这一技术平台上拓展和集成。

美国交通部/国家公路交通安全管理局（NationalHighwayTrafficSafetyAdministration，NHTSA）查调统计显示：

ESP/ESC能够降低26%的单车碰撞事故（对于越野车（运动型多功能车，sportsutilityvehicle，SUV）这一比例为48%）并且该机构认为ESP能够，

图2汽车动力学稳定性控制安全技术的发展

减少64%（对于SUV为85%）侧翻事故。

FMVSS的126法规（FederalMotorVehicleSafetyStandardsandRegulations，FMVSS，美国联邦机动车安全标准）规定：

2011年9月后在北美生产和销售的4.5t以下汽车均需安装ESP/ESC系统。

美国交通部预测，安装ESP后将有可能每年减少交通事故中人员死亡数量近1万[15]。

欧盟委员会2009年提议，到2012年，欧盟成员国内所有新上市车型必须配备电子稳定控制系统等安全系统，以减少车祸。

同时NCAP对汽车碰撞安全等级测试中引入了汽车主动安全控制技术评分准则，只有安装有ESP等主动安全电子控制产品的汽车才可能获得较高的安全等级。

目前，ESP这一主动安全电控技术基本被博世（Bosch）大陆公司（Conti）德尔福（Delphi）天河、、、（TRW）、电装（Denso）等技术实力雄厚的国际化零部件企业垄断[16]。

我国在汽车主动安全相关的设计与控制技术还处于起步阶段。

国内包括清华大学、武汉元丰、浙江亚太、万安等企业在内的科研机构和企业联合公关，已经掌握了自主的ABS产业化技术，但目前自主的ABS产品仅占国内市场的3%左右；TCS、AYC等技术尚处于产业化研发阶段；开始了ESP小批量装车[17]。

2.2.2汽车底盘一体化控制技术汽车技术不断发展，使得一辆汽车的底盘上往往会出现转向、传动、驱动、制动等多个电控系统。

而汽车作为一个复杂的整体，在其行驶过程中，上诉各个子系统之间相互影响、相互制约。

由于汽车的每个子系统都是针对提高车辆某一项性能指标而进行设计，但是整车性能的提高却依赖于各个子系统的协调工作。

因此，底盘一体化控制成为现代车辆动力学控制研究

lockedbrakingsystem，ABS），牵引力控制系统（TCS，也称驱动防滑控制系统，Anti-SlipRegulation，ASR）和主动横摆力偶矩控制系统（AYC）于一体，通过合理分配纵向和侧向轮胎力精确控制极限附着情况下的汽车动力学行为。

使汽车在物理极限内最大限度按照驾驶员的意愿行驶，被公认为汽车安全技术中继安全带、安全气囊、ABS之后的又一项里程碑式的突破。

ESP的组成如图3所示，包括电子控制单元（electricalcontrolunit，ECU）和液压执行单元（hydrauliccontrolunit，HCU），轮速传感器、方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和侧向加速度传感器以及通过CAN总线协议和发动机进行通讯。

ECU分析传感器采集的信号，判断车辆的行驶状态，通过制动、转向或者悬架系统的调控，改善汽车在进入危险工况时制动稳定性、转向可控性以及车身防侧翻的能力。

基于这一技术，可以实现各种新型制动或者辅助制动，如辅助制动系统（brakeassist，BA）电控制动技术，（electriccontrol

1——ESP电控液压单元和ECU；2——主动式轮速传感器；3——方向盘转角传感器；4——横摆角速度传感器和侧向加速度传感器；5——通过CAN总线与发动机管理系统通讯。

的热点。

所谓底盘一体化电控技术是指通过底层传感器信息共用、车辆运动和动力学状态共享，通过对整车安全性控制、动力学控制等多层次目标协调优化后，对多个底盘电子控制系统的集成控制技术。

如图4所示，为底盘一体化控制系统的系统框架图，

图3电子稳定程序ESP的组成

宋健，等：

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通过计算汽车在三维空间里的6种运动：

纵向、侧向、垂向以及侧倾、横摆和俯仰，并对汽车的各个子系统加以控制，从而改善汽车的操纵稳定性、平顺性以及动力性和制动性

[18]

另外一种是汽车动力学集成管理（vehicledynamicsintegratedmanagement，VDIM）集成方案，将汽车稳定性控制系统（vehiclestabilitycontrol，VSC），辅助制动技术（brakeassist，BA）以及电子节气门的传感信息加以融合，从中获取整车动力学状态以及实现整车稳定性最优的控制方式。

基于这一集成控制平台，可以进一步将电动助力转向技术（electricalpowersteering，EPS）和变传动比转向控制技术（VCRS）集成到VDIM平台中。

。

目前国际上领先的底盘电控产品供

应商和汽车制造商均开始推广这一技术，但不同公司所选择的技术路径或稍有差异。

主流的集成方案有两种：

一是基于ESP的集成控制方案。

该方案集成了ABS，TCS，AYC技术，实现了制动、驱动和转向联合控制，此外，在一些商用车上进一步集成了防侧翻控制功能。

图4底盘一体化控制系统

与此同时，随着一体化控制的发展，底盘各电控子系统、发动机管理系统、传动控制系统、转向电控系统，以及车载电子等多系统间信息共享和协调控制对通讯问题提出了迫切的要求。

如电子稳定程序（electronicstabilityprogram，ESP）双离合变速箱（dualclutch、transmission，DCT）机械式自动变速器（automatic、m