TPMS系統（Tire Pressure Monitory System）發展綜述

2013-12-31 00:00:00袁立棟楊兵奚忠芳

電子世界 2013年20期

一、TPMS產生背景介紹

輪胎是汽車上非常重要的一個功能部件，其性能的優劣直接影響汽車行駛的可操縱性、安全性和舒適性。它不僅承載了整個汽車的所有重量，而且還起到了減震的作用，因此它是影響汽車行車安全的重要因素。然而，汽車在行駛過程中，輪胎很容易因出現壓力或者溫度異常而導致爆胎，有數據表明，它是引發交通事故的一個重要原因。

據統計，在國內高速公路上所發生交通事故的70%是由于爆胎引起的，而在美國，這一比例更是高達80%。2000年11月1日，美國總統克林頓簽署批準了美國國會關于修改聯邦運輸法的提案，即TREAD法案（The Transportation Recall Enhancement，Accountability and Documentation ACT）。法案要求從2007年1月起，所有在美國銷售的轎車都必須強制安裝TPMS。為響應美國國會對車輛安裝TPMS立法的要求，美國運輸部與美國國家公路交通安全管理委員會（NHTSA）聯合對當時的兩種TPMS（PSB TPMS：Pressure-Sensor Based TPMS與WSB TPMS：Wheel-Speed Based TPMS）進行評價，得出了PSB TPMS從性能和功能上都比WSB TPMS有一定優勢的結論。在報告中第一次將TPMS作為專用詞匯。同一時期，NHTSA出臺了一項法規，法規規定從2003年11月到2006年10月31日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入TPMS。由此輪胎監測系統即TPMS，與安全氣囊、防抱死制動系統一起成為了車輛必備的安全裝置。

受TREAD法案驅動，各大公司及許多研究機構都已經開始研究相應的TPMS方案，如Motorola、GE等都已經研制出適用于TPMS的MEMS傳感器及相應的TPMS技術方案。此時國外的TPMS產品已經相當成熟，能夠經受5-7萬公里的使用測試。2005年4月8日的《今日美國報》報道，到2008年，所有重量在10000磅以下的四輪汽車都必須安裝TPMS。此時，美國汽車制造商宣稱，他們生產的汽車中已經有18%安裝了TPMS。2006年，TPMS在美國汽車業中已經非常普及，鑒于美國的法律狀況，TPMS已經成為上市新車的標準配置，美國境外的TPMS市場也已經逐漸形成。在歐洲，TPMS也已經不再是僅面向寶馬、奔馳等高端汽車的可選功能，而逐漸走向了中、低端市場，日益演變成標準功能。2009年2月，歐盟通過了一項法案，規定從2012年起，歐洲所有出廠的新車輛都必須安裝TPMS，歐盟希望通過此法案的推行來減少因輪胎故障而導致的事故數量，以此促進環保。

我國在2003年11月24日頒布的中華人民共和國國家標準——《機動車運行安全技術條件（征求意見稿）》中，對安裝輪胎氣壓檢測裝置做了一定的說明：“車長大于6米的長途客車和旅游客車、最大設計總質量大于1.2噸的載貨汽車和載貨牽引車應安裝輪胎壓力預警裝置”，“有關部分機動車應安裝輪胎壓力預警裝置的要求，自本標準發布之日起第25個月開始對新注冊車實施”。從2004年初開始，國內廠家紛紛進軍PMS領域。2005年中國的TPMS開發、生產廠家已經多達200家，其中有自主設計和生產能力的約占30%，但真正大批量生產的廠家很少，一批國內生產的汽車開始將TPMS作為標準配置。《2006年中國TPMS產業研究報告》稱，到2006年為止，國內的TPMS生產廠家將近200家，該報告預計，到2010年，中國TPMS市場將爆發，規模有望超過300萬套。在2008年8月，我國發布了《汽車輪胎氣壓監測系統（TPMS）國家標準（征求意見稿）》，該標準中對TPMS的性能指標和試驗方法都做了較為詳細的要求。鑒于我國巨大的汽車市場規模，以及我國目前的汽車保有量的增長率每年都保持在16%以上，汽車安全產品將成為市場熱點，TPMS預計每年的增長速度可達50%。因此TPMS在我國的發展將會有廣闊的市場前景。

汽車胎壓監測系統（Tire Pressure Moni-tory System，簡稱TPMS）是運用汽車電子技術、傳感器技術、無線通信技術等，在汽車行駛時實時監測所有輪胎的氣壓、溫度的系統。當輪胎工況異常時（胎壓超高、超低或溫度超高時）TPMS會進行報警，TPMS是提高汽車安全性的新技術。

二、TPMS系統的意義及分類

TPMS系統主要作用如下：

1.可有效預防輪胎爆胎事故。除特殊機械故障外，汽車行駛安全最重要的兩大因素就是剎車裝置和輪胎。因為輪胎氣壓形成輪胎強度，輪胎低壓行駛時，變形下沉，將加大對輪胎胎肩的磨損同時，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。輪胎超壓行駛時，輪胎與地面接觸的面積減少，單位壓力增高，輪胎胎面的中部磨損增加。室內試驗證明，氣壓超出25%，輪胎壽命降低15%-20%；降低氣壓25%，壽命降低約30%。汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大，輪胎磨損增加。TPMS可于行駛時實時對輪胎氣壓、溫度進行自動監測預警，可有效方式輪胎爆胎事故的發生。

2.提供“事前主動”型安全保護。TPMS是“事前主動”預警系統。連續的壓力以及溫度實時監測會保證車輛在正確的負載中行駛。避免因輪胎壓力過低或者過高，以及溫度的異常而造成的爆胎；避免由于汽車4個輪胎壓力的不平衡，而造成的駕車容易跑偏的現象；能最大限度地減少因輪胎故障而導致的半路拋錨以及其他交通事故的可能性。將事故消滅在萌芽狀態，來確保汽車行駛中始終處于安全狀態。

3.具有經濟效益和綠色環保作用。輪胎氣壓和溫度過高，胎冠會加速磨損；而輪胎壓力過低，汽油損耗量則會增加。因此保持正常氣壓行駛才可節省油費開支。除此以外，保持正常氣壓行駛還能避免由于爆胎而引起的車輛損壞的修理費、新胎或者輪軸的購置費用，以及因為輪胎原因發生故障所造成的有形或者無形的損失。輪胎氣壓過低對輪胎的影響如下表所示。而且，低壓行駛將增加行駛的阻力、燃料的消耗以及廢氣的排放。另外，過快磨損輪胎的橡膠粉塵也將增加環境污染。

氣壓低于標準值行程數的下降汽油使用壽命下降

30%6.25%37%

20%4.50%28%

15%3%20%

10%2%15%

4.保障整車的性能與壽命。正確的輪胎壓力有助于優化車輛整體性能，如汽車的轉向性能，剎車性能，對方向操縱的響應，加強車輛的負載能力等；另外，正確的輪胎壓力還能延長發動機及底盤、掛、輪胎的壽命，提高整車壽命與舒適性。

目前主要的胎壓監測系統（TPMS）可總體上分為直接式TPMS與間接式TPMS，具體分類如圖1所示：

圖1 胎壓監測系統（TPMS）分類圖

（1）間接式TPMS

間接式TPMS主要通過測量車輪轉速或扭矩剛度來計算胎壓。可分為基于ABS的TPMS與基于振動的TPMS。

1）基于ABS的TPMS

當胎壓變化時，輪胎的徑向剛度隨之變化，在車輪垂向力的作用下，車輪滾動半徑發生變化，于是車輪轉速產生變化，基于此原理，通過輪速傳感器所測出的車輪轉速，并綜合考慮車輪轉速的變化情況，得出胎壓狀況。

2）基于振動的TPMS

汽車在行駛過程中，當胎壓變化時輪胎的扭轉剛度也隨之變化，基于該原理，首先求出彈性常數的關系，然后將由輪速傳感器所得的輪速信號經過處理計算出輪胎周向扭轉共振頻率，并由此計算出輪胎彈性常數，最后反求出胎壓，從而實現了胎壓的實時監測功能。

（2）直接式TPMS

直接式TPMS主要是通過裝在輪胎內的胎壓、溫度傳感器直接測量胎壓與胎溫，又可分為有源式與無源式兩種類型。

1）有源式TPMS

在胎壓監測系統中胎壓、溫度等傳感器及信息發射電路需要供電設備，故稱其為有源式TPMS，可分為機械式有源TPMS、電子式有源TPMS及納米材料的有源TPMS等三類。

①機械式有源TPMS

機械式有源TPMS主要根據機械原理，當胎壓低于某閾值時，導柱在彈簧力作用下產生移動，從而接通電路，并發射報警信號。

②電子式有源TPMS

電子式有源TPMS主要是通過裝在輪胎內的壓力及溫度傳感器對胎壓及胎內溫度直接進行測量，一般采用鋰電池來供電，當監測到異常情況時發出報警信號。

③納米材料的有源TPMS

該類型的TPMS主要由涂于輪胎內壁的用納米材料制備的爆胎指示劑、電子傳感器及納米接收器組成，其中爆胎指示劑將采集輪胎局部接近爆胎臨界點時的數據，并通過收發系統發出報警信號。

2）無源式TPMS

無源式TPMS中的胎壓傳感器不需要供電設備，而是通過射頻耦合、電磁感應及自供電等技術來實現信息傳送，可分為射頻式無源TPMS、磁敏式無源TPMS與自供電式無源TPMS三種。

3）射頻式無源TPMS

射頻式無源TPMS通過接受高頻信號的能量來驅動壓力傳感器等元件，并將信息發送至信息處理單元，以實現胎壓的實時監測。

4）磁敏式無源TPMS

磁敏式無源TPMS中胎壓傳感器安裝于輪輞上，霍爾裝置裝在車輪制動底板與懸架支柱固接的托架上，當胎壓變化時，胎壓傳感器中磁性元件的磁場方向發生變化，從而霍爾裝置的輸出信號也發生變化，并以此實時計算胎壓，當監測到胎壓異常時，系統發出報警信號。

5）自供電式無源TPMS

自供電式無源TPMS通常是壓電晶體的變形能或微型振動發電機為胎壓傳感器導尿管提供電能，當傳感器監測到胎壓與胎溫異常時，系統發出報警信號。

三、TPMS系統的發展趨勢

隨著科學技術的發展，TPMS也在不斷的發展，對于未來的TPMS發展將會實現無源化、智能化和車載局域網共享等。

1.無源化

隨著帶電池的TPMS技術的日趨成熟，現在很多車輛上均安裝這種TPMS。但是帶電池的TPMS傳感器和發射器需要電池提供電量，因此不可避免地帶來一些弊端。如：電池的壽命，當氣溫嚴重降低時，電池的容量會受到溫度影響而減少；當電量不足時，接收信號的穩定性會受到影響；電池本身存在著不同的種類，當車輛高速行駛時影響車子的動態平衡。

2.智能化

汽車的智能化簡單通俗地說，就是車知道它自己在哪兒，知道它周邊的駕駛環境，知道它的巡航路線，能夠安全舒適地把駕駛員帶到目的地。智能化最終目標是能夠把人從日常的駕駛操作中解放出來。

TPMS系統的智能化主要是通過現代汽車現有的傳感器，提高TPMS的準確性、可靠性和實時性。利用基于信號處理的虛擬傳感器的TPMS設計和實現。同時在TPMS的設計中，利用自動控制算法，能準確地調節和控制輪胎的壓力，從而可以防止由于高壓而導致的爆胎。

3.車載局域網共享信息

隨著3G、MEMS、超低功耗處理器等諸多新興技術在汽車電子中的應用推廣，車載信息娛樂系統已經變得越來越受關注。如實時導航、車況檢測、遠程診斷和維護、視頻倒車等功能。TPMS系統可以作為獨立的裝置安裝在汽車上，中央接收模塊和顯示模塊通過串口進行通訊，系統也可以作為汽車車載網絡CAN（Control Area Network）的一個子系統，此時兩個模塊通過CAN實現通訊。這樣的結構適應了未來汽車車載網絡發展的趨勢。當汽車由于輪胎發生意外狀況時，可自動向外界發送警報，及時救援；可實時確定車輛位置，出現意外狀況時，提供相關信息，便于獲得援助。

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