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汽车安全新技术TPMS

文档作者：何志军牛永强晋蕾杨贤琴文档来源：奇瑞汽车股份有限公司试验和整车技术工程院		点击数：	更新时间： 2021年05月09日
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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)
摘要: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。
关键词:PMs;汽车;轮胎;安全
 The New Technology for Automobile Safety: TPMS
 HE Zhijun, NIU Yongqiang, JIN Lei, YANG Xianqin
(Chery Automobile Co.,d., Wuhu Anhui241009, China)
 Abstract: The concept, work principle and present development status of TPMS tire pressure monitoring system) were introduced, and
 its application was analyzed.
 Keywords: TPMS: Automobile: Tire; Safety
据统计,目前在中国高速公路上,由爆胎引起的交通事故机开关显示模块组成;结构上包括机壳、设在
0引言
面板的功能
关和显示屏。
已占事故总数的70%,在美国这一比例更高达80%。SAE(美
汽车轮胎压力监视系统,主要用于在汽车行驶时,适时对
国汽车工程师协会)的调查统计表明:美国每年有26万起交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
通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的,而75%的胎故障是防爆胎进行预警,确保行车安全同时,保障轮胎气压处于正
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常范围还有利于减少油耗及轮胎磨损等问题。因此,TPMS对
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
测设备,以求减少轮胎事故的发生。车胎中安装上胎压监测意义。
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2TPMS技术的现状和演变
压力器监测系统,即PMS(Tire Pressure Monitoring System),它
目前,tPMS主要分为两种类型:一种是Wl-spee
也可以简称为胎压监测传感器(Tire Pressure Monitoring Sens
 Based TPMS( WSB TPMS,间接式TPMs),这种系统是通过汽
目前福特公司的林肯大陆、戴姆勒一克莱斯勒公司的道奇车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以达到
迷你厢型车,以及 Chrysler3300M等系统车型,都装有tpMS
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
而对于国内的许多汽车制造商来说,在未来很短时间内将胎同时缺气的状况和速度超过100km/h的情况进行判断;另
TPMS装在自己的车型上已是大势所趋。
一种是Pressure-Sensor- Based TPMS( PSB TPMS,直接式
经统计,欠气状态行车,每100km汽车多耗油260mL,TPMS),这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来
欠压行驶时轮胎的磨损也很大,轮胎寿命将减少1%20%;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
如果轮胎气压过高,抓地力就会下降,同样轮胎的磨损也严胎气压太低或有渗漏时,系统会自动报警 PSB TPMS从功能
重,油耗也会随之上升;而如果轮胎内温度过高将会有爆胎和性能上均优于 WSB TPMS PSB TPMS可分为带电池tpM
的潜在威胁。
和无电池TPMS。
TPMS系统集轮胎压力、温度检测功能于一体,可以实时
 WSB TPMSPSB没有 TPMS准确率高且系统校准复杂,在
监测汽车轮胎内的气压和温度,对轮胎的漏气、低气压高气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
压和高温度进行预警以保障行车安全。
时缺气的状况和速度超过100km/的情况进行判断,所以不
1TPMs概念
能成为技术发展的主流。带电池TM的技术日成熟,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
检测模块(每只轮胎一个)各种车辆上均安装这种TMS。带电池TPMS传感器/发射器
和接收显示模块(一个)组成,不同类型的轮胎压力监测系统要电池提供动力,因此不可避免地带来一些弊端:如电池的寿
具体组成不同。发射检测模块电路由温度压力传感器、MCU命有限,当气温严重降低时,电池的容量会受到影响而减少,
(单片机)和发射机组成;结构由一个用于保护电路的外壳,不够稳定。此外,电池的化学物质也会导致环境问题,同时由
和将外壳固定在轮胎的轮辆上的装置组成。接收器电路由电源于电池的存在很难降低发射器的质量。
收稿日期:2014-03-10
作者简介: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 hezhijunr mychery.c
研究与开发
 Automobile Parts 2014.07
无电池M用一个中央收发器代替一般直接式PMS中3.2发射模块工作模式
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,
发射模块见图3。发射模块需要做到低功耗,这样可以延
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
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
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行驶模式。当测量
块处于行驶模式时,还会根据轮胎内部压
需要电池,解决了上述因电池所带来的问题。
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
如果说TPMS的使用是汽车电子技术发展的一次革新的话,步减少功耗
那PMS的无源化就是TPMS自身完善的一个重要变化。
3TPM工作原理
R发射
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
发射端中央处理
成数据采集、分析、处理和发射功能,在正常情况下,发射模
压力温度检测
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、
图3发射模块图
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
以某车型TPMS方案来说明这两种模式:
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
(1)驻车模式
轮胎漏气和低气压进行报警,以保障行车安全,是驾车者、乘
①无故障时,正常数据20min发送一次数据帧;
车人的生命安全保障预警系统。TPMS工作示意图见图1。
②有故障时,立即发送报警数据帧多次,之后报警数据
36s发送一次数据帧,直到报警解除为止;
③每12s检测一次数据;
收
④低频接口打开。在发射模块开始运行20min后,可以用
0显示收
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
图 TPMS工作示意图
行驶模式下,接收模块只接收来自TPMS系统的射频信号。
3.1TPMS系统框架
如果长时间(默认为10min)没有收到任何一个或者多个
PMs系统框架如图2所示,TPMS系统包括发射模块和接轮胎压力传感器的射频数据,发出传感器失效错误报警
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
①无故障时,正常数据5min发送一次数据帧;
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
②有故障时,立即发送报警数据帧,之后报警数据12s发
同轴电缆将数据传输给安装在仪表板下面的接收器,接收器送一次数据帧,直到报警解除为止
责解调、分析数据,然后由显示器显示出每个轮胎压力和温
③传感器每4s检测一次数据;
度,如轮胎发生异常时系统会向驾驶员及时发出警报2。
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。
发射机
3.3接收模块
 FBCM] Anothernodd
接收模块外接12V车载电源,接收天线负责接收无线信
动
口排气系统
号,RF接收板将无线高频信号解码后送给中央处理器,中央
驾驶员座椅
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
样接收
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
初始化仪器
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
图2TPMS系统架构
个发射模块。接收模块见图4。
 2014.07 Automoble Parts
061
一研究与开发
表1胎压显示方式
RF接收板
模式
显示
备注
L低频天线低
正常模式
无显示
FR低频天线
接收端中央处理器
22
指示符号常亮+
BL低频天线
LIN收发模块
轮胎压力低
对应轮胎内轮廓闪烁+
BR低频天线
声音报警+胎压与胎压温度
t
调试端口N接口12电源接口
指示符号闪烁+
汽车仪表显示汽车中央控制器
对应轮胎内轮廓闪烁+
轮胎快速漏气
声音报警+
图4接收模块图
 P RERRFA
与
胎
压温度
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
胎压系统故障
指示符号常亮
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
上
字信号,加上该模块的识别ID编码(即用于区分模块的身份
实时查询胎压
编码),最后编码信号经过调制、功率放大后通过天线发射出
和胎压温度
去。
压力温
放大及AD数据码及功率
3.6TPMS信号可靠性要求
度测量变换器码编码电路调制器放大器
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
LF唤醒电路
天线传输
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
数据汽车中央LIN总线C高频低噪放大器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
显示控制器传输c解调器数字滤波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
图5信号传输流程图
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
接收天线收到无线信号后,经过低噪放大和滤波,再将接收率较低。而误码率是指发射模块发射的信号在传输途中因
数字信号解调出来,接收模块的MCU从数据包中分析发射
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
模块的ID号、压力数据及其他数据信息,如果ID号和接收
可靠性降低。
机中存储的ID信息相匹配,则处理压力和温度数据,并将
在TPMS设计中,采用高增益的发射天线及匹配电路使发
数据通过CAN总线送到汽车中央控制器后显示在仪表盘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
,采用底盘安
上。
外,一方面根据对汽车上无线电传输路径的研究,的
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
3.5显示终端装置
软件的设计中采用中断接收循环处理的接收模式,这样TPMS
tPM信号显示装置主要有以下几种:组合仪表LD屏、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
内后视镜、独立显示屏。
用多种校验方式相结合的方法,使系统的误码率大为降低。
TPMS信号在某车型组合仪表LCD屏上显示如表1所
当然,频繁地发射数据可以增加接收机接收数据的概率,
示。
从而提高系统可靠性,但这样会大大降低电池的使用寿命
(下转第69页)
研究与开发
 Automobile Parts 2014.07
062
路、胶泵以及桶必须是不锈钢,以免长期使用过程中被乳液腐需要对阻碍件进行位置调整或者结构优化;对于总装需要的螺
蚀。循环方式采用主管循环,盲端结构。
栓、孔洞等,需要进行合理避让或者遮蔽,这就需要设计一个工
位的人工粘贴工位。对喷涂形状提出要求,例如,喷涂宽度最好
2.3对采购周期和存储环境的要求
固定是一个宽度的倍数,这样避免调整喷幅,节约喷涂时间。
喷涂型阻尼胶以水作为溶剂,不同于溶剂型涂料,会有一
由于需要对车身进行视觉定位,视觉定位的原理是视觉系
些特殊因素需要加以控制。实验表明:LASD材料在℃左右统利用4个已标定的摄像头从4个角度采集车体4个部位的图
低温存放超过2天,涂层的柔韧性、耐冲击性、耐盐水性以及像,并从这些图像中搜索车体上的固有特征标记点(理想的标
损耗因子等重要指标均已不合格。因此对存储环境要求为
在
记点是孔,但是角、边沿等其他特征标记也可以利用)的二维
5~30℃的条件下储存与运输,防止冰冻及直接日晒,密封包图像坐标;同时根据各个摄像头之间的方位关系以及标记点在
的气
装中的空气应足够潮湿以防止材料表面干燥,不能储存于易腐车体坐标系下的坐标,在数学上确定一个最佳的车体方位,并
蚀的容器中,冬季要注意加强库房的保温措施。建议至少提前计算出当前方位和理论方位之间的矫正量(,y,ZRx,
2-3天将材料运至泵房,使材料温度稳定至泵房的温度。
RR2);通过该矫正矢量,机器人就能够正确定位当前车体
要求施工环境通风良好,在此条件下可保证水分能够以较并调整其工作应用轨迹。对于在生产线上生产的不同的车型
快的速度蒸发出去,温度过高或过低都会影响涂层性能,如出都要求所有车型的4个特征标记点都在类似的位置,因此需要
现气泡、流挂、长时间不干等质量缺陷。推荐环境湿度小于在数模设计时考虑特征标记点的设计。
75%。
喷涂型阻尼胶以水为溶剂,涂料保质期短,一般为3个3结束语
月,比沥青阻尼胶保质期12个月要短很多,因此需要生产计
水性阻尼涂料作为一类环保功能材料,其良好的阻尼性
划的精准性高,在保质期内使用。
能、施工性能以及环境友好性,使得其应用范围日益扩大,前
景可观。鉴于其在地铁车辆上已经得到了广泛的应用,因此在
2.4对车身设计的要求
汽车行业新线体设计时也得到了特别的关注以及实施。对于我
喷涂型阻尼胶喷涂效果同时需要车身设计时进行同步考国汽车行业来说,该技术尚属于新技术之列,因此对其推广还
虑,要求在数模设计时考虑以下方面
需要广大汽车涂装设计、工艺以及产品设计人员的共同配合才
考虑机器人喷涂可达性。如果被零件所遮挡则无法喷涂,能实现。
(上接第62页)
TPMs对汽车行驶安全有着非常重要的意义,从目前市场
4TPMs技术应用
反映来看,合资品牌汽车基本已经装配TPMS,但自主品牌大多
tpm作为汽车非常重要的安全系统,主要检测轮胎的压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
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
乘人员的生命安全所系。
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
汽车轮胎气压低于标准值时,变形增大,受力发生变化,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
易使轮壁帘布层呈环状断裂,胎面磨损不均,胎肩的磨损急剧性安装TPM等相关规定今后几年我国TPM市场都将保持
增大;同时,各部件胶于帘布层,帘布层之间剪切力增大,生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
热加剧,使胶层与帘线的物理性能下降,轮胎使用寿命缩短。汽车安全,我国的汽车相关法律法规将更加完善,PMS的使用
若胎压长期低于正常气压的80%,在高速行驶时,轮胎会急剧将更加普及
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,参考文献
单位压力增高,使轮胎胎面中部的磨损增加。室内试验证明:【】余立刚保证安全行车的新技术农业装备与车辆
一般认为提高气压25%,轮胎寿命将会降低15%~20%;降
工程,2006(4):52-53.
低气压25%,寿命大约降低30%(注意:一般轿车的轮胎正常【2】吴义保,周海清TPMS产品结构设计研究[J]机械研究与应
气压值在210kPa左右,多座位商务车(7-9座)在240kPa
用2007(2):43-45
左右为宜)。
【3】全国汽车标准化技术委员会GB/T26149-2010基于胎压监测
汽车轮胎温度越高,轮胎的强度越低,变形越大(一般模块的汽车轮胎气压监测系统[S],北京:中国标准出版社,
度不能超过80℃,当温度达到95℃时,轮胎的情况非常危
2011
险),每升高1℃,轮胎磨损就增加2%;行驶速度每增加【4】江锐LF低频唤醒技术在TPM中的应用计算机与数字工
倍,轮胎行驶里程降低50%。因此,不允许超温超速行使。
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,
5结束语
2007(7):127-130.
 201407 Automobile Parts
069
研究与开发

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