汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 玉

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院，河南 三門峽 472000）

隨著汽車保有量的不斷增加，伴隨的是對車輛安全的嚴(yán)重考驗(yàn)，道路安全的法律法規(guī)要求每輛車配備主動和被動安全系統(tǒng)，如：制動防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program, ESP）等。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（Economic Commission of Europe, ECE）第13號法規(guī)制定了汽車制動系統(tǒng)的要求，這些要求涉及制動過程中車輛制動的穩(wěn)定性和制動系統(tǒng)的可靠性，制動性能由制動距離表示，制動距離受制動系統(tǒng)技術(shù)狀況的唯一接觸，車輛能否保持運(yùn)動方向，或者和輪胎壓力的影響。輪胎是決定車輛與基底能否在障礙物前停下來的一個(gè)重要因素[1]。司機(jī)經(jīng)常忽視輪胎的狀況和輪胎內(nèi)的壓力值。輪胎中氣壓值的變化對駕駛舒適性、燃料效率和道路安全具有顯著影響。車輛的制動距離還取決于對輪胎抓地力有影響的幾個(gè)因素，如：天氣條件（雨、霧、光照條件）、地理?xiàng)l件（地面坡度）、速度、質(zhì)量和輪胎類型。輪胎-路面接觸力的測量是開發(fā)新的控制系統(tǒng)以提高車輛安全性和性能的第一步。這些系統(tǒng)的構(gòu)造在傳感器的使用、輪胎耐久性和道路安全方面不斷得到發(fā)展。

美歐國家早在21世紀(jì)初就研發(fā)出世界上第一套汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，2003年日本的阿爾卑斯電氣公司成功研制出了無需電池的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System, TPMS）。我國在2000年開始TPMS系統(tǒng)的研究和引入，并于2004年步入高潮。

1 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)

輪胎壓力控制系統(tǒng)的任務(wù)是在輪胎壓力與所需壓力不同時(shí)，警告危險(xiǎn)的修正。TPMS系統(tǒng)主要由位于汽車輪胎內(nèi)部的遠(yuǎn)程胎壓監(jiān)測模塊和駕駛臺上的監(jiān)視器構(gòu)成。輪胎內(nèi)部安裝的壓力傳感器測量輪胎壓力，將測量得到的信號經(jīng)過nrf24l01調(diào)制后通過高頻無線電波（Radio Frequency, RF）發(fā)射出去，監(jiān)視器接收信息到壓力信息后顯示在屏幕上，供駕駛者加以參考。當(dāng)輪胎壓力異常時(shí)，監(jiān)視器可以發(fā)出報(bào)警信號警示駕駛員。

TPMS包括間接式和直接式兩種，如圖1和圖2所示。

圖1 間接式

圖2 直接式

直接式使用壓力傳感器直接測量壓力得出數(shù)據(jù)，并通過高頻傳出信號。間接式利用輪胎速度差監(jiān)測輪胎狀況[2]，不需要額外的傳感器，因?yàn)樗邮諄碜訣SP和ABS傳感器的信息。輪胎氣壓較低的車輪半徑較小，旋轉(zhuǎn)速度較快，這可由測量防抱死制動系統(tǒng)車輪轉(zhuǎn)速的傳感器檢測到。通過這種方式，系統(tǒng)可以識別出壓力較低的車輪，并通知駕駛員。該系統(tǒng)使用來自ABS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。間接系統(tǒng)的缺點(diǎn)是當(dāng)所有輪胎壓力損失相等時(shí)，不能檢測壓力損失。輪胎氣壓值取決于環(huán)境溫度。另一個(gè)因素是制動系統(tǒng)摩擦元件的散熱和輪胎在與地面接觸的影響下的變形[3]。

車輛輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)可以在車輛行駛和靜止時(shí)工作。傳感器的電子系統(tǒng)定期測量輪胎壓力和車輪內(nèi)的空氣溫度。在不平坦和未固化的道路上行駛、制動、上坡或下坡以及動態(tài)運(yùn)動駕駛等情況下，數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)壓力控制會中斷。在轎廂運(yùn)動的這些條件下，不可能檢測到壓力損失。但是，在正常行駛條件下，輪胎壓力警告可能會延遲。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

TPMS模塊嵌入輪胎內(nèi)部，采用無線雙向通信方式對汽車輪胎的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過無線調(diào)制方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)顯示模塊。

2.1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的電氣部件

TPMS模塊通常在一節(jié)鋰電池下工作，工作時(shí)間為5～10年，因此，節(jié)能是一個(gè)十分重要的課題，系統(tǒng)要求所選用的傳感器芯片必須是低功耗的。傳感器對整個(gè)TPMS性能的影響極大，故要選擇一些功耗低的元件。

TPMS模塊的電氣部件如圖3所示。除了壓力和溫度傳感器之外，加速度計(jì)還經(jīng)常被用作運(yùn)動檢測器，能夠判斷汽車是停車狀態(tài)還是在行駛?；诖诵畔?，微控制器將管理壓力和溫度測量的執(zhí)行頻率，并通過RF鏈路傳輸。大多數(shù)市售的直接TPM系統(tǒng)都使用基于鋰的原電池。鋰離子紐扣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度與重量比，開路電壓（Open Circuit Voltage, OCV）約為3～3.5 V，以及擴(kuò)展的工作溫度范圍。然而，由于所需的容量約為100萬千瓦，鋰離子電池占據(jù)了TPMS模塊電子體積的30%～40%。400～550 mAh滿足原始設(shè)備制造（Original Equipment Manufacturer, OEM） 10年壽命要求。除了尺寸和成本相關(guān)的問題之外，電池重量也是將TPMS模塊進(jìn)一步集成到車輪/輪胎組件中的一個(gè)主要障礙。在駕駛模式下每個(gè)TPMS模塊大約傳輸每30秒一次。通過射頻鏈路將絕對壓力、溫度和電源電壓傳輸?shù)揭粋€(gè)公共接收器單元。指示燈顯示單個(gè)或多個(gè)輪胎的輪胎壓力是否低于特定閾值。

圖3 TPMS的電氣部件

輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（Reifen Druck Kontrolle, RDK）可在ABS傳感器的基礎(chǔ)上運(yùn)行，或配備額外的壓力傳感器。系統(tǒng)由位于車輪上的傳感器和位于車輪上的天線組成，天線接收來自這些傳感器的信號，從傳感器到天線的數(shù)據(jù)傳輸是定期進(jìn)行的。在正常模式下，傳感器每54秒發(fā)送一次合適的信息，在快速模式下，每850毫秒發(fā)送一次。當(dāng)車輪中的壓力下降超過0.2bar/分鐘時(shí)，快速模式被激活。在這種系統(tǒng)的另一個(gè)變型中，消息每15或30秒發(fā)送一次。然后，信號將通過CAN總線從天線轉(zhuǎn)發(fā)到控制器。在檢測到輪胎壓力變化的情況下，控制器通過點(diǎn)亮燈在顯示器上發(fā)送消息或通過音頻信號發(fā)送消息來通知駕駛員。根據(jù)車輛設(shè)備，系統(tǒng)可以通知駕駛員輪胎氣壓的變化，或者僅通知駕駛員這一事實(shí)。在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，正確的輪胎壓力必須由駕駛員設(shè)定。系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程發(fā)生在輪胎的所有變化之后，例如：輪胎壓力校正（從輪胎的部分充氣到完全充氣），配備有其他電子系統(tǒng)的一個(gè)或所有車輪的變化（例如冬季車輪或損壞車輪的更換）。系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程僅在車輛以約25 km/h的速度行駛時(shí)進(jìn)行，可能需要10分鐘。這個(gè)過程伴隨著顯示器上的適當(dāng)信息，或適當(dāng)?shù)闹甘緹舻拈W爍。

2.2 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的功耗分布

在停車和靜止期間，傳輸間隔會增加，以節(jié)省電池電量。對于當(dāng)前技術(shù)水平的TPMS模塊[4]，以10 kbit/s的傳輸速率，長度為100 bit的數(shù)據(jù)報(bào)的每次RF傳輸需要大約200～250 Ws。根據(jù)10年的使用壽命，數(shù)據(jù)傳輸是功耗的重要組成部分，但最大的貢獻(xiàn)因素是傳感器IC的關(guān)斷電流（待機(jī)電流）。圖4顯示了功耗的典型分布。

圖4 功耗的典型分布

正在進(jìn)行的開發(fā)集中在降低關(guān)斷電流和提高傳輸速率上，以便降低整體功耗。通過優(yōu)化傳輸啟動程序、傳輸功率水平以及將傳輸速率提高到100千比特/秒。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的平均功耗可以降低到10～15 Ws。

因此，基于微尺度或微機(jī)電系統(tǒng)（Micro- Elec- tro-Mechanical System, MEMS）的振動能量采集器必須提供幾W的平均功率水平，以便促進(jìn)5～10 s范圍內(nèi)的傳輸間隔。此外，智能電源管理和可靠的能量存儲設(shè)備對于在輪胎壓力監(jiān)測等安全相關(guān)應(yīng)用中使用振動能量采集器是必要的。

2.3 汽車輪胎的功率譜密度

安裝在汽車輪胎內(nèi)部所謂內(nèi)襯位置的振動能量采集器受到三個(gè)方向的加速。兩個(gè)主要方向是徑向和切向，這兩個(gè)方向都受輪胎旋轉(zhuǎn)的支配。當(dāng)安裝該裝置的輪胎部分撞擊或離開地面時(shí)，兩個(gè)方向都有特征信號。這兩個(gè)位置被稱為前沿和后沿，定義了輪胎與路面的接觸面積。此外，其他因素，如：道路的路面不平度、行駛速度的波動和輪胎本身的詳細(xì)動態(tài)（扭轉(zhuǎn)和振動模式）也會對加速度信號產(chǎn)生影響。圖5表示以50 km/h行駛的汽車輪胎的內(nèi)襯層處測量的加速度信號的功率譜密度（Power Spectral Density, PSD）。路面不平度分為8個(gè)等級，本系統(tǒng)選用的是B級，在略高于6 Hz處，存在對應(yīng)于車輪旋轉(zhuǎn)周期的強(qiáng)峰值，但是也存在相當(dāng)數(shù)量級的多個(gè)高次諧波峰值。對于100 Hz以上的頻率，峰值變得模糊不清。然而，在最高約1 kHz的范圍內(nèi)，信號電平相當(dāng)高。

圖5 汽車輪胎的內(nèi)襯層處的功率譜密度

路面不平度的功率譜密度為

式中，n為空間頻率，m-1；n0為參考空間頻率；Gq(n)為參考空間頻率下的路面功率譜密度；w為頻率指數(shù)。

3 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)可以對車輛故障早期檢測，該系統(tǒng)可用作車輛的控制系統(tǒng)和技術(shù)狀態(tài)控制的附加補(bǔ)充功能，可以有效防止故障并提高道路安全性，得益于控制系統(tǒng)，可以持續(xù)保持最佳輪胎壓力，保持正確的輪胎壓力可以延長輪胎的使用壽命，減少輪胎磨損和燃油消耗，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，研究結(jié)果對提高汽車的行駛安全性有一定參考價(jià)值。