汽车TPMS系统发展综述

　　导读：随着3G、MEMS、超低功耗处理器等诸多新兴技术在汽车电子中的应用推广，车载信息娱乐系统已经变得越来越受关注。汽车胎压监测系统（Tire Pressure MonitorySystem,简称TPMS）是运用汽车电子技术、传感器技术、无线通信技术等，在汽车行驶时实时监测所有轮胎的气压、温度的系统。当轮胎工况异常时（胎压超高、超低或温度超高时）TPMS会进行报警，TPMS是提高汽车安全性的新技术。

　　一、TPMS产生背景介绍

　　轮胎是汽车上非常重要的一个功能部件，其性能的优劣直接影响汽车行驶的可操纵性、安全性和舒适性。它不仅承载了整个汽车的所有重量，而且还起到了减震的作用，因此它是影响汽车行车安全的重要因素。然而，汽车在行驶过程中，轮胎很容易因出现压力或者温度异常而导致爆胎，有数据表明，它是引发交通事故的一个重要原因。

　　据统计，在国内高速公路上所发生交通事故的70%是由于爆胎引起的，而在美国，这一比例更是高达80%.2000年11月1日，美国总统克林顿签署批准了美国国会关于修改联邦运输法的提案，即TREAD法案（The TransportationRecall Enhancement,Accountability andDocumentation ACT）。法案要求从2007年1月起，所有在美国销售的轿车都必须强制安装TPMS.为响应美国国会对车辆安装TPMS立法的要求，美国运输部与美国国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）联合对当时的两种TPMS（PSB TPMS:Pressure-Sensor Based TPMS与WSBTPMS:Wheel-Speed Based TPMS）进行评价，得出了PSB TPMS从性能和功能上都比WSB TPMS有一定优势的结论。在中次将TPMS作为专用词汇。同一时期，NHTSA出台了一项法规，法规规定从2003年11月到2006年10月31日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入TPMS.由此轮胎监测系统即TPMS,与安全气囊、防抱死制动系统一起成为了车辆必备的安全装置。

　　受TREAD法案驱动，各大公司及许多研究机构都已经开始研究相应的TPMS方案，如Motorola、GE等都已经研制出适用于TPMS的MEMS传感器及相应的TPMS技术方案。此时国外的TPMS产品已经相当成熟，能够经受5-7万公里的使用测试。2005年4月8日的《今日美国报》

　　报道，到2008年，所有重量在10000磅以下的四轮汽车都必须安装TPMS.此时，美国汽车制造商宣称，他们生产的汽车中已经有18%安装了TPMS.2006年，TPMS在美国汽车业中已经非常普及，鉴于美国的法律状况，TPMS已经成为上市新车的标准配置，美国境外的TPMS市场也已经逐渐形成。在欧洲，TPMS也已经不再是仅面向宝马、奔驰等高端汽车的可选功能，而逐渐走向了中、低端市场，日益演变成标准功能。2009年2月，欧盟通过了一项法案，规定从2012年起，欧洲所有出厂的新车辆都必须安装TPMS,欧盟希望通过此法案的推行来减少因轮胎故障而导致的事故数量，以此促进环保。

　　我国在2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准--《机动车运行安全技术条件（征求意见稿）》中，对安装轮胎气压检测装置做了一定的说明：“车长大于6米的长途客车和旅游客车、设计总质量大于1.2吨的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力预警装置”,“有关部分机动车应安装轮胎压力预警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施”.从2004年初开始，国内厂家纷纷进军PMS领域。2005年中国的TPMS开发、生产厂家已经多达200家，其中有自主设计和生产能力的约占30%,但真正大批量生产的厂家很少，一批国内生产的汽车开始将TPMS作为标准配置。《2006年中国TPMS产业研究》称，到2006年为止，国内的TPMS生产厂家将近200家，该预计，到2010年，中国TPMS市场将爆发，规模有望超过300万套。在2008年8月，我国发布了《汽车轮胎气压监测系统（TPMS）国家标准（征求意见稿）》，该标准中对TPMS的性能指标和试验方法都做了较为详细的要求。鉴于我国巨大的汽车市场规模，以及我国目前的汽车保有量的增长率每年都保持在16%以上，汽车安全产品将成为市场热点，TPMS预计每年的增长速度可达50%.因此TPMS在我国的发展将会有广阔的市场前景。

　　汽车胎压监测系统（Tire Pressure MonitorySystem,简称TPMS）是运用汽车电子技术、传感器技术、无线通信技术等，在汽车行驶时实时监测所有轮胎的气压、温度的系统。

　　当轮胎工况异常时（胎压超高、超低或温度超高时）TPMS会进行报警，TPMS是提高汽车安全性的新技术。

　　二、TPMS系统的意义及分类

　　TPMS系统主要作用如下：

　　1.可有效预防轮胎爆胎事故。除特殊机械故障外，汽车行驶安全重要的两大因素就是刹车装置和轮胎。因为轮胎气压形成轮胎强度，轮胎低压行驶时，变形下沉，将加大对轮胎胎肩的磨损同时，各部件胶于帘布层，帘布层之间剪切力增大，生热加剧，使胶层与帘线的物理性能下降，轮胎使用寿命缩短。若胎压长期低于正常气压的80%,在高速行驶时，轮胎会急剧升温而脱层，导致爆胎。轮胎超压行驶时，轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，轮胎胎面的中部磨损增加。室内试验证明，气压超出25%,轮胎寿命降低15%-20%;降低气压25%,寿命降低约30%.汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大，轮胎磨损增加。TPMS可于行驶时实时对轮胎气压、温度进行自动监测预警，可有效方式轮胎爆胎事故的发生。

　　2.提供“事前主动”型安全保护。TPMS是“事前主动”预警系统。连续的压力以及温度实时监测会保证车辆在正确的负载中行驶。避免因轮胎压力过低或者过高，以及温度的异常而造成的爆胎；避免由于汽车4个轮胎压力的不平衡，而造成的驾车容易跑偏的现象；能限度地减少因轮胎故障而导致的半路抛锚以及其他交通事故的可能性。将事故消灭在萌芽状态，来确保汽车行驶中始终处于安全状态。

　　3.具有经济效益和绿色环保作用。轮胎气压和温度过高，胎冠会加速磨损；而轮胎压力过低，汽油损耗量则会增加。因此保持正常气压行驶才可节省油费开支。除此以外，保持正常气压行驶还能避免由于爆胎而引起的车辆损坏的修理费、新胎或者轮轴的购置费用，以及因为轮胎原因发生故障所造成的有形或者无形的损失。轮胎气压过低对轮胎的影响如下表所示。而且，低压行驶将增加行驶的阻力、燃料的消耗以及废气的排放。另外，过快磨损轮胎的橡胶粉尘也将增加环境污染。

　　

　　4.保障整车的性能与寿命。正确的轮胎压力有助于优化车辆整体性能，如汽车的转向性能，刹车性能，对方向操纵的响应，加强车辆的负载能力等；另外，正确的轮胎压力还能延长发动机及底盘、挂、轮胎的寿命，提高整车寿命与舒适性。

　　目前主要的胎压监测系统（TPMS）可总体上分为直接式TPMS与间接式TPMS,具体分类如图1所示：

　　

　　（1）间接式TPMS

　　间接式TPMS主要通过测量车轮转速或扭矩刚度来计算胎压。可分为基于ABS的TPMS与基于振动的TPMS.

　　1）基于ABS的TPMS

　　当胎压变化时，轮胎的径向刚度随之变化，在车轮垂向力的作用下，车轮滚动半径发生变化，于是车轮转速产生变化，基于此原理，通过轮速传感器所测出的车轮转速，并综合考虑车轮转速的变化情况，得出胎压状况。

　　2）基于振动的TPMS

　　汽车在行驶过程中，当胎压变化时轮胎的扭转刚度也随之变化，基于该原理，首先求出弹性常数的关系，然后将由轮速传感器所得的轮速信号经过处理计算出轮胎周向扭转共振频率，并由此计算出轮胎弹性常数，反求出胎压，从而实现了胎压的实时监测功能。

　　（2）直接式TPMS

　　直接式TPMS主要是通过装在轮胎内的胎压、温度传感器直接测量胎压与胎温，又可分为有源式与无源式两种类型。

　　1）有源式TPMS

　　在胎压监测系统中胎压、温度等传感器及信息发射电路需要供电设备，故称其为有源式TPMS,可分为机械式有源TPMS、电子式有源TPMS及纳米材料的有源TPMS等三类。

　　①机械式有源TPMS

　　机械式有源TPMS主要根据机械原理，当胎压低于某阈值时，导柱在弹簧力作用下产生移动，从而接通电路，并发射报警信号。

　　②电子式有源TPMS

　　电子式有源TPMS主要是通过装在轮胎内的压力及温度传感器对胎压及胎内温度直接进行测量，一般采用锂电池来供电，当监测到异常情况时发出报警信号。

　　③纳米材料的有源TPMS

　　该类型的TPMS主要由涂于轮胎内壁的用纳米材料制备的爆胎指示剂、电子传感器及纳米接收器组成，其中爆胎指示剂将采集轮胎局部接近爆胎临界点时的数据，并通过收发系统发出报警信号。

　　2）无源式TPMS

　　无源式TPMS中的胎压传感器不需要供电设备，而是通过射频耦合、电磁感应及自供电等技术来实现信息传送，可分为射频式无源TPMS、磁敏式无源TPMS与自供电式无源TPMS三种。

　　3）射频式无源TPMS

　　射频式无源TPMS通过接受高频信号的能量来驱动压力传感器等元件，并将信息发送至信息处理单元，以实现胎压的实时监测。

　　4）磁敏式无源TPMS

　　磁敏式无源TPMS中胎压传感器安装于轮辋上，霍尔装置装在车轮制动底板与悬架支柱固接的托架上，当胎压变化时，胎压传感器中磁性元件的磁场方向发生变化，从而霍尔装置的输出信号也发生变化，并以此实时计算胎压，当监测到胎压异常时，系统发出报警信号。

　　5）自供电式无源TPMS

　　自供电式无源TPMS通常是压电晶体的变形能或微型振动发电机为胎压传感器导尿管提供电能，当传感器监测到胎压与胎温异常时，系统发出报警信号。

　　三、TPMS系统的发展趋势

　　随着科学技术的发展，TPMS也在不断的发展，对于未来的TPMS发展将会实现无源化、智能化和车载局域网共享等。

　　1.无源化

　　随着带电池的TPMS技术的日趋成熟，现在很多车辆上均安装这种TPMS.但是带电池的TPMS传感器和发射器需要电池提供电量，因此不可避免地带来一些弊端。如：电池的寿命，当气温严重降低时，电池的容量会受到温度影响而减少；当电量不足时，接收信号的稳定性会受到影响；电池本身存在着不同的种类，当车辆高速行驶时影响车子的动态平衡。

　　2.智能化

　　汽车的智能化简单通俗地说，就是车知道它自己在哪儿，知道它周边的驾驶环境，知道它的巡航路线，能够安全舒适地把驾驶员带到目的地。智能化终目标是能够把人从日常的驾驶操作中解放出来。

　　TPMS系统的智能化主要是通过现代汽车现有的传感器，提高TPMS的准确性、可靠性和实时性。利用基于信号处理的虚拟传感器的TPMS设计和实现。同时在TPMS的设计中，利用自动控制算法，能准确地调节和控制轮胎的压力，从而可以防止由于高压而导致的爆胎。

　　3.车载局域网共享信息

　　随着3G、MEMS、超低功耗处理器等诸多新兴技术在汽车电子中的应用推广，车载信息娱乐系统已经变得越来越受关注。如实时导航、车况检测、远程诊断和维护、视频倒车等功能。TPMS系统可以作为独立的装置安装在汽车上，中央接收模块和显示模块通过串口进行通讯，系统也可以作为汽车车载网络CAN（ControlArea Network）的一个子系统，此时两个模块通过CAN实现通讯。这样的结构适应了未来汽车车载网络发展的趋势。当汽车由于轮胎发生意外状况时，可自动向外界发送警报，及时救援；可实时确定车辆位置，出现意外状况时，提供相关信息，便于获得援助。（作者：袁立栋，杨兵，奚忠芳）