汽車(chē)安全新技術(shù)TPMS

何志軍，牛永強(qiáng)，晉蕾，楊賢琴

（奇瑞汽車(chē)股份有限公司試驗(yàn)和整車(chē)技術(shù)工程院，安徽蕪湖241009）

汽車(chē)安全新技術(shù)TPMS

何志軍，牛永強(qiáng)，晉蕾，楊賢琴

（奇瑞汽車(chē)股份有限公司試驗(yàn)和整車(chē)技術(shù)工程院，安徽蕪湖241009）

介紹了汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)（TPMS）的概念、工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了TPMS技術(shù)的應(yīng)用。

TPMS；汽車(chē)；輪胎；安全

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在中國(guó)高速公路上，由爆胎引起的交通事故已占事故總數(shù)的70%，在美國(guó)這一比例更高達(dá)80%。SAE（美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)）的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明：美國(guó)每年有26萬(wàn)起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，而75%的輪胎故障是由于輪胎氣壓不足或滲漏引起的。由于每年造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡巨大，美國(guó)政府要求汽車(chē)制造商加速發(fā)展輪胎氣壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，以求減少輪胎事故的發(fā)生［1］。車(chē)胎中安裝上胎壓監(jiān)測(cè)傳感器和射頻發(fā)射器的智能輪胎正在引起極大的關(guān)注。智能輪胎與汽車(chē)儀表盤(pán)上一個(gè)接收器及顯示器配合，即構(gòu)成一個(gè)輪胎壓力器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即TPMS（Tire PressureMonitoring System），它也可以簡(jiǎn)稱(chēng)為胎壓監(jiān)測(cè)傳感器 （Tire Pressure Monitoring Sensor）。

目前福特公司的林肯大陸、戴姆勒－克萊斯勒公司的道奇迷你廂型車(chē)，以及Chrysler300M等系統(tǒng)車(chē)型，都裝有TPMS。

而對(duì)于國(guó)內(nèi)的許多汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，在未來(lái)很短時(shí)間內(nèi)將TPMS裝在自己的車(chē)型上已是大勢(shì)所趨。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，欠氣狀態(tài)行車(chē)，每100 km汽車(chē)多耗油260 mL，欠壓行駛時(shí)輪胎的磨損也很大，輪胎壽命將減少15% ～20%；如果輪胎氣壓過(guò)高，抓地力就會(huì)下降，同樣輪胎的磨損也嚴(yán)重，油耗也會(huì)隨之上升；而如果輪胎內(nèi)溫度過(guò)高，將會(huì)有爆胎的潛在威脅。

TPMS系統(tǒng)集輪胎壓力、溫度檢測(cè)功能于一體，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)輪胎內(nèi)的氣壓和溫度，對(duì)輪胎的漏氣、低氣壓、高氣壓和高溫度進(jìn)行預(yù)警以保障行車(chē)安全。

1 TPMS概念

汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)由發(fā)射檢測(cè)模塊 （每只輪胎一個(gè)）和接收顯示模塊 （一個(gè)）組成，不同類(lèi)型的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體組成不同。發(fā)射檢測(cè)模塊電路由溫度壓力傳感器、MCU（單片機(jī)）和發(fā)射機(jī)組成；結(jié)構(gòu)由一個(gè)用于保護(hù)電路的外殼，和將外殼固定在輪胎的輪輞上的裝置組成。接收器電路由電源模塊、接收機(jī)、MCU、顯示模塊組成；結(jié)構(gòu)上包括機(jī)殼、設(shè)在機(jī)殼面板的功能開(kāi)關(guān)和顯示屏。

汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)，適時(shí)對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓防爆胎進(jìn)行預(yù)警，確保行車(chē)安全。同時(shí)，保障輪胎氣壓處于正常范圍還有利于減少油耗及輪胎磨損等問(wèn)題。因此，TPMS對(duì)提高行車(chē)安全性、降低燃油消耗及減少輪胎磨損等都具有重要意義。

2 TPMS技術(shù)的現(xiàn)狀和演變

目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型：一種是 Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，間接式TPMS），這種系統(tǒng)是通過(guò)汽車(chē)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，該類(lèi)型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100 km／h的情況進(jìn)行判斷；另一種是 Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，直接式TPMS），這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。PSB TPMS從功能和性能上均優(yōu)于WSB TPMS。PSB TPMS又可分為帶電池TPMS和無(wú)電池TPMS。

WSB TPMS沒(méi)有PSB TPMS準(zhǔn)確率高且系統(tǒng)校準(zhǔn)復(fù)雜，在有些情況下此系統(tǒng)無(wú)法正常工作，如無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上的輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100 km／h的情況進(jìn)行判斷，所以不能成為技術(shù)發(fā)展的主流。帶電池TPMS的技術(shù)日趨成熟，開(kāi)發(fā)出來(lái)的模塊可適用于各廠牌的輪胎，是當(dāng)前的主流技術(shù)，現(xiàn)在各種車(chē)輛上均安裝這種TPMS。帶電池TPMS傳感器／發(fā)射器需要電池提供動(dòng)力，因此不可避免地帶來(lái)一些弊端：如電池的壽命有限，當(dāng)氣溫嚴(yán)重降低時(shí)，電池的容量會(huì)受到影響而減少，不夠穩(wěn)定。此外，電池的化學(xué)物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)由于電池的存在很難降低發(fā)射器的質(zhì)量。

無(wú)電池TPMS用一個(gè)中央收發(fā)器代替一般直接式TPMS中的中央接收器。這個(gè)收發(fā)器不但要接收信號(hào)而且要發(fā)射信號(hào)，安裝在輪胎中的轉(zhuǎn)發(fā)器 （代替了發(fā)射器）接收來(lái)自中央收發(fā)器的信號(hào)，同時(shí)使用這個(gè)信號(hào)的能量來(lái)發(fā)射一個(gè)反饋信號(hào)到中央收發(fā)器上。這就使得安裝在輪胎內(nèi)部的氣壓監(jiān)測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)不需要電池，解決了上述因電池所帶來(lái)的問(wèn)題。

如果說(shuō)TPMS的使用是汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展的一次革新的話(huà)，那TPMS的無(wú)源化就是TPMS自身完善的一個(gè)重要變化。

3 TPMS工作原理

TPMS系統(tǒng)由一組發(fā)射模塊 （4個(gè)、6個(gè)或者更多，視不同車(chē)型而定）、一個(gè)接收模塊組成。發(fā)射模塊內(nèi)置在輪胎里，完成數(shù)據(jù)采集、分析、處理和發(fā)射功能，在正常情況下，發(fā)射模塊將采集到的溫度和壓力數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)射出來(lái)；接收模塊外置在車(chē)輛中央控制臺(tái)上，主要完成相關(guān)數(shù)據(jù)的接收、運(yùn)算和處理功能，它負(fù)責(zé)分析各個(gè)輪胎的溫度、壓力數(shù)據(jù)，判別它們的當(dāng)前狀態(tài)，并在必要的時(shí)候給出告警指示。TPMS系統(tǒng)主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全，是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。TPMS工作示意圖見(jiàn)圖1。

3.1 TPMS系統(tǒng)框架

TPMS系統(tǒng)框架如圖2所示，TPMS系統(tǒng)包括發(fā)射模塊和接收模塊，發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，可以直接檢測(cè)每個(gè)輪胎的氣壓和溫度，并將測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸給接收天線(xiàn)；接收天線(xiàn)通過(guò)同軸電纜將數(shù)據(jù)傳輸給安裝在儀表板下面的接收器，接收器負(fù)責(zé)解調(diào)、分析數(shù)據(jù)，然后由顯示器顯示出每個(gè)輪胎壓力和溫度，如輪胎發(fā)生異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)向駕駛員及時(shí)發(fā)出警報(bào)［2］。

3.2 發(fā)射模塊工作模式

發(fā)射模塊見(jiàn)圖3。發(fā)射模塊需要做到低功耗，這樣可以延長(zhǎng)電池的壽命。因此將該模塊設(shè)計(jì)成有兩種狀態(tài)：一種狀態(tài)是車(chē)子停著的情況下的駐車(chē)模式，另一種是車(chē)子在路上行走時(shí)的行駛模式。當(dāng)測(cè)量模塊處于行駛模式時(shí)，還會(huì)根據(jù)輪胎內(nèi)部壓力和溫度變化的量來(lái)決定射頻發(fā)射的頻率。這種策略可以進(jìn)一步減少功耗［3］。

以某車(chē)型TPMS方案來(lái)說(shuō)明這兩種模式：

（1） 駐車(chē)模式

①無(wú)故障時(shí)，正常數(shù)據(jù)20 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀；

②有故障時(shí)，立即發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)幀多次，之后報(bào)警數(shù)據(jù)36 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，直到報(bào)警解除為止；

③每12 s檢測(cè)一次數(shù)據(jù)；

④低頻接口打開(kāi)。在發(fā)射模塊開(kāi)始運(yùn)行20 min后，可以用初始化儀器對(duì)TPMS系統(tǒng)進(jìn)行初始化，也可以對(duì)單個(gè)發(fā)射模塊作初始化設(shè)置。

（2） 行駛模式

行駛模式下，接收模塊只接收來(lái)自TPMS系統(tǒng)的射頻信號(hào)。

如果長(zhǎng)時(shí)間 （默認(rèn)為10 min）沒(méi)有收到任何一個(gè)或者多個(gè)輪胎壓力傳感器的射頻數(shù)據(jù)，發(fā)出傳感器失效錯(cuò)誤報(bào)警。

①無(wú)故障時(shí)，正常數(shù)據(jù)5 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀；

②有故障時(shí)，立即發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)幀，之后報(bào)警數(shù)據(jù)12 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，直到報(bào)警解除為止；

③傳感器每4 s檢測(cè)一次數(shù)據(jù)；

④低頻接口關(guān)閉。不能使用初始化儀器對(duì)TPMS系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

3.3 接收模塊

接收模塊外接12 V車(chē)載電源，接收天線(xiàn)負(fù)責(zé)接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)，RF接收板將無(wú)線(xiàn)高頻信號(hào)解碼后送給中央處理器，中央處理器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包后通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸給汽車(chē)的中央控制器，最后由汽車(chē)中央控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)顯示在汽車(chē)的儀表盤(pán)上。其中低頻喚醒電路用于驅(qū)動(dòng)低頻天線(xiàn)發(fā)送低頻信號(hào)，這樣接收機(jī)就可以主動(dòng)地查訊每個(gè)發(fā)射模塊了。接收模塊安裝在儀表盤(pán)附件，RF接收天線(xiàn)固定在射頻接收最好的位置，4個(gè)低頻天線(xiàn)安裝在4個(gè)輪胎附近，便于喚醒輪胎內(nèi)的4個(gè)發(fā)射模塊［4］。接收模塊見(jiàn)圖4。

3.4 信號(hào)傳輸及處理流程

信號(hào)傳輸流程見(jiàn)圖5。發(fā)射檢測(cè)模塊中的壓力傳感器感測(cè)輪胎壓力并轉(zhuǎn)化為小模擬信號(hào)，該小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大及A／D轉(zhuǎn)化后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后由發(fā)射檢測(cè)模塊中的MCU處理編碼數(shù)字信號(hào)，加上該模塊的識(shí)別ID編碼 （即用于區(qū)分模塊的身份編碼），最后編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制、功率放大后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。

接收天線(xiàn)收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)低噪放大和濾波，再將數(shù)字信號(hào)解調(diào)出來(lái)，接收模塊的MCU從數(shù)據(jù)包中分析發(fā)射模塊的ID號(hào)、壓力數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)信息，如果ID號(hào)和接收機(jī)中存儲(chǔ)的ID信息相匹配，則處理壓力和溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)送到汽車(chē)中央控制器后顯示在儀表盤(pán)上［5］。

3.5 顯示終端裝置

TPMS信號(hào)顯示裝置主要有以下幾種：組合儀表LCD屏、內(nèi)后視鏡、獨(dú)立顯示屏。

TPMS信號(hào)在某車(chē)型組合儀表LCD屏上顯示如表1所示。

表1 胎壓顯示方式

3.6 TPMS信號(hào)可靠性要求

TPMS是一個(gè)測(cè)量輪胎壓力、溫度等涉及安全信息的無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)，其信號(hào)可靠性是設(shè)計(jì)中始終要考慮的問(wèn)題。該信號(hào)可靠性包括兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)接收率和誤碼率。所謂數(shù)據(jù)接收率是指接收模塊能否可靠地收到發(fā)射模塊發(fā)射的每一幀數(shù)據(jù)。這不僅涉及接收模塊的靈敏度和發(fā)射模塊的發(fā)射功率，還有一個(gè)重要的原因就是當(dāng)發(fā)射模塊裝入輪胎而接收模塊放入車(chē)內(nèi)時(shí)，車(chē)體本身相當(dāng)于一個(gè)屏蔽盒，對(duì)信號(hào)的衰減相當(dāng)大，再加上多個(gè)發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)沖突及周?chē)h(huán)境的干擾等，導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率較低。而誤碼率是指發(fā)射模塊發(fā)射的信號(hào)在傳輸途中因?yàn)橥饨绛h(huán)境干擾致使接收模塊收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。

在TPMS設(shè)計(jì)中，采用高增益的發(fā)射天線(xiàn)及匹配電路使發(fā)射功率達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求，特別在接收端除了匹配電路設(shè)計(jì)外，一方面根據(jù)對(duì)汽車(chē)上無(wú)線(xiàn)電傳輸路徑的研究，采用底盤(pán)安裝天線(xiàn)的接收模式；另一方面根據(jù)多發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)性和沖突性，采用時(shí)差間隙發(fā)送數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行發(fā)射，并在接收軟件的設(shè)計(jì)中采用中斷接收循環(huán)處理的接收模式，這樣TPMS信號(hào)接收率可高達(dá)98%以上。另外在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)傳輸數(shù)據(jù)采用多種校驗(yàn)方式相結(jié)合的方法，使系統(tǒng)的誤碼率大為降低。

當(dāng)然，頻繁地發(fā)射數(shù)據(jù)可以增加接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的概率，從而提高系統(tǒng)可靠性，但這樣會(huì)大大降低電池的使用壽命。

4 TPMS技術(shù)應(yīng)用

TPMS作為汽車(chē)非常重要的安全系統(tǒng)，主要檢測(cè)輪胎的壓力和溫度。汽車(chē)輪胎的壓力與溫度是密切相關(guān)的，也是汽車(chē)駕乘人員的生命安全所系。

汽車(chē)輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，變形增大，受力發(fā)生變化，易使輪壁簾布層呈環(huán)狀斷裂，胎面磨損不均，胎肩的磨損急劇增大；同時(shí)，各部件膠于簾布層，簾布層之間剪切力增大，生熱加劇，使膠層與簾線(xiàn)的物理性能下降，輪胎使用壽命縮短。若胎壓長(zhǎng)期低于正常氣壓的80%，在高速行駛時(shí)，輪胎會(huì)急劇升溫而脫層，最后導(dǎo)致爆胎。

輪胎氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，因輪胎與地面接觸的面積減少，單位壓力增高，使輪胎胎面中部的磨損增加。室內(nèi)試驗(yàn)證明：一般認(rèn)為提高氣壓25%，輪胎壽命將會(huì)降低15% ～20%；降低氣壓25%，壽命大約降低30% （注意：一般轎車(chē)的輪胎正常氣壓值在210 kPa左右，多座位商務(wù)車(chē) （7－9座）在240 kPa左右為宜）。

汽車(chē)輪胎溫度越高，輪胎的強(qiáng)度越低，變形越大 （一般溫度不能超過(guò)80℃，當(dāng)溫度達(dá)到95℃時(shí)，輪胎的情況非常危險(xiǎn)），每升高1℃，輪胎磨損就增加2%；行駛速度每增加一倍，輪胎行駛里程降低50%。因此，不允許超溫超速行使。

5 結(jié)束語(yǔ)

TPMS對(duì)汽車(chē)行駛安全有著非常重要的意義，從目前市場(chǎng)反映來(lái)看，合資品牌汽車(chē)基本已經(jīng)裝配TPMS，但自主品牌大多還沒(méi)有將此項(xiàng)新技術(shù)作為汽車(chē)安全系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，這項(xiàng)新技術(shù)在我國(guó)完全推廣還需要一段時(shí)間。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)用前景十分看好。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量持續(xù)增加，與汽車(chē)輪胎相關(guān)的交通事故也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，國(guó)家會(huì)相繼出臺(tái)有關(guān)出廠汽車(chē)強(qiáng)制性安裝TPMS等相關(guān)規(guī)定。今后幾年我國(guó)TPMS市場(chǎng)都將保持翻倍的速度快速增長(zhǎng)。相信在不久的將來(lái)，消費(fèi)者會(huì)更加注重汽車(chē)安全，我國(guó)的汽車(chē)相關(guān)法律法規(guī)將更加完善，TPMS的使用將更加普及。

【1】余立剛.保證安全行車(chē)的新技術(shù)——TPMS［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2006（4）：52－53.

【2】吳義保，周海清.TPMS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007（2）：43－45.

【3】全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB／T 26149-2010基于胎壓監(jiān)測(cè)模塊的汽車(chē)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

【4】江銳.LF低頻喚醒技術(shù)在TPMS中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2007，35（3）：155－157.

【5】柳猛，王大志.射頻無(wú)線(xiàn)技術(shù)在TPMS中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2007（7）：127－130.

The New Technology for Automobile Safety：TPMS

HE Zhijun，NIU Yongqiang，JIN Lei，YANG Xianqin
（Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu Anhui241009，China）

The concept，work principle and present development status of TPMS（tire pressuremonitoring system）were introduced，and its application was analyzed.

TPMS；Automobile；Tire；Safety

2014－03－10

何志軍（1983—），男，本科，助理工程師，主要從事汽車(chē)電子電器零部件檢驗(yàn)與測(cè)試工作。E-mail：hezhijun＠m(xù)ychery.com。