汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀與展望
2009年4月28日
|
1 概述 汽車高速行駛中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防，也是突發(fā)愛mysvw,愛生活通事故發(fā)生重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)高速公路上，由爆胎引發(fā)交通事故占事故總數(shù)７０％。美國(guó)，這一比例更高達(dá)８０％[1]。爆胎造成經(jīng)濟(jì)損失巨大，怎樣防止爆胎已成為安全駕駛一個(gè)重要課題，研究表明，保持標(biāo)準(zhǔn)車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎關(guān)鍵。汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPMS（Tire Pressure Monitoring System）應(yīng)運(yùn)而生。2000年11月1日，美國(guó)總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國(guó)會(huì)修改聯(lián)邦運(yùn)輸法提案，要求2003年11月以后新車把輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置[2]。而最新中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)'機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件'（征求意見稿2003年11月24日）中安全防護(hù)裝置條款中有一條：'車長(zhǎng)大于6m長(zhǎng)途客車和旅游客車、最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于12000kg載貨汽車和載貨牽引車應(yīng)安裝輪胎壓力報(bào)警裝置'，'有關(guān)部分機(jī)動(dòng)車應(yīng)安裝輪胎壓力報(bào)警裝置要求，自本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起第25個(gè)月開始對(duì)新注冊(cè)車實(shí)施。'可見我國(guó)政府也開始重視汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用。 2 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及工作原理 目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是Wheel-Speed Based TPMS（間接式TPMS）。另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（直接式TPMS）。2001年7月，美國(guó)運(yùn)輸部和國(guó)家高速公路安全管理局聯(lián)合對(duì)現(xiàn)有兩種TPMS系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)報(bào)告認(rèn)為PSB TPMS從功能和性能上均優(yōu)于WSB TPMS，使研制直接式TPMS成為流行趨勢(shì)。 2.1 間接式TPMS 間接式TPMS是汽車ABS系統(tǒng)輪速傳感器來比較車輪之間轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓目。以上海通用別克轎車安裝輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TIMS）為例。該系統(tǒng)由以下幾個(gè)部件組成：①4個(gè)車輪轉(zhuǎn)速傳感器；②車身控制模塊(BCM)；③復(fù)位開關(guān)；④輪胎壓力過低〔LOWTIRE)報(bào)警燈；⑤數(shù)據(jù)診斷接頭(DLC)；⑥線束和連接器。 當(dāng)汽車行駛時(shí)，輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)接收4個(gè)車輪轉(zhuǎn)速傳感器車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，進(jìn)行綜合分析。當(dāng)某一個(gè)輪胎氣壓太高或不足時(shí)，輪胎直徑就會(huì)變大或變小，車輪轉(zhuǎn)速也相應(yīng)產(chǎn)生變化。監(jiān)視系統(tǒng)將車輪轉(zhuǎn)速變化情況同預(yù)先儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)值比較，就可出輪胎氣壓太高或不足，點(diǎn)亮LOW TIRE報(bào)警燈。該類型系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是無(wú)愛mysvw,愛生活胎同時(shí)缺氣狀況和速度超過100公里/小時(shí)情況進(jìn)行判斷。 2.2 直接式TPMS 直接式TPMS技術(shù)又分為主動(dòng)式(Active)和被動(dòng)式(Passive)兩種。主要區(qū)別是主動(dòng)式TPMS中輪胎模塊需要電池提供能量，而被動(dòng)式無(wú)須電池。 2.2.1主動(dòng)式TPMS 主動(dòng)式TPMS是利用安裝每一個(gè)輪胎里以鋰離子電池為電源壓力傳感器來直接測(cè)量輪胎氣壓，并無(wú)線調(diào)制發(fā)射到安裝駕駛臺(tái)監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓，駕駛者可以直觀了解各個(gè)輪胎氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。以加拿大Smartire輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例。系統(tǒng)主要由傳感發(fā)射器、接收器和顯示器組成。 主動(dòng)式技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，它是一成熟技術(shù)，開發(fā)出來模塊可適用于各廠牌輪胎，但主動(dòng)式TPMS傳感器/發(fā)射器需要電池提供動(dòng)力，不可避免帶來一些弊端，如電池壽命有限；當(dāng)氣溫嚴(yán)重降低時(shí)，電池容量就會(huì)受到影響而減少；這使它可靠性不夠穩(wěn)定。此外，電池化學(xué)物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問題，同時(shí)電池存很難降低發(fā)射器重量。 2.2.2被動(dòng)式TPMS 被動(dòng)式TPMS，也叫無(wú)電池TPMS，用一個(gè)中央收發(fā)器（central transceiver）代替了一般直接式TPMS中中央接收器。這個(gè)收發(fā)器要接收信號(hào)要發(fā)射信號(hào)，安裝輪胎中轉(zhuǎn)發(fā)器（transponder）（代替了發(fā)射器）接收來自中央收發(fā)器信號(hào)，同時(shí)使用這個(gè)信號(hào)能量來發(fā)射一個(gè)反饋信號(hào)到中央收發(fā)器上。這就使安裝輪胎內(nèi)部氣壓監(jiān)測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)不需要電池，解決了上述因電池所帶來問題。此技術(shù)不用電池供電，它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器(Transponder)整合至輪胎中，這牽涉到各輪胎制造商需建立共同標(biāo)準(zhǔn)才有可能。，無(wú)電池TPMS短期內(nèi)還難以流行。 3 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)研究現(xiàn)狀分析 迄今，國(guó)外已有許多車型裝配了TPMS，這些車型有：奧迪系列：A8、A6 Allroad、A8 Nachfolger (D3)、RS 6 Bentley Mid Size Bentley (MSB) ；寶馬系列：7系列、5系列、3系列、X 5、Series 7 (新)、Series 5（新)、X 3； 奔馳系列：E-Class AMG、CL、S-Class、SL-Roadster、E-Class、Maybach、S-Class (新)、SL-Class、SLR；法拉利系列： 575 Maranello、Enzo、F 137、Modena Maserati M 139 (Projektname)；保時(shí)捷系列：Cayenne、Boxster、911 Series Schmitz-Cargobull；大眾Pheaton、Touareg，雪鐵龍 C5，英國(guó)阿斯頓· 馬汀超級(jí)跑車 Vanquish，林肯大陸，旁蒂克旗艦Bonneville SE 等等。另外，2002年夏天上市克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車也裝設(shè) TPMS。國(guó)內(nèi)上海通用別克安裝了TPMS。 國(guó)外因立法較早其開發(fā)生產(chǎn)TPMS較為成熟，主要生產(chǎn)商有加拿大斯馬輪胎設(shè)備（Smar Tire Systems）公司，固特異輪胎橡膠公司，米其林集團(tuán)公司，諾基亞輪胎公司，日本橫濱公司等，F(xiàn)國(guó)內(nèi)有許多汽車配件商開始代理銷售國(guó)外TPMS系統(tǒng)。上海和重慶及廣東等有幾家公司開始投入生產(chǎn)并銷售TPMS。主要生產(chǎn)商有上海泰好電子科技有限公司，佛山市朗杰電子科技有限公司，深圳市瑞電通信電子有限公司等。最近，吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、江蘇大學(xué)等高校都有學(xué)者對(duì)TPMS相關(guān)技術(shù)進(jìn)行理論研究，但都還沒有研制出樣品出來。而國(guó)內(nèi)一些廠家生產(chǎn)TPMS基本是靠引進(jìn)國(guó)外公司輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)及生產(chǎn)線，核心技術(shù)都掌握國(guó)外廠家手中，基本沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)可言。，TPMS逐漸成為汽車標(biāo)準(zhǔn)配置，開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)TPMS意義重大。 汽車輪胎獨(dú)特工作環(huán)境條件，決定了胎壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力傳感器高要求：要求寬溫區(qū)、寬電源電壓范圍內(nèi)較高精度和可靠性；低功耗要求；惡劣環(huán)境無(wú)線信號(hào)傳輸穩(wěn)定性要求。輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心是輪胎模塊，即微控制器芯片和壓力溫度傳感器，兩者一般集成一起，國(guó)內(nèi)這一生產(chǎn)領(lǐng)域處于空白，主要由國(guó)外幾家大公司生產(chǎn)和供貨。這里只介紹市面上三種主流TPMS開發(fā)系統(tǒng)。 3.1 摩托羅拉MPXY80X0 series輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái) 1）MPXY80x0，稱為Daytona。這是一種表面微機(jī)械加工電容性微機(jī)電系統(tǒng)（micro electromechanical system MEMS）壓力傳感器。Daytona包括壓力變換器、正溫度系數(shù)擴(kuò)散電阻溫度傳感器及其他所有必需電路。使之能輸出校準(zhǔn)8位數(shù)字壓力和溫度數(shù)據(jù)。所有這些都一個(gè)芯片上。 2）MC68HC908RF2，也稱RF2。它包括兩個(gè)部分，第一個(gè)是2KB閃速 HC08 微控制單元（與MC68HC908RK2相同），第二部分是一個(gè)可以發(fā)射UHF頻段數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)RF發(fā)射器，其發(fā)射距離可達(dá)數(shù)百米（與MC33493相同，又稱Tango 3）。 3）MC33594稱Romeo2。接收 RF2發(fā)射信號(hào)接收器。Romeo2可以接收和解調(diào)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)并普通串行外設(shè)接口（SPI）輸出。 4）MC68HC908KX8，簡(jiǎn)稱KX8。作為接受器微控制器，也可以使用MC9S12DP256替代KX8。 摩托羅拉MPXY80X0 series 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)包括5個(gè)模塊：4個(gè)輪胎模塊和1個(gè)接收模塊。輪胎模塊包括Daytona、 RF2、電池、分立元件和印制天線。接收模塊有Romeo2、KX8、5個(gè)指示狀態(tài)LED、電池、電源接插件和RS-232串行接口。 3.2 通用GE NovasensorNPX開發(fā)系統(tǒng) NPX開發(fā)系統(tǒng)有兩種，一種是NPXⅠ，另一種是NPXⅡ。NPXⅡ比NPXⅠ多集成了一個(gè)加速度傳感器。其芯片外型如圖7所示。NPX開發(fā)系統(tǒng)特點(diǎn)是：所有傳感器都集成到一個(gè)芯片上；能夠準(zhǔn)確測(cè)量輪胎內(nèi)部溫度、氣壓和電池電壓，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償功能，使測(cè)量更準(zhǔn)確。NPXⅡ還可測(cè)量汽車加速度。此外還有LF喚醒，離心開關(guān)喚醒及加速喚醒（NPXⅡ）等功能。 3.3 Infineon（英飛凌科技）Sensor公司SP12[5]開發(fā)系統(tǒng) Infineon英飛凌科技TPMS開發(fā)系統(tǒng)中，Sensor是采用收購(gòu)挪威專業(yè)胎壓傳感器制造商SensoNor產(chǎn)品，它采用了基于MEMS技術(shù)硅壓阻式壓力傳感器作為胎壓監(jiān)測(cè)單元，英飛凌SP12和SP12T可以同時(shí)傳輸四組不同數(shù)據(jù)（溫度、壓力、加速度和供電），并配有一個(gè)能完成測(cè)量、信號(hào)補(bǔ)償與調(diào)整及SPI串行通信接口CMOS大規(guī)模集成電路。 英飛凌SP12和SP12T設(shè)有補(bǔ)償功能，可以對(duì)壓力,加速度,溫度,供電電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償,準(zhǔn)確提供不同型號(hào)輪胎不同環(huán)境時(shí)補(bǔ)償值，有效保證了測(cè)量可靠性。SP12傳感器采用了LF喚醒瞬態(tài)工作模式，并傳感器模塊中增加了加速度傳感器，利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感性，可以實(shí)現(xiàn)汽車啟動(dòng)自動(dòng)開機(jī)才進(jìn)入系統(tǒng)自檢，而檢測(cè)到加速度很小時(shí)(表示汽車沒有運(yùn)動(dòng))讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，大大降低系統(tǒng)功耗。LF方式還具有自動(dòng)愛mysvw,愛生活能。 TDK510XF系列是工作433-435MHZ(TDK5100F)和311-317MHZ(TDK5101F)頻帶內(nèi)單片F(xiàn)SK/ASK發(fā)射器，該器件含有一個(gè)集成PLL(鎖相環(huán))合成器，以及一個(gè)高效率功放以驅(qū)動(dòng)環(huán)形天線。RF信號(hào)接收可用TDA5210(FSK/ASK)接收器。 上述三種主流開發(fā)系統(tǒng)外，還有ATMEL輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)；飛利浦P2SC開發(fā)系統(tǒng)；SmarTire公司提供TPMS芯片組及相應(yīng)解決方案。 4 結(jié)論與展望 目前研究現(xiàn)狀分析，可以看出安裝TPMS車輛有如下主要特征： （1）能夠保持標(biāo)準(zhǔn)車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣，能夠防止爆胎，防止發(fā)生突發(fā)性、惡愛mysvw,愛生活通事故。 （2）輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)屬于'事前主動(dòng)'型安全保護(hù)，即輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)及時(shí)報(bào)警，采取措施，將事故消滅萌芽狀態(tài)，確保汽車行駛過程中始終處于安全狀態(tài)。 （3）延長(zhǎng)輪胎使用壽命-非標(biāo)準(zhǔn)氣壓行駛，將會(huì)使輪胎壽命縮短，實(shí)驗(yàn)表明，車輪氣壓比正常值下降10%。 （4）輪胎壽命將減少15%；減少油耗 輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值30%，油耗將上升10%。輪胎氣壓過高，抓力就會(huì)下降，油耗也會(huì)隨之上升。 （5）避免車輛部件磨損-汽車輪胎氣壓過高狀態(tài)下行駛，日積月累對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤及懸掛系統(tǒng)將造成很大傷害；輪胎氣壓不均勻，則會(huì)造成剎車跑偏，增加懸掛系統(tǒng)磨損。 目前，直接式TPMS正逐步取代間接式TPMS而成為輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主流，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，無(wú)電池TPMS以其無(wú)可比擬優(yōu)點(diǎn)將成為未來TPMS發(fā)展趨勢(shì)。 |
