汽車安全新技術TPMS

何志軍，牛永強，晉蕾，楊賢琴

（奇瑞汽車股份有限公司試驗和整車技術工程院，安徽蕪湖241009）

汽車安全新技術TPMS

何志軍，牛永強，晉蕾，楊賢琴

（奇瑞汽車股份有限公司試驗和整車技術工程院，安徽蕪湖241009）

介紹了汽車輪胎壓力監視系統（TPMS）的概念、工作原理及發展現狀，分析了TPMS技術的應用。

TPMS；汽車；輪胎；安全

0 引言

據統計，目前在中國高速公路上，由爆胎引起的交通事故已占事故總數的70%，在美國這一比例更高達80%。SAE（美國汽車工程師協會）的調查統計表明：美國每年有26萬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。由于每年造成的經濟損失和人員傷亡巨大，美國政府要求汽車制造商加速發展輪胎氣壓監測設備，以求減少輪胎事故的發生［1］。車胎中安裝上胎壓監測傳感器和射頻發射器的智能輪胎正在引起極大的關注。智能輪胎與汽車儀表盤上一個接收器及顯示器配合，即構成一個輪胎壓力器監測系統，即TPMS（Tire PressureMonitoring System），它也可以簡稱為胎壓監測傳感器 （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，以及Chrysler300M等系統車型，都裝有TPMS。

而對于國內的許多汽車制造商來說，在未來很短時間內將TPMS裝在自己的車型上已是大勢所趨。

經統計，欠氣狀態行車，每100 km汽車多耗油260 mL，欠壓行駛時輪胎的磨損也很大，輪胎壽命將減少15% ～20%；如果輪胎氣壓過高，抓地力就會下降，同樣輪胎的磨損也嚴重，油耗也會隨之上升；而如果輪胎內溫度過高，將會有爆胎的潛在威脅。

TPMS系統集輪胎壓力、溫度檢測功能于一體，可以實時監測汽車輪胎內的氣壓和溫度，對輪胎的漏氣、低氣壓、高氣壓和高溫度進行預警以保障行車安全。

1 TPMS概念

汽車輪胎壓力監視系統由發射檢測模塊 （每只輪胎一個）和接收顯示模塊 （一個）組成，不同類型的輪胎壓力監測系統具體組成不同。發射檢測模塊電路由溫度壓力傳感器、MCU（單片機）和發射機組成；結構由一個用于保護電路的外殼，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、MCU、顯示模塊組成；結構上包括機殼、設在機殼面板的功能開關和顯示屏。

汽車輪胎壓力監視系統，主要用于在汽車行駛時，適時對輪胎氣壓進行自動監測，對輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓防爆胎進行預警，確保行車安全。同時，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題。因此，TPMS對提高行車安全性、降低燃油消耗及減少輪胎磨損等都具有重要意義。

2 TPMS技術的現狀和演變

目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是 Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，間接式TPMS），這種系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，該類型系統的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100 km／h的情況進行判斷；另一種是 Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，直接式TPMS），這種系統是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。PSB TPMS從功能和性能上均優于WSB TPMS。PSB TPMS又可分為帶電池TPMS和無電池TPMS。

WSB TPMS沒有PSB TPMS準確率高且系統校準復雜，在有些情況下此系統無法正常工作，如無法對兩個以上的輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100 km／h的情況進行判斷，所以不能成為技術發展的主流。帶電池TPMS的技術日趨成熟，開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，是當前的主流技術，現在各種車輛上均安裝這種TPMS。帶電池TPMS傳感器／發射器需要電池提供動力，因此不可避免地帶來一些弊端：如電池的壽命有限，當氣溫嚴重降低時，電池的容量會受到影響而減少，不夠穩定。此外，電池的化學物質也會導致環境問題，同時由于電池的存在很難降低發射器的質量。

無電池TPMS用一個中央收發器代替一般直接式TPMS中的中央接收器。這個收發器不但要接收信號而且要發射信號，安裝在輪胎中的轉發器 （代替了發射器）接收來自中央收發器的信號，同時使用這個信號的能量來發射一個反饋信號到中央收發器上。這就使得安裝在輪胎內部的氣壓監測器發送數據不需要電池，解決了上述因電池所帶來的問題。

如果說TPMS的使用是汽車電子技術發展的一次革新的話，那TPMS的無源化就是TPMS自身完善的一個重要變化。

3 TPMS工作原理

TPMS系統由一組發射模塊 （4個、6個或者更多，視不同車型而定）、一個接收模塊組成。發射模塊內置在輪胎里，完成數據采集、分析、處理和發射功能，在正常情況下，發射模塊將采集到的溫度和壓力數據以無線通信的方式發射出來；接收模塊外置在車輛中央控制臺上，主要完成相關數據的接收、運算和處理功能，它負責分析各個輪胎的溫度、壓力數據，判別它們的當前狀態，并在必要的時候給出告警指示。TPMS系統主要用于在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓進行自動監測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統。TPMS工作示意圖見圖1。

3.1 TPMS系統框架

TPMS系統框架如圖2所示，TPMS系統包括發射模塊和接收模塊，發射模塊安裝在輪胎內，可以直接檢測每個輪胎的氣壓和溫度，并將測量數據無線傳輸給接收天線；接收天線通過同軸電纜將數據傳輸給安裝在儀表板下面的接收器，接收器負責解調、分析數據，然后由顯示器顯示出每個輪胎壓力和溫度，如輪胎發生異常時系統會向駕駛員及時發出警報［2］。

3.2 發射模塊工作模式

發射模塊見圖3。發射模塊需要做到低功耗，這樣可以延長電池的壽命。因此將該模塊設計成有兩種狀態：一種狀態是車子停著的情況下的駐車模式，另一種是車子在路上行走時的行駛模式。當測量模塊處于行駛模式時，還會根據輪胎內部壓力和溫度變化的量來決定射頻發射的頻率。這種策略可以進一步減少功耗［3］。

以某車型TPMS方案來說明這兩種模式：

（1） 駐車模式

①無故障時，正常數據20 min發送一次數據幀；

②有故障時，立即發送報警數據幀多次，之后報警數據36 s發送一次數據幀，直到報警解除為止；

③每12 s檢測一次數據；

④低頻接口打開。在發射模塊開始運行20 min后，可以用初始化儀器對TPMS系統進行初始化，也可以對單個發射模塊作初始化設置。

（2） 行駛模式

行駛模式下，接收模塊只接收來自TPMS系統的射頻信號。

如果長時間 （默認為10 min）沒有收到任何一個或者多個輪胎壓力傳感器的射頻數據，發出傳感器失效錯誤報警。

①無故障時，正常數據5 min發送一次數據幀；

②有故障時，立即發送報警數據幀，之后報警數據12 s發送一次數據幀，直到報警解除為止；

③傳感器每4 s檢測一次數據；

④低頻接口關閉。不能使用初始化儀器對TPMS系統進行初始化。

3.3 接收模塊

接收模塊外接12 V車載電源，接收天線負責接收無線信號，RF接收板將無線高頻信號解碼后送給中央處理器，中央處理器負責處理數據并將數據打包后通過CAN總線傳輸給汽車的中央控制器，最后由汽車中央控制器負責將數據顯示在汽車的儀表盤上。其中低頻喚醒電路用于驅動低頻天線發送低頻信號，這樣接收機就可以主動地查訊每個發射模塊了。接收模塊安裝在儀表盤附件，RF接收天線固定在射頻接收最好的位置，4個低頻天線安裝在4個輪胎附近，便于喚醒輪胎內的4個發射模塊［4］。接收模塊見圖4。

3.4 信號傳輸及處理流程

信號傳輸流程見圖5。發射檢測模塊中的壓力傳感器感測輪胎壓力并轉化為小模擬信號，該小信號經過放大及A／D轉化后轉為數字信號，然后由發射檢測模塊中的MCU處理編碼數字信號，加上該模塊的識別ID編碼 （即用于區分模塊的身份編碼），最后編碼信號經過調制、功率放大后通過天線發射出去。

接收天線收到無線信號后，經過低噪放大和濾波，再將數字信號解調出來，接收模塊的MCU從數據包中分析發射模塊的ID號、壓力數據及其他數據信息，如果ID號和接收機中存儲的ID信息相匹配，則處理壓力和溫度數據，并將數據通過CAN總線送到汽車中央控制器后顯示在儀表盤上［5］。

3.5 顯示終端裝置

TPMS信號顯示裝置主要有以下幾種：組合儀表LCD屏、內后視鏡、獨立顯示屏。

TPMS信號在某車型組合儀表LCD屏上顯示如表1所示。

表1 胎壓顯示方式

3.6 TPMS信號可靠性要求

TPMS是一個測量輪胎壓力、溫度等涉及安全信息的無線收發系統，其信號可靠性是設計中始終要考慮的問題。該信號可靠性包括兩個方面：數據接收率和誤碼率。所謂數據接收率是指接收模塊能否可靠地收到發射模塊發射的每一幀數據。這不僅涉及接收模塊的靈敏度和發射模塊的發射功率，還有一個重要的原因就是當發射模塊裝入輪胎而接收模塊放入車內時，車體本身相當于一個屏蔽盒，對信號的衰減相當大，再加上多個發射模塊的數據沖突及周圍環境的干擾等，導致系統的數據接收率較低。而誤碼率是指發射模塊發射的信號在傳輸途中因為外界環境干擾致使接收模塊收到錯誤的數據信息，導致系統可靠性降低。

在TPMS設計中，采用高增益的發射天線及匹配電路使發射功率達到理想的設計要求，特別在接收端除了匹配電路設計外，一方面根據對汽車上無線電傳輸路徑的研究，采用底盤安裝天線的接收模式；另一方面根據多發射機發射信號的隨機性和沖突性，采用時差間隙發送數據的方式進行發射，并在接收軟件的設計中采用中斷接收循環處理的接收模式，這樣TPMS信號接收率可高達98%以上。另外在軟件設計中對傳輸數據采用多種校驗方式相結合的方法，使系統的誤碼率大為降低。

當然，頻繁地發射數據可以增加接收機接收數據的概率，從而提高系統可靠性，但這樣會大大降低電池的使用壽命。

4 TPMS技術應用

TPMS作為汽車非常重要的安全系統，主要檢測輪胎的壓力和溫度。汽車輪胎的壓力與溫度是密切相關的，也是汽車駕乘人員的生命安全所系。

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

輪胎氣壓高于標準值時，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。室內試驗證明：一般認為提高氣壓25%，輪胎壽命將會降低15% ～20%；降低氣壓25%，壽命大約降低30% （注意：一般轎車的輪胎正常氣壓值在210 kPa左右，多座位商務車 （7－9座）在240 kPa左右為宜）。

汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大 （一般溫度不能超過80℃，當溫度達到95℃時，輪胎的情況非常危險），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 結束語

TPMS對汽車行駛安全有著非常重要的意義，從目前市場反映來看，合資品牌汽車基本已經裝配TPMS，但自主品牌大多還沒有將此項新技術作為汽車安全系統的標準配置，這項新技術在我國完全推廣還需要一段時間。但從長遠來看，應用前景十分看好。隨著我國汽車保有量持續增加，與汽車輪胎相關的交通事故也呈現增長趨勢，國家會相繼出臺有關出廠汽車強制性安裝TPMS等相關規定。今后幾年我國TPMS市場都將保持翻倍的速度快速增長。相信在不久的將來，消費者會更加注重汽車安全，我國的汽車相關法律法規將更加完善，TPMS的使用將更加普及。

【1】余立剛.保證安全行車的新技術——TPMS［J］.農業裝備與車輛工程，2006（4）：52－53.

【2】吳義保，周海清.TPMS產品結構設計研究［J］.機械研究與應用，2007（2）：43－45.

【3】全國汽車標準化技術委員會.GB／T 26149-2010基于胎壓監測模塊的汽車輪胎氣壓監測系統［S］.北京：中國標準出版社，2011.

【4】江銳.LF低頻喚醒技術在TPMS中的應用［J］.計算機與數字工程，2007，35（3）：155－157.

【5】柳猛，王大志.射頻無線技術在TPMS中的應用［J］.電子技術，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，主要從事汽車電子電器零部件檢驗與測試工作。E-mail：hezhijun＠mychery.com。