汽车安全新技术TPMS

何志军，牛永强，晋蕾，杨贤琴

（奇瑞汽车股份有限公司试验和整车技术工程院，安徽芜湖241009）

汽车安全新技术TPMS

何志军，牛永强，晋蕾，杨贤琴

（奇瑞汽车股份有限公司试验和整车技术工程院，安徽芜湖241009）

介绍了汽车轮胎压力监视系统（TPMS）的概念、工作原理及发展现状，分析了TPMS技术的应用。

TPMS；汽车；轮胎；安全

0 引言

据统计，目前在中国高速公路上，由爆胎引起的交通事故已占事故总数的70%，在美国这一比例更高达80%。SAE（美国汽车工程师协会）的调查统计表明：美国每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，而75%的轮胎故障是由于轮胎气压不足或渗漏引起的。由于每年造成的经济损失和人员伤亡巨大，美国政府要求汽车制造商加速发展轮胎气压监测设备，以求减少轮胎事故的发生［1］。车胎中安装上胎压监测传感器和射频发射器的智能轮胎正在引起极大的关注。智能轮胎与汽车仪表盘上一个接收器及显示器配合，即构成一个轮胎压力器监测系统，即TPMS（Tire PressureMonitoring System），它也可以简称为胎压监测传感器 （Tire Pressure Monitoring Sensor）。

目前福特公司的林肯大陆、戴姆勒－克莱斯勒公司的道奇迷你厢型车，以及Chrysler300M等系统车型，都装有TPMS。

而对于国内的许多汽车制造商来说，在未来很短时间内将TPMS装在自己的车型上已是大势所趋。

经统计，欠气状态行车，每100 km汽车多耗油260 mL，欠压行驶时轮胎的磨损也很大，轮胎寿命将减少15% ～20%；如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，同样轮胎的磨损也严重，油耗也会随之上升；而如果轮胎内温度过高，将会有爆胎的潜在威胁。

TPMS系统集轮胎压力、温度检测功能于一体，可以实时监测汽车轮胎内的气压和温度，对轮胎的漏气、低气压、高气压和高温度进行预警以保障行车安全。

1 TPMS概念

汽车轮胎压力监视系统由发射检测模块 （每只轮胎一个）和接收显示模块 （一个）组成，不同类型的轮胎压力监测系统具体组成不同。发射检测模块电路由温度压力传感器、MCU（单片机）和发射机组成；结构由一个用于保护电路的外壳，和将外壳固定在轮胎的轮辋上的装置组成。接收器电路由电源模块、接收机、MCU、显示模块组成；结构上包括机壳、设在机壳面板的功能开关和显示屏。

汽车轮胎压力监视系统，主要用于在汽车行驶时，适时对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压防爆胎进行预警，确保行车安全。同时，保障轮胎气压处于正常范围还有利于减少油耗及轮胎磨损等问题。因此，TPMS对提高行车安全性、降低燃油消耗及减少轮胎磨损等都具有重要意义。

2 TPMS技术的现状和演变

目前，TPMS主要分为两种类型：一种是 Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，间接式TPMS），这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的，该类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100 km／h的情况进行判断；另一种是 Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，直接式TPMS），这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。PSB TPMS从功能和性能上均优于WSB TPMS。PSB TPMS又可分为带电池TPMS和无电池TPMS。

WSB TPMS没有PSB TPMS准确率高且系统校准复杂，在有些情况下此系统无法正常工作，如无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过100 km／h的情况进行判断，所以不能成为技术发展的主流。带电池TPMS的技术日趋成熟，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，是当前的主流技术，现在各种车辆上均安装这种TPMS。带电池TPMS传感器／发射器需要电池提供动力，因此不可避免地带来一些弊端：如电池的寿命有限，当气温严重降低时，电池的容量会受到影响而减少，不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的质量。

无电池TPMS用一个中央收发器代替一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器 （代替了发射器）接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，解决了上述因电池所带来的问题。

如果说TPMS的使用是汽车电子技术发展的一次革新的话，那TPMS的无源化就是TPMS自身完善的一个重要变化。

3 TPMS工作原理

TPMS系统由一组发射模块 （4个、6个或者更多，视不同车型而定）、一个接收模块组成。发射模块内置在轮胎里，完成数据采集、分析、处理和发射功能，在正常情况下，发射模块将采集到的温度和压力数据以无线通信的方式发射出来；接收模块外置在车辆中央控制台上，主要完成相关数据的接收、运算和处理功能，它负责分析各个轮胎的温度、压力数据，判别它们的当前状态，并在必要的时候给出告警指示。TPMS系统主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。TPMS工作示意图见图1。

3.1 TPMS系统框架

TPMS系统框架如图2所示，TPMS系统包括发射模块和接收模块，发射模块安装在轮胎内，可以直接检测每个轮胎的气压和温度，并将测量数据无线传输给接收天线；接收天线通过同轴电缆将数据传输给安装在仪表板下面的接收器，接收器负责解调、分析数据，然后由显示器显示出每个轮胎压力和温度，如轮胎发生异常时系统会向驾驶员及时发出警报［2］。

3.2 发射模块工作模式

发射模块见图3。发射模块需要做到低功耗，这样可以延长电池的寿命。因此将该模块设计成有两种状态：一种状态是车子停着的情况下的驻车模式，另一种是车子在路上行走时的行驶模式。当测量模块处于行驶模式时，还会根据轮胎内部压力和温度变化的量来决定射频发射的频率。这种策略可以进一步减少功耗［3］。

以某车型TPMS方案来说明这两种模式：

（1） 驻车模式

①无故障时，正常数据20 min发送一次数据帧；

②有故障时，立即发送报警数据帧多次，之后报警数据36 s发送一次数据帧，直到报警解除为止；

③每12 s检测一次数据；

④低频接口打开。在发射模块开始运行20 min后，可以用初始化仪器对TPMS系统进行初始化，也可以对单个发射模块作初始化设置。

（2） 行驶模式

行驶模式下，接收模块只接收来自TPMS系统的射频信号。

如果长时间 （默认为10 min）没有收到任何一个或者多个轮胎压力传感器的射频数据，发出传感器失效错误报警。

①无故障时，正常数据5 min发送一次数据帧；

②有故障时，立即发送报警数据帧，之后报警数据12 s发送一次数据帧，直到报警解除为止；

③传感器每4 s检测一次数据；

④低频接口关闭。不能使用初始化仪器对TPMS系统进行初始化。

3.3 接收模块

接收模块外接12 V车载电源，接收天线负责接收无线信号，RF接收板将无线高频信号解码后送给中央处理器，中央处理器负责处理数据并将数据打包后通过CAN总线传输给汽车的中央控制器，最后由汽车中央控制器负责将数据显示在汽车的仪表盘上。其中低频唤醒电路用于驱动低频天线发送低频信号，这样接收机就可以主动地查讯每个发射模块了。接收模块安装在仪表盘附件，RF接收天线固定在射频接收最好的位置，4个低频天线安装在4个轮胎附近，便于唤醒轮胎内的4个发射模块［4］。接收模块见图4。

3.4 信号传输及处理流程

信号传输流程见图5。发射检测模块中的压力传感器感测轮胎压力并转化为小模拟信号，该小信号经过放大及A／D转化后转为数字信号，然后由发射检测模块中的MCU处理编码数字信号，加上该模块的识别ID编码 （即用于区分模块的身份编码），最后编码信号经过调制、功率放大后通过天线发射出去。

接收天线收到无线信号后，经过低噪放大和滤波，再将数字信号解调出来，接收模块的MCU从数据包中分析发射模块的ID号、压力数据及其他数据信息，如果ID号和接收机中存储的ID信息相匹配，则处理压力和温度数据，并将数据通过CAN总线送到汽车中央控制器后显示在仪表盘上［5］。

3.5 显示终端装置

TPMS信号显示装置主要有以下几种：组合仪表LCD屏、内后视镜、独立显示屏。

TPMS信号在某车型组合仪表LCD屏上显示如表1所示。

表1 胎压显示方式

3.6 TPMS信号可靠性要求

TPMS是一个测量轮胎压力、温度等涉及安全信息的无线收发系统，其信号可靠性是设计中始终要考虑的问题。该信号可靠性包括两个方面：数据接收率和误码率。所谓数据接收率是指接收模块能否可靠地收到发射模块发射的每一帧数据。这不仅涉及接收模块的灵敏度和发射模块的发射功率，还有一个重要的原因就是当发射模块装入轮胎而接收模块放入车内时，车体本身相当于一个屏蔽盒，对信号的衰减相当大，再加上多个发射模块的数据冲突及周围环境的干扰等，导致系统的数据接收率较低。而误码率是指发射模块发射的信号在传输途中因为外界环境干扰致使接收模块收到错误的数据信息，导致系统可靠性降低。

在TPMS设计中，采用高增益的发射天线及匹配电路使发射功率达到理想的设计要求，特别在接收端除了匹配电路设计外，一方面根据对汽车上无线电传输路径的研究，采用底盘安装天线的接收模式；另一方面根据多发射机发射信号的随机性和冲突性，采用时差间隙发送数据的方式进行发射，并在接收软件的设计中采用中断接收循环处理的接收模式，这样TPMS信号接收率可高达98%以上。另外在软件设计中对传输数据采用多种校验方式相结合的方法，使系统的误码率大为降低。

当然，频繁地发射数据可以增加接收机接收数据的概率，从而提高系统可靠性，但这样会大大降低电池的使用寿命。

4 TPMS技术应用

TPMS作为汽车非常重要的安全系统，主要检测轮胎的压力和温度。汽车轮胎的压力与温度是密切相关的，也是汽车驾乘人员的生命安全所系。

汽车轮胎气压低于标准值时，变形增大，受力发生变化，易使轮壁帘布层呈环状断裂，胎面磨损不均，胎肩的磨损急剧增大；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，最后导致爆胎。

轮胎气压高于标准值时，因轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，使轮胎胎面中部的磨损增加。室内试验证明：一般认为提高气压25%，轮胎寿命将会降低15% ～20%；降低气压25%，寿命大约降低30% （注意：一般轿车的轮胎正常气压值在210 kPa左右，多座位商务车 （7－9座）在240 kPa左右为宜）。

汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大 （一般温度不能超过80℃，当温度达到95℃时，轮胎的情况非常危险），每升高1℃，轮胎磨损就增加2%；行驶速度每增加一倍，轮胎行驶里程降低50%。因此，不允许超温超速行使。

5 结束语

TPMS对汽车行驶安全有着非常重要的意义，从目前市场反映来看，合资品牌汽车基本已经装配TPMS，但自主品牌大多还没有将此项新技术作为汽车安全系统的标准配置，这项新技术在我国完全推广还需要一段时间。但从长远来看，应用前景十分看好。随着我国汽车保有量持续增加，与汽车轮胎相关的交通事故也呈现增长趋势，国家会相继出台有关出厂汽车强制性安装TPMS等相关规定。今后几年我国TPMS市场都将保持翻倍的速度快速增长。相信在不久的将来，消费者会更加注重汽车安全，我国的汽车相关法律法规将更加完善，TPMS的使用将更加普及。

【1】余立刚.保证安全行车的新技术——TPMS［J］.农业装备与车辆工程，2006（4）：52－53.

【2】吴义保，周海清.TPMS产品结构设计研究［J］.机械研究与应用，2007（2）：43－45.

【3】全国汽车标准化技术委员会.GB／T 26149-2010基于胎压监测模块的汽车轮胎气压监测系统［S］.北京：中国标准出版社，2011.

【4】江锐.LF低频唤醒技术在TPMS中的应用［J］.计算机与数字工程，2007，35（3）：155－157.

【5】柳猛，王大志.射频无线技术在TPMS中的应用［J］.电子技术，2007（7）：127－130.

The New Technology for Automobile Safety：TPMS

HE Zhijun，NIU Yongqiang，JIN Lei，YANG Xianqin
（Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu Anhui241009，China）

The concept，work principle and present development status of TPMS（tire pressuremonitoring system）were introduced，and its application was analyzed.

TPMS；Automobile；Tire；Safety

2014－03－10

何志军（1983—），男，本科，助理工程师，主要从事汽车电子电器零部件检验与测试工作。E-mail：hezhijun＠mychery.com。