客舱喷淋灭火控制器刺破阀驱动电路设计

赵圣宝

摘 要：本文首先分析了客舱喷淋系统的组成，介绍了刺破阀的组成及工作原理，重点介绍了刺破阀中点火头的参数及其驱动电路设计，核心部件抗浪涌电阻的设计选型，并通过实际测试，验证了设计的正确性。

关键词：客舱喷淋 控制器 刺破阀 点火头 试验验证

1 引言

近年来，汽车火灾事故时有发生，尤其是在纯电动汽车高速发展的今天。如果车厢内遇到烟雾报警或者发生火灾时，将造成较大的经济损失和人员伤亡。为此，国家高度重视客车安全，标准强制要求客车安装客舱喷淋灭火系统[1]，在发生火灾时，由驾驶员一键启动客舱喷淋灭火系统，以便在瞬间进行灭火，有效的保护乘客生命财产安全，减少经济损失及人员伤亡。

2 客舱喷淋系统介绍

2.1 系统组成

客舱喷淋系统主要包括如下几个部分，启动按键、客舱喷淋控制器、储液罐、刺破阀、喷头及管线路等。客舱喷淋系统组成如图1所示。

客舱喷淋控制器的供电电源由车载蓄电池提供，整个系统只有1个客舱喷淋控制器，当有火情时，驾驶员按下启动按键，客舱喷淋控制器采集到启动按键信号并驱动刺破阀动作。打通储液罐与喷头之间的通路，进行灭火。

其中灭火介质如S-3-AB存储在储液罐中，通过管道与刺破阀连接，刺破阀再通过管道与喷头连接，每个储液罐可带2个喷头。图1中的虚线框所表示的是灭火执行组件，在客车上进行布置时，该组件可根据实际车长进行设计并分配，数量在6～12个，即最多有12个储液罐，12个刺破阀，24个喷头，组成整车的客舱喷淋执行机构。

2.2 刺破阀工作原理

刺破阀结构如图2所示，其主要由点火头、起爆室、顶杆、铝膜等组成。刺破阀的一端接与储液罐相连的管道，另外一端接连至喷头的管道，具体工作原理分析如下。

未发生火灾时，此种情况下点火头驱动电路不工作，即点火头处于未起爆状态，顶杆靠近起爆室一端，铝膜完好，此时，储液罐中的灭火介质S-3-AB通过起爆室左边的小孔流入到顶杆与铝膜之间的区域即被铝膜阻断。

当发生火情，启动按键被驾驶员按下时，客舱喷淋控制器驱动点火头在起爆室起爆，产生瞬间高能量将顶杆向右推出，瞬间刺破阻挡灭火介质通路的铝膜，灭火介质即能从分布在客车不同区域的喷头喷出进行有效的灭火。

3 刺破阀点火头参数及驱动电路设计

3.1 刺破阀点火头参数

刺破阀组成中，最核心的部件是点火头，其主要由引脚线、药头组成，其中药头的药柱长度约5mm，大小均匀，表面光滑，起爆时火花较大;引线的外径约1mm。其安全电流300mA/5min，起爆电流600mA，起爆电流持续时间与起爆电压有关，如起爆电压3V时起爆电流持续时间约为100ms;电阻范围在1Ω～1.6Ω。点火起爆率达到100%，在起爆后，连接药头的两根引线之间电阻为无穷大，即断路。点火头起爆前后对比如图3所示。

3.2 驱动电路设计

基于上节中点火头起爆电流持续时间与起爆电压有关，故首先要确定起爆电压，本设计中，点火头的起爆电压为24V，1个点火头起爆电流为600mA，则12个点火头同时起爆时所需的最小电流为7.2A，因此设计上选用PMOS来驱动点火头，具体设计的电路如图4所示，采用两个PMOS管组成干路防反驱动电路，在PMOS管Q1、Q2的GS端并联一个10V的双向稳压二极管，用于钳位保护;图中实线框中所示为点火头驱动单元，其中R5为限流抗浪涌电阻，C1为接口静电防护电容，每个点火头都连接一个该驱动单元，在该客舱喷淋控制器中，点火头驱动单元最多可有12个。

3.3 抗浪涌电阻设计

点火头起爆电压3V时，在100ms时间内即可完成起爆，以此推算，则起爆电压为24V，起爆时间会在12.5ms左右，即为更短的电流起爆时间，因此在选择驱动电路中的限流电阻时，需要选用抗浪涌的电阻，即能承受短时间内的起爆电流在该电阻上的耗散功率。

驱动电路导通时，基于PMOS管的導通内阻（5mΩ左右）较小，则忽略PMOS的导通压降;点火头的电阻取最小值1Ω，驱动回路将出现最大电流;点火头的电阻取最大值1.6Ω时，驱动回路将出现最小电流;计算如下：

则抗浪涌电阻的瞬间最大功率，以此来选择抗浪涌电阻。基于以上分析，则选型的抗浪涌电阻在20ms的脉冲浪涌下瞬间功率至少要大于47.5W。该功率等级可通过抗浪涌电阻的功率时间曲线图来确定[2]，并选型具体的封装。

4 试验验证

设计好电路后，通过实际点火头来验证设计方案的正确性，试验验证时，用示波器的1个探头测量点火头两端的电压波形，用示波器直流探头（档位设置50mV/1A）测量点火头回路中电流波形，通过波形分析点火头实际起爆时间和起爆电流。实测的波形如图5所示。图中1为电压波形，2为电流波形。通过波形可知，起爆电压24V时，点火头的起爆时间约1.6ms，起爆时点火头回路中的电流约1.92A。

5 结论

通过对客舱喷淋系统的介绍及刺破阀工作原理的描述，介绍了点火头参数及其驱动电路设计，重点是驱动电路中抗浪涌电阻的设计选型及试验验证，通过实际测试数据看，与理论设计值有一定的误差，该误差是系统中各个物理参数误差综合的结果，在合理范围内。

参考文献：

[1]公共汽车客舱固定灭火系统[S]GA 1264-2015.

[2]Surge Withstanding Chip Resistor - SWR Series [Z]，Viking.