汽車輪胎壓力監測系統設計

魏 玉

（三門峽職業技術學院 汽車學院，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重考驗，道路安全的法律法規要求每輛車配備主動和被動安全系統，如：制動防抱死系統（Antilock Brake System, ABS）、車身電子穩定系統（Electronic Stability Program, ESP）等。聯合國歐洲經濟委員會（Economic Commission of Europe, ECE）第13號法規制定了汽車制動系統的要求，這些要求涉及制動過程中車輛制動的穩定性和制動系統的可靠性，制動性能由制動距離表示，制動距離受制動系統技術狀況的唯一接觸，車輛能否保持運動方向，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重要因素[1]。司機經常忽視輪胎的狀況和輪胎內的壓力值。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因素，如：天氣條件（雨、霧、光照條件）、地理條件（地面坡度）、速度、質量和輪胎類型。輪胎-路面接觸力的測量是開發新的控制系統以提高車輛安全性和性能的第一步。這些系統的構造在傳感器的使用、輪胎耐久性和道路安全方面不斷得到發展。

美歐國家早在21世紀初就研發出世界上第一套汽車胎壓監測系統，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測系統（Tire Pressure Monitoring System, TPMS）。我國在2000年開始TPMS系統的研究和引入，并于2004年步入高潮。

1 輪胎壓力監測系統

輪胎壓力控制系統的任務是在輪胎壓力與所需壓力不同時，警告危險的修正。TPMS系統主要由位于汽車輪胎內部的遠程胎壓監測模塊和駕駛臺上的監視器構成。輪胎內部安裝的壓力傳感器測量輪胎壓力，將測量得到的信號經過nrf24l01調制后通過高頻無線電波（Radio Frequency, RF）發射出去，監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。當輪胎壓力異常時，監視器可以發出報警信號警示駕駛員。

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據，并通過高頻傳出信號。間接式利用輪胎速度差監測輪胎狀況[2]，不需要額外的傳感器，因為它接收來自ESP和ABS傳感器的信息。輪胎氣壓較低的車輪半徑較小，旋轉速度較快，這可由測量防抱死制動系統車輪轉速的傳感器檢測到。通過這種方式，系統可以識別出壓力較低的車輪，并通知駕駛員。該系統使用來自ABS系統的數據。間接系統的缺點是當所有輪胎壓力損失相等時，不能檢測壓力損失。輪胎氣壓值取決于環境溫度。另一個因素是制動系統摩擦元件的散熱和輪胎在與地面接觸的影響下的變形[3]。

車輛輪胎壓力監測系統可以在車輛行駛和靜止時工作。傳感器的電子系統定期測量輪胎壓力和車輪內的空氣溫度。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運動駕駛等情況下，數據評估系統壓力控制會中斷。在轎廂運動的這些條件下，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 系統整體設計

TPMS模塊嵌入輪胎內部，采用無線雙向通信方式對汽車輪胎的壓力和溫度進行實時監測，并通過無線調制方式將監測數據發送到主機顯示模塊。

2.1 胎壓監測系統的電氣部件

TPMS模塊通常在一節鋰電池下工作，工作時間為5～10年，因此，節能是一個十分重要的課題，系統要求所選用的傳感器芯片必須是低功耗的。傳感器對整個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，加速度計還經常被用作運動檢測器，能夠判斷汽車是停車狀態還是在行駛。基于此信息，微控制器將管理壓力和溫度測量的執行頻率，并通過RF鏈路傳輸。大多數市售的直接TPM系統都使用基于鋰的原電池。鋰離子紐扣電池表現出優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，鋰離子電池占據了TPMS模塊電子體積的30%～40%。400～550 mAh滿足原始設備制造（Original Equipment Manufacturer, OEM） 10年壽命要求。除了尺寸和成本相關的問題之外，電池重量也是將TPMS模塊進一步集成到車輪/輪胎組件中的一個主要障礙。在駕駛模式下每個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到一個公共接收器單元。指示燈顯示單個或多個輪胎的輪胎壓力是否低于特定閾值。

圖3 TPMS的電氣部件

輪胎壓力監控系統（Reifen Druck Kontrolle, RDK）可在ABS傳感器的基礎上運行，或配備額外的壓力傳感器。系統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據傳輸是定期進行的。在正常模式下，傳感器每54秒發送一次合適的信息，在快速模式下，每850毫秒發送一次。當車輪中的壓力下降超過0.2bar/分鐘時，快速模式被激活。在這種系統的另一個變型中，消息每15或30秒發送一次。然后，信號將通過CAN總線從天線轉發到控制器。在檢測到輪胎壓力變化的情況下，控制器通過點亮燈在顯示器上發送消息或通過音頻信號發送消息來通知駕駛員。根據車輛設備，系統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。在輪胎壓力監測系統中，正確的輪胎壓力必須由駕駛員設定。系統的學習過程發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的一個或所有車輪的變化（例如冬季車輪或損壞車輪的更換）。系統的學習過程僅在車輛以約25 km/h的速度行駛時進行，可能需要10分鐘。這個過程伴隨著顯示器上的適當信息，或適當的指示燈的閃爍。

2.2 胎壓監測系統的功耗分布

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

圖4 功耗的典型分布

正在進行的開發集中在降低關斷電流和提高傳輸速率上，以便降低整體功耗。通過優化傳輸啟動程序、傳輸功率水平以及將傳輸速率提高到100千比特/秒。每個數據報的平均功耗可以降低到10～15 Ws。

因此，基于微尺度或微機電系統（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5～10 s范圍內的傳輸間隔。此外，智能電源管理和可靠的能量存儲設備對于在輪胎壓力監測等安全相關應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

安裝在汽車輪胎內部所謂內襯位置的振動能量采集器受到三個方向的加速。兩個主要方向是徑向和切向，這兩個方向都受輪胎旋轉的支配。當安裝該裝置的輪胎部分撞擊或離開地面時，兩個方向都有特征信號。這兩個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動態（扭轉和振動模式）也會對加速度信號產生影響。圖5表示以50 km/h行駛的汽車輪胎的內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個等級，本系統選用的是B級，在略高于6 Hz處，存在對應于車輪旋轉周期的強峰值，但是也存在相當數量級的多個高次諧波峰值。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，信號電平相當高。

圖5 汽車輪胎的內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。

3 結論

本次設計的輪胎壓力監測系統可以對車輛故障早期檢測，該系統可用作車輛的控制系統和技術狀態控制的附加補充功能，可以有效防止故障并提高道路安全性，得益于控制系統，可以持續保持最佳輪胎壓力，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，輪胎壓力監測系統減輕了駕駛員的負擔，研究結果對提高汽車的行駛安全性有一定參考價值。