汽车落水及起火的智能逃生装置研究

严景明 王若鑫 陈国庆 陆玉浩

摘要：为防止车辆落水、起火后造成车内乘员伤亡事故的发生，文章设计了一种电动破窗的智能逃生装置，阐述了该装置的工作原理、电路逻辑关系、控制流程图、电路设计。该装置通过底盘、发动机舱和车门三个水位传感器以及人体、烟雾传感器，检测车辆落水及起火等紧急情况下，实施自动降窗、破窗动作，为乘员提供快速有效的逃生通道。通过理论分析、试验验证，证明装置的可靠性和实用性，有效帮助车内乘员脱离险境。

关键词：智能逃生装置；汽车；落水；起火

中图分类号：U491.6   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0206-04

0 引言

随着汽车行业的快速发展，车辆及人身的安全问题日益受到重视。在各类车辆事故中，迅速逃生是保障生命安全的关键。目前，安全气囊、安全带等被动安全装置作为车辆标配，保护乘客不受伤害，但在车辆落水或起火等紧急情况，因车外水压对车门产生巨大压力导致车门没法被打开，或者落水起火时因窒息、烟雾中毒而导致车内乘员伤亡，因此破窗逃生十分必要。公交车辆上通常配备敲击锤进行手工破窗，但操作需要一定经验和临危不惧，因此成功逃生机会较低；在轿车上有多种方式破窗，其中一种是雷管点燃产生高压气体破窗，但只能一次性使用；还有电磁控制钢珠敲击玻璃，敲击中心位置精确度难以控制。因此，研发一种能够在落水及起火紧急情况下迅速破窗，为乘客提供逃生通道的装置，具有极其重要的应用价值。

本文提出的智能逃生装置（以下简称本装置），基于破窗器电动化、智能化的设计理念，利用高灵敏度的传感器检测落水及起火危险情况，实施降窗或者精准破窗，为车内乘员提供快速逃生的通道。本装置在设计时考虑了水下压力和火灾时的高温环境等情况，确保其稳定工作。

1 研究方案的确立

在保留原车结构基础上，增加一套电子控制装置，电子控制单元接收落水及起火等传感器信号、对车窗或电动破窗器发出指令，执行降窗或者破窗动作，为车内乘员提供逃生通道，方案如图1所示。经过深入调研汽车企业，认真梳理、设计整个装置的电路图及精巧改装机械结构，得出重点是电子控制单元的设计，难点是破窗机构的设计。

2 智能逃生装置设计

在智能逃生装置中，破窗器和电路设计至关重要，其不仅需要确保装置的可靠性，而且还要考虑到各种极

端环境下的稳定运行。以下详细阐述元件安装位置及破窗器、电源设计、控制电路的设计。

2.1 装置主要组成元件及安装位置

元件的正确安放是确保装置快速响应的关键。本装置主要元件由传感器组、电子控制单元、破窗器等组成，传感器组主要包含底盘、发动机舱和车门水位三种位置检测，安装位置如图2所示。

轿车常用前置前驱布置，重量集中在车辆前部，落水时车头先下沉，同时综合考虑汽车结构，底盘水位传感器安装在前保险杠底部，发动机舱水位传感器安装在减震器座下方，车窗水位传感器安装在左右两个前车门中上方，在主驾驶位附近安装人体和烟雾传感器。破窗器固定安装在车门骨架上，破窗器的撞针头正对车窗玻璃，电子控制单元安装在靠近天窗前端饰板内。

2.2 电动破窗器设计

破窗器工作性能直接关联能否成功破窗，设计重点考虑电磁阀选用和破窗器结构设计。

本装置中电动破窗器是执行元件，能够击破车窗玻璃为乘员提供逃生通道。电动破窗器结构由防水防火外壳、动铁芯、复位弹簧、电磁阀阀杆、静铁芯、线圈、钨合金撞针头等共同构成，如图3所示。

电磁阀选择强力撞击型，当电磁阀接收到12 V工作电压时，在磁场力作用下，动铁芯往车窗玻璃方向撞击，为了保证准确有效击碎车窗玻璃，撞针头使用高硬度钨合金。车窗玻璃采用钢化制造工艺，瞬时压力超过1.5 MPa，只要击碎某一点，整块玻璃即破碎。电动破窗器的设计需考虑到精确的工程配合，以及落水、起火时工作可靠性。

2.3 电源设计

电源是本装置的能量支持核心，工作电源采用锂电池，电池单元具有高能量密度、轻便、容量大和放电效率高的特点。为了保证在水淹和起火环境下正常工作，锂电池外壳使用密封设计，锂电池密封壳体和连接导线外表进行防水防火处理，能够承受水分渗透和高温烧烤不会短路或损坏。

2.4 控制电路设计

根据研究方案设计控制电路，主要由传感器、电子控制单元、降窗控制电路、破窗控制电路等组成。本装置控制电路实现三个功能：（1）落水时通过底盘、发动机舱和人体检测三个传感器采集信号输入给电子控制单元，实现降窗；（2）落水时底盘、发动机舱和车门三个水位传感器及人体检测传感器采集信号输入给电子控制单元，如果水压过大无法完成降窗要实施破窗；（3）起火时人体检测和烟雾检测信号输入给电子控制单元，人工没法打开车门时实现破窗。

3 装置工作原理分析

3.1 电路逻辑控制原理分析

电子控制单元电路的工作原理主要是基于传感器数据监测和对执行器的控制，为了保证逻辑电路芯片工作稳定性，其工作电源需要经过车辆充电电路、整体供电电路、稳压电路三级处理。水位传感器监测汽车水位高度，经调理电路处理的水位信号传输给电子控制单元，模拟信号经A/D处理变成数字信号。根据电路设计完成三个功能：（1）降窗，人体红外检测传感器检测车内有人时，汽车落水的水位超过底盘、发动机舱位传感器位置，逻辑判断电路发出第一道指令实施车窗玻璃降窗，为车内乘员提供逃生通道，此时限位电路介入工作，切断车窗玻璃降窗动作，车窗电机停止工作，如图4所示；（2）破窗，如果车辆继续下沉，超过左、右车窗水位传感器位置时，如果水压过大等原因导致降窗没法完成，逻辑判断电路发出第二道指令实施破窗，设计延时功能可以反复多次击打车窗，保证能击碎车窗玻璃，为车内乘员提供第二次逃生通道；（3）起火时破窗，如果车辆起火燃烧强烈，烟雾传感器检测到车内烟雾超过危险值，人工没法完成开门，逻辑判断电路也发出指令实施破窗。

本装置基于逻辑门限值控制原理，具体控制流程如图5所示。将底盘、发动机舱位实时水位值与预设危险阀值对比，高于危险阀值时，执行降窗动作并点亮警示灯，告知车内乘员已处于险情，应马上逃生。按照同样控制机理，将底盘、发动机舱位、车门三个传感器实时水位值或者人体检测、烟雾检测信号值与预设危险阀值对比，高于危险阀值时，执行破窗动作并点亮警示灯，告知车内乘员己处于严重险情，应紧急逃生。

3.2 控制电路原理分析

为了实现汽车在落水、起火时降窗或者破窗功能，需分析电路工作原理，如下页图6所示。因4个水位传感器采集信号比较微弱，需要经LM358运算放大器放大后输入给74HC21逻辑电路芯片。

（1）电路自检。当绿色安全检测灯亮起时，表明电路控制正常；反之安全检测灯不亮时需要检查电路装置。

（2）降窗功能。电子控制单元选用2个74HC21逻辑电路芯片，引脚配置如下页图7所示，逻辑控制真值表如下页表1所示，当输入端A、B、C、D四个条件都满足高电平时，输出端才为高电平。相当于人体检测传感器检测到车里有人时，车辆落水过程中，车辆前部下坠较快，当水位超过底盘和发动机舱位传感器时，传感器发出信号，电子控制单元进行第一步降窗。降窗的条件如下：1#74HC21逻辑电路芯片的1A、1B、1C、1D高电平，1Y输出高电平信号完成降窗。车窗降到最低位置时，安装在车窗玻璃下方的限位开关断开，停止降窗动作。

（3）破窗功能。落水、起火以下两种情况实施破窗。①当水位超过底盘、发动机舱和车门三个传感器后，表明水位已经超过最高危险值，处于最后的逃生机会。通过三极管与电容组成震荡电路和NE555定时芯片提供破窗信号，电磁阀击打玻璃，反复敲击使其破裂，完成破窗动作。破窗条件：1#74HC21逻辑电路芯片，2A、2B、2C、2D高电平，2Y输出高电平信号完成破窗。②起火火势迅速蔓延时，当人体检测和烟雾检测传感器检测值超过设定值后，人工无法打开车门时也实施破窗。降窗条件：2#74HC21逻辑电路芯片，1A、1B、1C、1D高电平，1Y输出高电平信号完成破窗。

4 理论分析及实验论证

4.1 理论分析

电动破窗器在紧急逃生装置中的作用是在短时间内打碎车窗，车窗玻璃被击碎取决于破窗器撞针头作用在玻璃上的瞬间压力，要实现这一目标，需要详细分析电动破窗器的动量p=mv、时间和冲击力等关键物理参数。动量是质量和速度的乘积，表示物体运动的状态。撞针头击打车窗前后动量方程为：

mv2-mv1=（F-F1-F2）t（1）

式中：m——破窗器撞针质量;

v1——撞针头撞击车窗前速度;

v2——击碎车窗后撞针头速度;

F——撞针头撞击力;

F1——车窗玻璃作用于撞针头上反作用力；

F2——复位弹簧作用于撞针头的力。F2通常较小可以忽略不计。

撞针头的撞击力F以及撞针头击打车窗玻璃时瞬间压力P1，由电磁阀工作属性，得：

F=μS2K2fδ2（NI）2（2）

P1=F1/S1（3）

式中：μ——真空磁导率，4π×10-7；

S——磁路截面积；

Kf——漏磁系数，一般为1.2～5.0，此电磁阀取1.5；

S1——撞针头的面积；

δ——气隙长度，撞针头与玻璃距离；

N——线圈匝数；

I——通电的电流。

若撞击力F作用于撞针头，撞针头速度从0加速至v1，v1=dx/dt，则动量变化为：

m（dx/dt）-0=（F-F2）t1（4）

x≤X1（5）

式中：x——撞针头前进的位移;

X1——撞针头与车窗玻璃之间的距离;

t1——加速过程的时间。

从以上理论分析，撞击过程简化为撞针头受恒定电磁作用力运动，设定F2=0，假设撞针头撞击车窗前后的速度v2=v1，根据式（1）～（5）推算，求得P1为：

P1=F/S1（6）

当P1>1.5 MPa，满足破窗要求。

4.2 台架试验验证

为检验理论分析和破窗效果，进行了一系列台架试验。试验中模拟了多种紧急情况下的车窗破碎过程，包括不同角度和速度的撞击。破窗的必要条件是撞针头撞车窗的瞬间压力应＞1.5 MPa，现选用厚度为5 mm的钢化玻璃。试验条件设置如下：采取足够保护措施，将电动破窗器固定在台架上，车窗玻璃样本被安装在特制的固定架上，如图8所示。使用高速摄像机捕捉撞针头击中玻璃的瞬间和玻璃破碎的过程，通过传感器记录冲击过程和撞击效果。

试验结果显示，电动破窗器能够在不同的测试条件下可靠地破碎玻璃。撞击力度和时间在预期的范围内，证明了设计的合理性。破碎后的玻璃呈现出预期的碎片模式，边缘较为光滑，减少对乘客造成伤害的风险。

5 结语

本文分析了汽车智能逃生装置的设计，出现落水及起火险境，能迅速启用降窗或破窗模式，为车内乘员提供逃生通道，并通过试验验证了本装置的有效性，撞针头撞车窗的瞬间压力远＞1.5 MPa，通过试验小车浸水实验，电动破窗器的设计达到预期效果，击打玻璃作用点准确，玻璃碎片不会伤及车内乘员。本装置的设计需求来源于汽车企业，进行校企联合研发，己在汽车改装厂对有户外涉水需求的客户车辆进行小规模加装试用，据客户反馈，逃生装置设计合理、制作费用适中、质量可靠。下一步，可在电路设计、元件性能和安装部位再优化，使其具有更广阔的应用前景。

参考文献

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基金项目：2024年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“汽车落水及起火的智能逃生装置研究”（编号： 2024KY1398）；广西教育科学“十四五”规划2023年度专项课题“‘一带一路背景下高职新能源汽车专业国际化发展路径研究”（编号：2023ZJY2073）

作者简介：严景明（1967—），副教授，工程师，研究方向：汽车机械、电子系统控制。