胎压监测技术发展研究

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【摘要】汽车轮胎压力监测系统（TPMS）的主要功能是在汽车行驶时， 对轮胎气压进行实时监测，在轮胎漏气等欠压状况下进行报警，它是汽车乘员的生命安全保障预警系统。本文介绍了目前胎压监测技术的发展及应用状况，常见的胎压监测系统的类型、监测原理以及主要的关键技术，并全面地阐述了未来胎压监测技术的发展趋势。

【关键词】胎压监测技术；直接式TPMS；间接式TPMS；发展趋势

1、引言

轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System），简称TMPS，实现了在汽车行驶过程中对轮胎胎压的实时监测，对轮胎漏气等胎压不足症状进行报警，防止交通事故的发生，提高了汽车行车安全性，TPMS是目前飞速发展的汽车主动安全技术之一。

美国是全球最早立法将TPMS列为标准配置的国家，2003年11月，美国公路交通安全管理局（NTHTSA）制定了新版汽车安全技术法规，要求2007年9月以后，所有在美国销售的最大设计总质量不超过4536kg的四轮乘用车和商用车都必须安装轮胎气压监测系统。2012年11月欧盟也将通过新法案，硬性规定新汽车平台加装TPMS[1]。目前中国TPMS整体市场容量较小，普及率较低，尚处于起步阶段。

2、胎压监测系统的种类

随着科学技术的发展，胎压监测系统已经到了比较成熟的阶段，各式各样的产品已经开发出来并且运用到了汽车上面。纵观各大公司开发的TPMS系统，可分为三种类型：间接式TPMS、直接式TPMS、复合式TPMS。

2.1间接式TPMS

间接式TPMS（Wheel-Speed Based TPMS，简称WSB TPMS），是指非直接测量汽车轮胎压力而是通过其他一些如轮速、频率等参数再利用轮胎的力学模型间接计算出轮胎气压的一种胎压监测系统。

相比直接式它具有结构简单，成本低，抗干扰能力强，且无需拆换轮胎，无需更换压力传感器和电池，耐用性强等优点。但它的局限性也较多，当轮胎压力减少30%才报警，而且灵敏度不高，车行驶一公里以上系统才会有所反应，转弯工况下较难实现等[2]。但是通过系统及算法的改良，间接式TPMS的部分局限性也能得到改善。

常见的间接式TPMS有三类：

（1）轮径分析型（轮速监测法）

这种系统的原理是监测汽车ABS 系统轮速传感器的信号，通过一定的算法来比各轮之间轮速的差别，以达到监测胎压的目的。原理相对比较简单，根据以下公式可以进行判断。

其中分别为为左前、右前、右后、左后轮转速。系统设置一个判别门限值T0，当T>T0时，通过智能算法，系统判定为欠压，进行报警[3]。

这种系统安装十分简单，在原有的ABS系统上增加报警程序和报警提示装置即可，但是很多工况会发生误报或不报，例如同轴或者同侧两个轮胎同时压力过小，或者四个轮胎同时压力过小。

（2）振动分析型（频率监测法）

利用4个车轮上安装的ABS车轮传感器产生的波形信号并经过VSC（Vehicle Stability Control System）处理，求出轮胎的共振频率，由此可得轮胎的弹簧常数，再根据轮胎气压和弹簧常数成严格正比关系，最后求出轮胎气压，判断是否进行胎压报警。其控制流程如图1所示。

（3）磁敏式间接TPMS

系统由硬件结构、安装在悬架支柱或车轮制动底板上的霍尔装置、安装在车轮轮辋上的压力传感器、电子控制单元、A/D装置、驱动器、报警器组成[4-6]，如图2所示。

汽车行驶时，轮胎胎压变化引起螺旋弹簧变形，带动磁性元件旋转使得磁场方向发生变化，从而使通过霍尔装置中磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现轮胎压力信号由轮胎至车体的非接触传递。电子控制单元由单片机和接口组成，单片机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样，并将数据送入存储器中，经运算分析得到轮胎胎压值并通过比较判断其状态正常与否，激发报警系统。

2.2直接式TPMS

直接式TPMS（Pressure-Sensor Based TPMS，简称PSB TPMS）是利用安装在四个车轮轮胎里的压力传感器来直接对轮胎的气压进行测量，再通过无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统。

当轮胎气压过低、过高、有渗漏或者轮胎内温度不正常时，系统都会自动报警。所以，直接式TPMS监测精度更高，不论车辆处于行驶状态还是停止状态都可以进行监测报警，系统出现误报的可能性也极低。但是，这种类型的监测系统也存在一些缺陷，比如成本较高，每个轮胎都必须安装一个监测模块，而且在轮胎内安装胎压监测模块势必会打破轮胎原有的动平衡。

直接式TPMS按有无电池可分为主动式TPMS和被动式TPMS。

（1）主动式TPMS

主动式TPMS利用固定于轮胎内部的以锂电池为电源的胎压遥测模块，直接检测每个车轮的胎压、温度等参数，通过RF射频发射电路将这些信号发射出去[7、8]。主动式TPMS发射器如图3所示。

接收器接收发射器模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度等数据显示在屏幕上，如图4所示。如果轮胎的压力或温度出现异常情况，接收器根据异常自动报警，发出不同的报警信号。

（2）被动式TPMS

主动式TPMS受其电池寿命的影响，整个传感器寿命一般在3-5年，这个缺陷也大大影响了主动式TPMS的发展。而被动式TPMS，也称为无源TPMS，其不需要电池提供能源，它在胎压传感器内部增加了发电装置，能够为传感器、MCU、RF发射模块供电，有效地解决了电池的寿命问题。

2.3混合式TPMS

混合式TPMS的出现主要是兼顾了胎压监测系统的成本以及检测精度要求，它是在常规的间接式TPMS中安装了两个额外的轮胎压力传感器和一个射频接收器。两个胎压传感器要安装在车轮上，呈对角线分布。由于系统安装了压力传感器，混合TPMS能够克服常规间接式TPMS的局限性，它们能够检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎，当所有4个轮胎都处于低压状态时，系统也可以检测到故障。但是，和间接式TPMS相似，当在一个对角线上的两个不带压力传感器的轮胎都处于低压状态时，系统只能检测到一个轮胎充气不足。

3、胎压监测技术的发展趋势

汽车胎压监测系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个永恒的主题。随着各大公司对于胎压监测技术研究的深入以及传感器技术、电子控制技术的升级，胎压监测技术的发展呈现出以下几种趋势：

（1）集成化

随着电子技术和制造工艺的发展，未来胎压监测系统将更加轻便、集成化。这种集成化趋势主要体现在胎压监测模块的集成化，通过将压力、温度、加速度传感器、8位微处理器和RF射频发射电路都做在一个芯片之中，大大减轻模块总质量，从而不破坏轮胎的动平衡。而监测系统的信号接收模块、报警模块与整车ECU的有效集成也是未来企业推广胎压监测系统的重要手段[9]。

（2）无源化

电池的使用寿命也是影响胎压监测系统正常工作的又一大瓶颈。当轮胎处于潮湿的恶劣环境下， 电池可能会漏电， 造成使用寿命大大下降。采用无电池供电方式是未来TPMS 产品发展的又一大趋势。

未来可实现TPMS无源化的技术包括以下几种：

1）利用压电元件将轮胎的动能转换为电能，并存储在电容器内；

2）通过外部的电磁场将能量传入轮胎内部的胎压传感器，在胎压传感器的线圈中感应出电压和电流，给测量发射模块提供能量；

3）利用声表面波技术（SAW）实现电磁反向散射耦合，传感器通过射频电场产生一个声表面波，当这个声表面波通过压电衬底材料的表面时就会产生变化，通过检测声表面波就能反映胎压的变化。

（3）精确化

不管是间接式还是直接式TPMS，提高胎压监测的精度，是决定未来市场份额的重要途径。

对于间接式TPMS，提高报警精度的方法倾向于系统算法的改进。目前，山东理工大学对轮胎模型与胎压变化进行了深入研究，通过建立轮胎模型，利用ABS信号估计出轮胎半径，从而监测胎压的变化。东北大学建立了一套车轮垂向振动模型，通过对汽车动态性能的分析，找出汽车轮胎压力变化与车辆振动频率之间的关系，通过车轮共振频率的变化监测轮胎气压的变化。这些胎压监测新理论、新算法的出现为进一步提高间接式TPMS精度提供了理论依据。

对于直接式TPMS，提高胎压传感器检测精度和无线通讯的抗干扰能力是报警精确化的有效途径。MEMS传感器的广泛使用以及性能的提升使得传感器性能大幅提升，目前传感器市场竞争尤为激烈[10]。而为了保证无线通讯数据传输的稳定性和可靠性，就必须采取措施来克服信号之间的干扰， 可以通过设计发射或接收效率高的天线， 在接收部分增加信号的滤波，增强发射功率等方法来实现。

（4）智能化

目前，米其林公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间发挥作用。而信号接收装置做成如手机的手握式解码读取器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。随着智能轮胎、智能监测设备的出现，未来的胎压监测也将变得更加智能化。

（5）整合化

与整车ECU、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、智能运输系统（ITS）等技术的不断整合，通过软硬件接口的融合连接，将大大推广胎压监测系统在汽车领域的应用。

4、结束语

本文较全面地论述了目前汽车胎压监测系统的类型、关键技术以及未来胎压监测技术的发展趋势。随着汽车行业和电子行业的发展，在未来几年间，胎压监测系统必将逐渐成为汽车的基本配置。而不管是直接式，还是间接式TPMS，都将为汽车行驶的安全性提供很大程度的帮助，保证汽车乘员的安全。

参考文献

[1]欧阳涛.汽车轮胎气压监测系统（TPMS）评价与测试方法研究[D].吉林大学，2008.

[2]单春贤，韩钧，胡苏杭，仲敏波.轮胎压力监测系统的开发及发展趋势[J].拖拉机与农用运输车，2006，33（5）：91-93.

[3]谭德荣，张峰，王艳阳.基于ABS 信号的轮胎压力监测系统（TPMS）[J].农业装备与车辆工程，2007（4）：16-18.

[4]孙春玲.基于轮胎模型的轮胎压力监测系统研究[D].山东理工大学，2007.

[5]何仁，胡青训，薛翔.汽车轮胎胎压监测系统发展研究[J].中国安全科学学报，2005（10）：105-109.

[6]魏彦军.浅析汽车轮胎压力监视系统TPMS[J].汽车电器，2006（2）：50-52.

[7]魏柠柠.TPMS汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现[D].浙江大学，2008.

[8]Scott Pape.TPMS Reference Design[J].Electronic Engineering&ProductWorld，2008（10）：22-24.

[9]刘福海，孙春玲.TPMS发展现状及发展趋势分析[J].科技信息，2008（24）：137.

[10]李凯.轮胎压力传感器优缺点比较分析与选择[J].国外电子元器件，2007（1）：69-72.