客艙噴淋滅火控制器刺破閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

趙圣寶

摘 要：本文首先分析了客艙噴淋系統(tǒng)的組成，介紹了刺破閥的組成及工作原理，重點(diǎn)介紹了刺破閥中點(diǎn)火頭的參數(shù)及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，核心部件抗浪涌電阻的設(shè)計(jì)選型，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：客艙噴淋 控制器 刺破閥 點(diǎn)火頭 試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

近年來(lái)，汽車火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，尤其是在純電動(dòng)汽車高速發(fā)展的今天。如果車廂內(nèi)遇到煙霧報(bào)警或者發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為此，國(guó)家高度重視客車安全，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求客車安裝客艙噴淋滅火系統(tǒng)[1]，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由駕駛員一鍵啟動(dòng)客艙噴淋滅火系統(tǒng)，以便在瞬間進(jìn)行滅火，有效的保護(hù)乘客生命財(cái)產(chǎn)安全，減少經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡。

2 客艙噴淋系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

客艙噴淋系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)部分，啟動(dòng)按鍵、客艙噴淋控制器、儲(chǔ)液罐、刺破閥、噴頭及管線路等?？团搰娏芟到y(tǒng)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(gè)系統(tǒng)只有1個(gè)客艙噴淋控制器，當(dāng)有火情時(shí)，駕駛員按下啟動(dòng)按鍵，客艙噴淋控制器采集到啟動(dòng)按鍵信號(hào)并驅(qū)動(dòng)刺破閥動(dòng)作。打通儲(chǔ)液罐與噴頭之間的通路，進(jìn)行滅火。

其中滅火介質(zhì)如S-3-AB存儲(chǔ)在儲(chǔ)液罐中，通過(guò)管道與刺破閥連接，刺破閥再通過(guò)管道與噴頭連接，每個(gè)儲(chǔ)液罐可帶2個(gè)噴頭。圖1中的虛線框所表示的是滅火執(zhí)行組件，在客車上進(jìn)行布置時(shí)，該組件可根據(jù)實(shí)際車長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并分配，數(shù)量在6～12個(gè)，即最多有12個(gè)儲(chǔ)液罐，12個(gè)刺破閥，24個(gè)噴頭，組成整車的客艙噴淋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 刺破閥工作原理

刺破閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由點(diǎn)火頭、起爆室、頂桿、鋁膜等組成。刺破閥的一端接與儲(chǔ)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(fā)生火災(zāi)時(shí)，此種情況下點(diǎn)火頭驅(qū)動(dòng)電路不工作，即點(diǎn)火頭處于未起爆狀態(tài)，頂桿靠近起爆室一端，鋁膜完好，此時(shí)，儲(chǔ)液罐中的滅火介質(zhì)S-3-AB通過(guò)起爆室左邊的小孔流入到頂桿與鋁膜之間的區(qū)域即被鋁膜阻斷。

當(dāng)發(fā)生火情，啟動(dòng)按鍵被駕駛員按下時(shí)，客艙噴淋控制器驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火頭在起爆室起爆，產(chǎn)生瞬間高能量將頂桿向右推出，瞬間刺破阻擋滅火介質(zhì)通路的鋁膜，滅火介質(zhì)即能從分布在客車不同區(qū)域的噴頭噴出進(jìn)行有效的滅火。

3 刺破閥點(diǎn)火頭參數(shù)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 刺破閥點(diǎn)火頭參數(shù)

刺破閥組成中，最核心的部件是點(diǎn)火頭，其主要由引腳線、藥頭組成，其中藥頭的藥柱長(zhǎng)度約5mm，大小均勻，表面光滑，起爆時(shí)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(xù)時(shí)間與起爆電壓有關(guān)，如起爆電壓3V時(shí)起爆電流持續(xù)時(shí)間約為100ms;電阻范圍在1Ω～1.6Ω。點(diǎn)火起爆率達(dá)到100%，在起爆后，連接藥頭的兩根引線之間電阻為無(wú)窮大，即斷路。點(diǎn)火頭起爆前后對(duì)比如圖3所示。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

基于上節(jié)中點(diǎn)火頭起爆電流持續(xù)時(shí)間與起爆電壓有關(guān)，故首先要確定起爆電壓，本設(shè)計(jì)中，點(diǎn)火頭的起爆電壓為24V，1個(gè)點(diǎn)火頭起爆電流為600mA，則12個(gè)點(diǎn)火頭同時(shí)起爆時(shí)所需的最小電流為7.2A，因此設(shè)計(jì)上選用PMOS來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火頭，具體設(shè)計(jì)的電路如圖4所示，采用兩個(gè)PMOS管組成干路防反驅(qū)動(dòng)電路，在PMOS管Q1、Q2的GS端并聯(lián)一個(gè)10V的雙向穩(wěn)壓二極管，用于鉗位保護(hù);圖中實(shí)線框中所示為點(diǎn)火頭驅(qū)動(dòng)單元，其中R5為限流抗浪涌電阻，C1為接口靜電防護(hù)電容，每個(gè)點(diǎn)火頭都連接一個(gè)該驅(qū)動(dòng)單元，在該客艙噴淋控制器中，點(diǎn)火頭驅(qū)動(dòng)單元最多可有12個(gè)。

3.3 抗浪涌電阻設(shè)計(jì)

點(diǎn)火頭起爆電壓3V時(shí)，在100ms時(shí)間內(nèi)即可完成起爆，以此推算，則起爆電壓為24V，起爆時(shí)間會(huì)在12.5ms左右，即為更短的電流起爆時(shí)間，因此在選擇驅(qū)動(dòng)電路中的限流電阻時(shí)，需要選用抗浪涌的電阻，即能承受短時(shí)間內(nèi)的起爆電流在該電阻上的耗散功率。

驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通時(shí)，基于PMOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻（5mΩ左右）較小，則忽略PMOS的導(dǎo)通壓降;點(diǎn)火頭的電阻取最小值1Ω，驅(qū)動(dòng)回路將出現(xiàn)最大電流;點(diǎn)火頭的電阻取最大值1.6Ω時(shí)，驅(qū)動(dòng)回路將出現(xiàn)最小電流;計(jì)算如下：

則抗浪涌電阻的瞬間最大功率，以此來(lái)選擇抗浪涌電阻?；谝陨戏治?，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(jí)可通過(guò)抗浪涌電阻的功率時(shí)間曲線圖來(lái)確定[2]，并選型具體的封裝。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)好電路后，通過(guò)實(shí)際點(diǎn)火頭來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，用示波器的1個(gè)探頭測(cè)量點(diǎn)火頭兩端的電壓波形，用示波器直流探頭（檔位設(shè)置50mV/1A）測(cè)量點(diǎn)火頭回路中電流波形，通過(guò)波形分析點(diǎn)火頭實(shí)際起爆時(shí)間和起爆電流。實(shí)測(cè)的波形如圖5所示。圖中1為電壓波形，2為電流波形。通過(guò)波形可知，起爆電壓24V時(shí)，點(diǎn)火頭的起爆時(shí)間約1.6ms，起爆時(shí)點(diǎn)火頭回路中的電流約1.92A。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)客艙噴淋系統(tǒng)的介紹及刺破閥工作原理的描述，介紹了點(diǎn)火頭參數(shù)及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路中抗浪涌電阻的設(shè)計(jì)選型及試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)看，與理論設(shè)計(jì)值有一定的誤差，該誤差是系統(tǒng)中各個(gè)物理參數(shù)誤差綜合的結(jié)果，在合理范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]公共汽車客艙固定滅火系統(tǒng)[S]GA 1264-2015.

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