客艙噴淋滅火控制器刺破閥驅動電路設計

趙圣寶

摘 要：本文首先分析了客艙噴淋系統的組成，介紹了刺破閥的組成及工作原理，重點介紹了刺破閥中點火頭的參數及其驅動電路設計，核心部件抗浪涌電阻的設計選型，并通過實際測試，驗證了設計的正確性。

關鍵詞：客艙噴淋 控制器 刺破閥 點火頭 試驗驗證

1 引言

近年來，汽車火災事故時有發生，尤其是在純電動汽車高速發展的今天。如果車廂內遇到煙霧報警或者發生火災時，將造成較大的經濟損失和人員傷亡。為此，國家高度重視客車安全，標準強制要求客車安裝客艙噴淋滅火系統[1]，在發生火災時，由駕駛員一鍵啟動客艙噴淋滅火系統，以便在瞬間進行滅火，有效的保護乘客生命財產安全，減少經濟損失及人員傷亡。

2 客艙噴淋系統介紹

2.1 系統組成

客艙噴淋系統主要包括如下幾個部分，啟動按鍵、客艙噴淋控制器、儲液罐、刺破閥、噴頭及管線路等。客艙噴淋系統組成如圖1所示。

客艙噴淋控制器的供電電源由車載蓄電池提供，整個系統只有1個客艙噴淋控制器，當有火情時，駕駛員按下啟動按鍵，客艙噴淋控制器采集到啟動按鍵信號并驅動刺破閥動作。打通儲液罐與噴頭之間的通路，進行滅火。

其中滅火介質如S-3-AB存儲在儲液罐中，通過管道與刺破閥連接，刺破閥再通過管道與噴頭連接，每個儲液罐可帶2個噴頭。圖1中的虛線框所表示的是滅火執行組件，在客車上進行布置時，該組件可根據實際車長進行設計并分配，數量在6～12個，即最多有12個儲液罐，12個刺破閥，24個噴頭，組成整車的客艙噴淋執行機構。

2.2 刺破閥工作原理

刺破閥結構如圖2所示，其主要由點火頭、起爆室、頂桿、鋁膜等組成。刺破閥的一端接與儲液罐相連的管道，另外一端接連至噴頭的管道，具體工作原理分析如下。

未發生火災時，此種情況下點火頭驅動電路不工作，即點火頭處于未起爆狀態，頂桿靠近起爆室一端，鋁膜完好，此時，儲液罐中的滅火介質S-3-AB通過起爆室左邊的小孔流入到頂桿與鋁膜之間的區域即被鋁膜阻斷。

當發生火情，啟動按鍵被駕駛員按下時，客艙噴淋控制器驅動點火頭在起爆室起爆，產生瞬間高能量將頂桿向右推出，瞬間刺破阻擋滅火介質通路的鋁膜，滅火介質即能從分布在客車不同區域的噴頭噴出進行有效的滅火。

3 刺破閥點火頭參數及驅動電路設計

3.1 刺破閥點火頭參數

刺破閥組成中，最核心的部件是點火頭，其主要由引腳線、藥頭組成，其中藥頭的藥柱長度約5mm，大小均勻，表面光滑，起爆時火花較大;引線的外徑約1mm。其安全電流300mA/5min，起爆電流600mA，起爆電流持續時間與起爆電壓有關，如起爆電壓3V時起爆電流持續時間約為100ms;電阻范圍在1Ω～1.6Ω。點火起爆率達到100%，在起爆后，連接藥頭的兩根引線之間電阻為無窮大，即斷路。點火頭起爆前后對比如圖3所示。

3.2 驅動電路設計

基于上節中點火頭起爆電流持續時間與起爆電壓有關，故首先要確定起爆電壓，本設計中，點火頭的起爆電壓為24V，1個點火頭起爆電流為600mA，則12個點火頭同時起爆時所需的最小電流為7.2A，因此設計上選用PMOS來驅動點火頭，具體設計的電路如圖4所示，采用兩個PMOS管組成干路防反驅動電路，在PMOS管Q1、Q2的GS端并聯一個10V的雙向穩壓二極管，用于鉗位保護;圖中實線框中所示為點火頭驅動單元，其中R5為限流抗浪涌電阻，C1為接口靜電防護電容，每個點火頭都連接一個該驅動單元，在該客艙噴淋控制器中，點火頭驅動單元最多可有12個。

3.3 抗浪涌電阻設計

點火頭起爆電壓3V時，在100ms時間內即可完成起爆，以此推算，則起爆電壓為24V，起爆時間會在12.5ms左右，即為更短的電流起爆時間，因此在選擇驅動電路中的限流電阻時，需要選用抗浪涌的電阻，即能承受短時間內的起爆電流在該電阻上的耗散功率。

驅動電路導通時，基于PMOS管的導通內阻（5mΩ左右）較小，則忽略PMOS的導通壓降;點火頭的電阻取最小值1Ω，驅動回路將出現最大電流;點火頭的電阻取最大值1.6Ω時，驅動回路將出現最小電流;計算如下：

則抗浪涌電阻的瞬間最大功率，以此來選擇抗浪涌電阻。基于以上分析，則選型的抗浪涌電阻在20ms的脈沖浪涌下瞬間功率至少要大于47.5W。該功率等級可通過抗浪涌電阻的功率時間曲線圖來確定[2]，并選型具體的封裝。

4 試驗驗證

設計好電路后，通過實際點火頭來驗證設計方案的正確性，試驗驗證時，用示波器的1個探頭測量點火頭兩端的電壓波形，用示波器直流探頭（檔位設置50mV/1A）測量點火頭回路中電流波形，通過波形分析點火頭實際起爆時間和起爆電流。實測的波形如圖5所示。圖中1為電壓波形，2為電流波形。通過波形可知，起爆電壓24V時，點火頭的起爆時間約1.6ms，起爆時點火頭回路中的電流約1.92A。

5 結論

通過對客艙噴淋系統的介紹及刺破閥工作原理的描述，介紹了點火頭參數及其驅動電路設計，重點是驅動電路中抗浪涌電阻的設計選型及試驗驗證，通過實際測試數據看，與理論設計值有一定的誤差，該誤差是系統中各個物理參數誤差綜合的結果，在合理范圍內。

參考文獻：

[1]公共汽車客艙固定滅火系統[S]GA 1264-2015.

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