汽車胎壓監測技術探討

馬劍

摘要：文章介紹了汽車胎壓監視技術的組成、原理、控制邏輯及應用等相關問題等。輪胎故障是危險性較大及較難預防的事故隱患，是眾多突發性交通事故發生的重要原因。預防輪胎爆胎，成為提升車輛安全行駛的重要課題。

汽車輪胎壓力監測系統是-種新型的主動輪胎壓力監測裝置，業內稱之為胎壓監測系統（Tire Pressure Monitoring System），簡稱TPMS。胎壓監測系統是車輛安全系統中適用的一種低成本高效率的主動式安全裝置，在汽車行駛及靜止時對輪胎氣壓進行實時監測，發現輪胎壓力異常或快速失壓情況后對駕駛員發出警報，及時發現車輛安全隱患。該技術符合車輛安全及節能環保的發展方向，已成為發達國家汽車系統的標準配備。

關鍵詞：車輛安全，輪胎定位，報警條件，控制策略

1緒論：

1.1 國內胎壓監測系統的發展

國內相關部門，早在2013年初就開始著手制定汽車輪胎壓力監測系統的強制性國家標準了。據有關專家估算，2015年我國汽油消耗量1.14億噸。如果僅保持乘用車胎壓正常，每年就可節約汽油消耗101萬噸，節約燃油費用76億元。按乘用車保有量年均增長8%，節約的能源也會相應增長，所以從汽車安全和節能減排層面來講，胎壓監測系統（TPMS）應與安全氣囊、ABS一樣作為汽車的三大標配系統。

1.2 輪胎氣壓問題產生的危害

胎壓過高，會減小輪胎對地的接觸面積，胎面承受的壓力提高，抓地力下降。同時在高溫時爆胎幾率也會增加。胎壓過低時雖然抓地力增強，但油耗會增加，受力不均導致支撐力不夠，容易導致側翻

在各種爆胎原因中，氣壓過高占20%，氣壓不足占57%，其他占23%。輪胎相關事故在占車輛事故一半以上。在有些國家的統計中，輪胎問題引發的惡性事故高達70%。因此，預防輪胎氣壓異常，是減少車輛爆胎發生的重要手段之一。

一、胎壓監測功能的基本介紹

1.1 胎壓的基本概念

胎壓，指的是輪胎內部空氣的壓強。

輪胎內部空氣，與外界溫度有關。同時胎壓又會影響到車輛性能、舒適度及運載量以及輪胎壽命。

輪胎的出廠壓力都有參考值，根據車輛形式，底盤與動力總成的布置結構以及車輛用途等，輪胎使用的規格也不盡相同，前、后輪，空、滿載的胎壓推薦值都有差異。此外，測量胎壓的時間也有要求。輪胎標簽的推薦值是指“冷卻胎壓”，即停車后至少三小時后或輪胎行駛不超過2公里時測量所得的數值。而熱車狀態下檢測的胎壓通常需要減去0.3bar左右才是正確的氣壓值。

1.2 胎壓監測技術及分類

胎壓監測技術是一種能對車輛輪胎的氣壓、溫度以及傳感器信息進行自動檢測，并對輪胎氣壓異常的情況進行報警的預警系統。該技術在硬件及監測形式上分為間接式和直接式兩種。間接式無需硬件輔助，通過車輛ESP單元內植入的控制程序，利用輪速傳感器來監測輪胎狀態的一種系統 ，以達到監測胎壓 的目的。直接式則需要在車輛輪胎內安裝監測傳感器，利用傳感器直接測量輪胎 內部的氣壓、溫度等信息，并通過 高頻發射天線將數據發送至駕駛內的控制主機上。

二、胎壓監測技術的應用

2.1 功能要求

壓力異常報警、系統故障報警和系統初始化三個功能是胎壓監測技術的基礎功能。

（1）壓力異常報警：當輪胎漏氣、快速失壓、常規檢測時出現的充氣不足以及長時間停駛發生的緩慢漏氣等都可能造成輪胎壓力異常，此時系統提供報警輸出。

（2）系統故障報警：系統出現功能性故障時，啟動降級模式，并在人機對話系統中提醒駕駛員。

（3）系統初始化：系統啟動時與相關傳感器進行通訊檢查。

2.2 性能要求

（1）胎壓異常報警：胎壓監測系統要求車輛單個胎壓異?；蚨鄠€胎壓同時異常時，10分鐘以內做出報警反應。報警燈點亮后到胎壓恢復正常值以前，報警信息不消失;胎壓恢復正常值后，報警信號燈熄滅。

（2）故障報警：胎壓監測系統部件發生故障時，10分鐘內發出報警信息;故障燈點亮后到故障排除恢復前，故障報警信息不消失;故障排除后，報警信號燈熄滅。

2.3 間接胎壓監測系統

2.3.1 間接胎壓監測系統功能

該系統通過分析輪胎直徑變化和輪胎物理特性來提供輪胎的狀態信息。每次更換輪胎或調節壓力后須通過重新初始化來標定參考壓力。當檢測到其中一個輪胎的壓力下降時，系統就會觸發一個報警。

同等道路條件下，當一個或數個輪胎壓力損失超過20%時，系統即可檢測到。并發出提示信息。配備該系統的車輛通常會有特殊功能標簽來提醒駕駛者。

2.3.2 間接胎壓監測系統構成

間接胎壓監測系統不需要額外增加硬件配置，所有控制程序及邏輯關系均固化到ESP系統中。

2.3.3 間接胎壓監測系統的運行原理

該系統的運行是通過對比四個車輪的速度傳感器提供的數據來完成監測的。主程序在綜合和對比初始狀態的數據和傳感器提供的數據后，對車輪的充氣狀態進行檢測并給出報警提示。另外系統會根據路面情況、外部溫度等因素進行調節，因此即使在陽光充足的停車場，也不會存在報警系統失效的風險。

由于速度傳感器工作性能的限制，間接胎壓監測系統檢測故障的最低車速限值為5km/h。系統無法顯示虧氣輪胎的位置，只能輸出其中一種狀態：輪胎壓力"OK" 或者“虧氣”。如果胎壓相對于初始化壓力值降低20%及以上，系統即會判定出現了虧氣情況。

需要特別注意的是，一旦完成了虧氣輪胎的氣壓復原，間接胎壓監測系統會要求駕駛者完成系統初始化操作。未按照要求完成初始化程序可能會導致延時報警或功能失效。

系統運行所需的某些信息來源于車輛配置的其它ECU，所以數據傳遞采用多路傳輸網絡的傳輸方式時，這種設置還可以實現ESP ECU和其它ECU之間的數據共享。

系統工作原理為：氣壓異常的輪胎旋轉圈數比車輛上其他正常氣壓輪胎的旋轉圈數要多（直線行駛的情況下）。

同時，輪胎的壓力損失會降低輪胎的強度，因此輪胎的一側會產生較大的跳動。壓力下降會導致車輪旋轉的速度提高，車輪的振幅也會增加，最終導致導致輪胎側面的擺動頻率降低。于是在車輛行駛的時候，輪胎充氣不足會產生新的擺動，車輪的這種彈跳會直接影響到它支撐的強度。

輪胎充氣不足的程度和輪胎側面的變形量都會導致車輪轉速產生很大的差異。系統通過對信息進行分析，就可以確定車輪的壓力是否正常。

這也就是為什么初始化輪胎氣壓操作要求對所有車輪均要確認的原因，只有各種基礎數據準確才能確保分析的有效性。

初始化操作一旦執行，ESP ECU將覆蓋原先獲取的驗證數據，接胎壓監測系統將進入輪胎的采集驗證階段并獲取相關的數據，新的參考數據在車輛后期的行駛路程中采集。

2.4 直接胎壓監測系統

2.4.1 直接胎壓監測系統功能

直接胎壓監測系統能夠實現的功能：當有輪胎出現胎壓不足或破裂時，車輪發射器模塊或系統總體上存在故障時，以及發出“氣壓不足”功能警告駕駛員。

2.4.2 直接胎壓監測系統構成

不同于間接胎壓監測系統，直接胎壓監測系統設置了輪胎壓力傳感器，以及胎壓監測控制單元。

1. 輪胎內部的壓力傳感器（發射器模塊）2. 胎壓監測控制單元

車輪發射器模塊的功能：監測輪胎壓力和溫度;無線電波發射功能;

車輪旋轉的加速度測量。

胎壓監測控制單元的功能：對車輪發射器模塊發出的信號進行解碼;

確定車輪發射器模塊的位置;監控行駛和靜止時輪胎的壓力;監測車輛上輪胎的壓力泄漏或破裂并向駕駛員發出報警;檢查車輪發射器模塊接收數據流的一致性等。

2.4.3 直接胎壓監測系統的運行原理

胎壓監測系統通過使用車輪發射器模塊測量輪胎的壓力和溫度。該系統可以定位到虧氣輪胎的具體位置，工作原理如下：

第一步：確定發射器模塊的前/后位置

車輛前后車輪發射器模塊之間的差異通過比較胎壓監測ECU接收的頻率信號的功率而得出。

第二步：確定車輪發射模塊的左/右位置

ESPECU發送的“每個車輪的行程信息”;胎壓監測ECU按車橋（前后）位置獲得每個車輪的速度，并根據方向盤的角度確定車輪發射器模塊的左/右位置（如圖1）。

只有車速超過限值后，系統才能夠通過車輪的行程關系完成車輪的定位程序，這是由于ESP系統功能限制決定的。

當檢測到系統故障時，系統會停用以避免發出錯誤報警。如果只在一個輪胎上檢測到故障，只停用該輪胎的監控，系統繼續監控其他輪胎;如果缺失2個以上（含2個）車輪發射器模塊信息，則系統無法再繼續完成監測。

三、胎壓監測系統的實際應用相關問題

3.1 間接胎壓監測系統應用問題

間接胎壓監測系統在日常的使用過程中可能會出現系統無法正常報警的情況，經過了解車輛使用背景發現，通常會有以下幾種情況：

1、輪胎規格與車輛荷載和速度配置版本之間出現錯誤，比如更換了不同規格的輪胎輪轂。由于配置了間接胎壓監測系統的車輛會在ESP系統中固化本車型的出廠輪胎信息，即不同規格的輪胎型號無法在系統中更改，所以更換了不同規格的輪胎后，系統采集的行車過程中的輪胎轉速數據無法和固化的輪胎信息進行匹配，結果就會報錯或者無法正常報警。

2、初始化過程未完成，由于初始化輪胎氣壓后需要車輛在日常的行駛過程中持續采集輪胎轉速數據，并在過濾分析后才能對輪胎氣壓標定值進行匹配。如果采集未完成，例如車輛長時間行駛在顛簸路面，或者駕駛車輛時經常出現輪胎打滑的情況（車輛轉彎過程的急加速或急減速），這些行駛條件所采集的轉速數據都屬于無效數據，會被系統過濾掉，采集數據完成率達不到80%的進度，胎壓報警系統就無法正常工作。

3、輪胎磨損量相差較大，如果存在某條輪胎的磨損程度遠大于其他輪胎，那么該輪胎的對地半徑以及滾動過程中的振幅都會與其他輪胎產生較大偏差，這種偏差也會影響到系統采集數據的過程，自然也會影響到系統的正常功能。

3.2 直接胎壓監測系統應用問題

直接胎壓監測系統由于有硬件的加持，其功能限制遠小于間接胎壓監測系統，通常所遇到的應用問題多數與高頻信號的干擾有關，如果車輛處于一個高頻干擾信號非常強的環境中，直接胎壓監測系統控制單元可能會無法正常接收車輪發射器模塊發出的信號，那么系統功能就會被限制。

四、總結

本文從車輛輪胎、輪胎氣壓以及胎壓監測技術的介紹幾方面普及了胎壓監測技術的基本原理及使用上的相關問題。目前市場上的胎壓監測技術都可劃分為前文介紹的間接式胎壓監測及直接式胎壓監測兩類。兩種技術各有優缺點，前者結構簡單，成本低廉，但是可靠性稍差、無法直接輸出胎壓值及定位虧氣輪胎，并且在使用中限制條件較多;后者硬件及控制邏輯比較復雜 ，成本較高，但其可定位故障輪胎，且判斷及時，誤差率低，后期的維護成本也較高。

隨著全國汽車標準化技術委員會《乘用車輪胎氣壓監測系統的性能要求和試驗方法》標準的發布，相信很快胎壓監測系統都會作為車輛出廠的標準裝備，使用者在充分了解該系統的功能及使用方法后，也可以從側面積極推動標準的落地與執行，更加優化我國汽車行業的發展環境，使其健康，高效的向著汽車國際化產業邁進。

參考文獻

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