汽车轮胎压力监测系统设计
魏 玉
（三门峡职业技术学院 汽车学院，河南 三门峡 472000）
随着汽车保有量的不断增加，伴随的是对车辆安全的严重考验，道路安全的法律法规要求每辆车配备主动和被动安全系统，如：制动防抱死系统（Antilock Brake System, ABS）、车身电子稳定系统（Electronic Stability Program, ESP）等。联合国欧洲经济委员会（Economic Commission of Europe, ECE）第13号法规制定了汽车制动系统的要求，这些要求涉及制动过程中车辆制动的稳定性和制动系统的可靠性，制动性能由制动距离表示，制动距离受制动系统技术状况的唯一接触，车辆能否保持运动方向，或者和轮胎压力的影响。轮胎是决定车辆与基底能否在障碍物前停下来的一个重要因素[1]。司机经常忽视轮胎的状况和轮胎内的压力值。轮胎中气压值的变化对驾驶舒适性、燃料效率和道路安全具有显著影响。车辆的制动距离还取决于对轮胎抓地力有影响的几个因素，如：天气条件（雨、雾、光照条件）、地理条件（地面坡度）、速度、质量和轮胎类型。轮胎-路面接触力的测量是开发新的控制系统以提高车辆安全性和性能的第一步。这些系统的构造在传感器的使用、轮胎耐久性和道路安全方面不断得到发展。
美欧国家早在21世纪初就研发出世界上第一套汽车胎压监测系统，2003年日本的阿尔卑斯电气公司成功研制出了无需电池的轮胎气压监测系统（Tire Pressure Monitoring System, TPMS）。我国在2000年开始TPMS系统的研究和引入，并于2004年步入高潮。
轮胎压力控制系统的任务是在轮胎压力与所需压力不同时，警告危险的修正。TPMS系统主要由位于汽车轮胎内部的远程胎压监测模块和驾驶台上的监视器构成。轮胎内部安装的压力传感器测量轮胎压力，将测量得到的信号经过nrf24l01调制后通过高频无线电波（Radio Frequency, RF）发射出去，监视器接收信息到压力信息后显示在屏幕上，供驾驶者加以参考。当轮胎压力异常时，监视器可以发出报警信号警示驾驶员。
TPMS包括间接式和直接式两种，如图1和图2所示。
图1 间接式
图2 直接式
直接式使用压力传感器直接测量压力得出数据，并通过高频传出信号。间接式利用轮胎速度差监测轮胎状况[2]，不需要额外的传感器，因为它接收来自ESP和ABS传感器的信息。轮胎气压较低的车轮半径较小，旋转速度较快，这可由测量防抱死制动系统车轮转速的传感器检测到。通过这种方式，系统可以识别出压力较低的车轮，并通知驾驶员。该系统使用来自ABS系统的数据。间接系统的缺点是当所有轮胎压力损失相等时，不能检测压力损失。轮胎气压值取决于环境温度。另一个因素是制动系统摩擦元件的散热和轮胎在与地面接触的影响下的变形[3]。
车辆轮胎压力监测系统可以在车辆行驶和静止时工作。传感器的电子系统定期测量轮胎压力和车轮内的空气温度。在不平坦和未固化的道路上行驶、制动、上坡或下坡以及动态运动驾驶等情况下，数据评估系统压力控制会中断。在轿厢运动的这些条件下，不可能检测到压力损失。但是，在正常行驶条件下，轮胎压力警告可能会延迟。
TPMS模块嵌入轮胎内部，采用无线双向通信方式对汽车轮胎的压力和温度进行实时监测，并通过无线调制方式将监测数据发送到主机显示模块。
2.1 胎压监测系统的电气部件
TPMS模块通常在一节锂电池下工作，工作时间为5～10年，因此，节能是一个十分重要的课题，系统要求所选用的传感器芯片必须是低功耗的。传感器对整个TPMS性能的影响极大，故要选择一些功耗低的元件。
TPMS模块的电气部件如图3所示。除了压力和温度传感器之外，加速度计还经常被用作运动检测器，能够判断汽车是停车状态还是在行驶。基于此信息，微控制器将管理压力和温度测量的执行频率，并通过RF链路传输。大多数市售的直接TPM系统都使用基于锂的原电池。锂离子纽扣电池表现出优异的能量密度与重量比，开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）约为3～3.5 V，以及扩展的工作温度范围。然而，由于所需的容量约为100万千瓦，锂离子电池占据了TPMS模块电子体积的30%～40%。400～550 mAh满足原始设备制造（Original Equipment Manufacturer, OEM） 10年寿命要求。除了尺寸和成本相关的问题之外，电池重量也是将TPMS模块进一步集成到车轮/轮胎组件中的一个主要障碍。在驾驶模式下每个TPMS模块大约传输每30秒一次。通过射频链路将绝对压力、温度和电源电压传输到一个公共接收器单元。指示灯显示单个或多个轮胎的轮胎压力是否低于特定阈值。
图3 TPMS的电气部件
轮胎压力监控系统（Reifen Druck Kontrolle, RDK）可在ABS传感器的基础上运行，或配备额外的压力传感器。系统由位于车轮上的传感器和位于车轮上的天线组成，天线接收来自这些传感器的信号，从传感器到天线的数据传输是定期进行的。在正常模式下，传感器每54秒发送一次合适的信息，在快速模式下，每850毫秒发送一次。当车轮中的压力下降超过0.2bar/分钟时，快速模式被激活。在这种系统的另一个变型中，消息每15或30秒发送一次。然后，信号将通过CAN总线从天线转发到控制器。在检测到轮胎压力变化的情况下，控制器通过点亮灯在显示器上发送消息或通过音频信号发送消息来通知驾驶员。根据车辆设备，系统可以通知驾驶员轮胎气压的变化，或者仅通知驾驶员这一事实。在轮胎压力监测系统中，正确的轮胎压力必须由驾驶员设定。系统的学习过程发生在轮胎的所有变化之后，例如：轮胎压力校正（从轮胎的部分充气到完全充气），配备有其他电子系统的一个或所有车轮的变化（例如冬季车轮或损坏车轮的更换）。系统的学习过程仅在车辆以约25 km/h的速度行驶时进行，可能需要10分钟。这个过程伴随着显示器上的适当信息，或适当的指示灯的闪烁。
2.2 胎压监测系统的功耗分布
在停车和静止期间，传输间隔会增加，以节省电池电量。对于当前技术水平的TPMS模块[4]，以10 kbit/s的传输速率，长度为100 bit的数据报的每次RF传输需要大约200～250 Ws。根据10年的使用寿命，数据传输是功耗的重要组成部分，但最大的贡献因素是传感器IC的关断电流（待机电流）。图4显示了功耗的典型分布。
图4 功耗的典型分布
正在进行的开发集中在降低关断电流和提高传输速率上，以便降低整体功耗。通过优化传输启动程序、传输功率水平以及将传输速率提高到100千比特/秒。每个数据报的平均功耗可以降低到10～15 Ws。
因此，基于微尺度或微机电系统（Micro- Elec- tro-Mechanical System, MEMS）的振动能量采集器必须提供几W的平均功率水平，以便促进5～10 s范围内的传输间隔。此外，智能电源管理和可靠的能量存储设备对于在轮胎压力监测等安全相关应用中使用振动能量采集器是必要的。
2.3 汽车轮胎的功率谱密度
安装在汽车轮胎内部所谓内衬位置的振动能量采集器受到三个方向的加速。两个主要方向是径向和切向，这两个方向都受轮胎旋转的支配。当安装该装置的轮胎部分撞击或离开地面时，两个方向都有特征信号。这两个位置被称为前沿和后沿，定义了轮胎与路面的接触面积。此外，其他因素，如：道路的路面不平度、行驶速度的波动和轮胎本身的详细动态（扭转和振动模式）也会对加速度信号产生影响。图5表示以50 km/h行驶的汽车轮胎的内衬层处测量的加速度信号的功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）。路面不平度分为8个等级，本系统选用的是B级，在略高于6 Hz处，存在对应于车轮旋转周期的强峰值，但是也存在相当数量级的多个高次谐波峰值。对于100 Hz以上的频率，峰值变得模糊不清。然而，在最高约1 kHz的范围内，信号电平相当高。
图5 汽车轮胎的内衬层处的功率谱密度
路面不平度的功率谱密度为
式中，n为空间频率，m-1；
n0为参考空间频率；
Gq(n)为参考空间频率下的路面功率谱密度；
w为频率指数。
本次设计的轮胎压力监测系统可以对车辆故障早期检测，该系统可用作车辆的控制系统和技术状态控制的附加补充功能，可以有效防止故障并提高道路安全性，得益于控制系统，可以持续保持最佳轮胎压力，保持正确的轮胎压力可以延长轮胎的使用寿命，减少轮胎磨损和燃油消耗，轮胎压力监测系统减轻了驾驶员的负担，研究结果对提高汽车的行驶安全性有一定参考价值。
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