一種符合國(guó)標(biāo)要求的乘用車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李寬　李雨龍

【摘? 要】作為汽車重要的組成部分，輪胎性能主要考量的因素是輪胎的氣壓，輪胎的氣壓會(huì)影響輪胎的使用性能并且降低其使用壽命，最終影響到行車安全。隨著市場(chǎng)和技術(shù)的發(fā)展，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)要求，所有M1類車輛必須裝備有符合國(guó)標(biāo)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文從國(guó)標(biāo)要求出發(fā)，介紹一種符合國(guó)標(biāo)要求的乘用車胎壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為主機(jī)廠提供參考。

【關(guān)鍵詞】胎壓；國(guó)標(biāo)；胎壓報(bào)警

中圖分類號(hào)：U463.341? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）08-0059-02

Design of a Tire Pressure Monitoring System for Passenger Vehicles Meeting

the Requirements of the National Standard

LI Kuan，LI Yu-long

（Development Department，F(xiàn)AW Bestune Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】As an important part of the automobile，the main factor to consider the tire performance is the tire pressure，which will affect the tire performance and reduce its service life，and ultimately affect the driving safety. With the development of market and technology，the tire pressure monitoring system has become a mandatory national standard requirement. All M1 vehicles must be equipped with a tire pressure monitoring system that conforms to the national standard. This paper introduces the design of a passenger vehicle tire pressure system that meets the requirements of the national standard and provides a reference for the OEMs.

【Key words】tire pressure；national standard；tire pressure alarm

輪胎作為汽車重要的部件之一，不僅關(guān)系到汽車的操控性能，更關(guān)乎駕乘人員的生命安全。輪胎故障是交通事故發(fā)生的重要原因之一，特別是在高速、高溫和重載的情況下，輪胎的胎壓穩(wěn)定性對(duì)于車輛安全至關(guān)重要。

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的車輛配置了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)避免行車胎壓?jiǎn)栴}。相應(yīng)的胎壓國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也從推薦性標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)閺?qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

各整車廠也隨之開(kāi)發(fā)和配置符合國(guó)標(biāo)要求的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)滿足用戶需求，提高行車安全性。

1? 國(guó)標(biāo)要求分析

汽車胎壓系統(tǒng)需要遵循國(guó)標(biāo)GB 26149《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》。歷史沿革有2010和2017兩種版本，最新應(yīng)該遵循GB 26149—2017版本要求：自2019年1月1日起，中國(guó)市場(chǎng)所有新認(rèn)證乘用車必須安裝胎壓監(jiān)測(cè)；自2020年1月1日起，所有在產(chǎn)乘用車開(kāi)始實(shí)施強(qiáng)制安裝。

對(duì)比2010和2017兩種版本，由原來(lái)的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)閺?qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；適用范圍由原來(lái)的M和N類車輛變?yōu)檫m用于M1類車輛；由于是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，2017版本只規(guī)定了與安全相關(guān)的欠壓報(bào)警、故障報(bào)警和開(kāi)機(jī)檢查信號(hào)裝置等核心功能要求和試驗(yàn)方法；并增加了輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分類。

2? 胎壓系統(tǒng)介紹

輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring Systems）TPMS是安裝在車輛上能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓參數(shù)，并以視覺(jué)信號(hào)（也可包括聽(tīng)覺(jué)信號(hào)）進(jìn)行顯示和報(bào)警，以提高汽車行駛安全性，并減少因氣壓不足或過(guò)高造成輪胎加速磨損和車輛能耗增加的輔助系統(tǒng)。

2.1? Ⅰ類輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一般認(rèn)為Ⅰ類輪胎氣壓檢測(cè)系統(tǒng)為直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。直接式胎壓監(jiān)測(cè)主要由胎壓傳感器、報(bào)警控制器和報(bào)警顯示單元構(gòu)成，是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，使用無(wú)線發(fā)射原理將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到控制器模塊上，然后對(duì)各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析，并對(duì)異常進(jìn)行報(bào)警。

直接式胎壓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、直觀準(zhǔn)確，可以直接顯示胎壓具體數(shù)值，缺點(diǎn)是成本較高。

2.2? Ⅱ類輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一般認(rèn)為Ⅱ類輪胎氣壓檢測(cè)系統(tǒng)為間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)ABS/ESC系統(tǒng)的輪速傳感器信號(hào)和側(cè)向加速傳感器信號(hào)來(lái)比較和分析輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別。當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的質(zhì)量會(huì)使輪胎直徑變小，通過(guò)這種變化來(lái)觸發(fā)欠壓報(bào)警。

間接式胎壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但是缺點(diǎn)也很明顯，無(wú)法確定故障輪胎位置，反應(yīng)慢，報(bào)警不及時(shí)；系統(tǒng)標(biāo)定復(fù)雜，在某些特殊地形時(shí)，容易出現(xiàn)誤報(bào)；在一些特定情況下，系統(tǒng)還會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常工作的情況，例如，當(dāng)同一軸的2個(gè)輪胎的氣壓同步較低時(shí)，就不會(huì)報(bào)警。

由于Ⅰ類輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)快速，性能更優(yōu)秀，本文以I類為例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。

3? 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1）開(kāi)機(jī)自檢功能主要是檢查報(bào)警信號(hào)顯示裝置的可用性。當(dāng)車輛點(diǎn)火開(kāi)關(guān)ON（RUN）狀態(tài)時(shí)，需要點(diǎn)亮報(bào)警燈以檢查報(bào)警燈是否工作正常；檢查完畢后，報(bào)警燈應(yīng)該熄滅。

2）欠壓（under inflation）是指輪胎氣壓小于或等于車輛推薦輪胎氣壓（Prec）的75%。I類TPMS系統(tǒng)需要在欠壓發(fā)生的10s內(nèi)發(fā)出光學(xué)報(bào)警信號(hào)，并指示出欠壓輪胎的具體位置。

3）TPMS系統(tǒng)需要具備基本的故障檢測(cè)功能，并在發(fā)生故障的10min內(nèi)點(diǎn)亮故障報(bào)警信號(hào)。故障包含胎壓傳感器電池?zé)o電或電量低，車輛安裝了與TPMS系統(tǒng)不兼容的輪胎，胎壓傳感器信號(hào)丟失，接收到的壓力值錯(cuò)誤等。

4? 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

I類輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由胎壓監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警控制器和報(bào)警顯示單元構(gòu)成。

4.1? 胎壓傳感器

胎壓傳感器安裝在汽車輪胎上，能夠準(zhǔn)確測(cè)量輪胎內(nèi)部的壓力，傳感器通過(guò)無(wú)線形式按照一定的規(guī)律向報(bào)警控制器發(fā)送預(yù)處理的報(bào)警信息和輪胎的壓力值。如圖1所示。

胎壓傳感器需具備如下能力。

胎壓傳感器隨時(shí)監(jiān)控輪胎氣壓狀況，并對(duì)所監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可識(shí)別胎壓是否處于欠壓狀態(tài)。

胎壓傳感器內(nèi)部應(yīng)該有加速度傳感器，可識(shí)別輪胎旋轉(zhuǎn)加速度，能夠識(shí)別出車輛處于運(yùn)行狀態(tài)還是低速或停止?fàn)顟B(tài)。

胎壓傳感器具備無(wú)線發(fā)射模塊，能夠以433Hz頻率發(fā)送胎壓信息，為節(jié)省胎壓傳感器電池能源，無(wú)線發(fā)射模塊設(shè)計(jì)了報(bào)警模式、正常模式、紅燈模式和休眠模式。

1）報(bào)警模式：當(dāng)胎壓傳感器監(jiān)測(cè)到輪胎欠壓，進(jìn)入報(bào)警模式，以1s為周期發(fā)送報(bào)警信息，持續(xù)1min。在1min后，恢復(fù)到正常模式。當(dāng)輪胎胎壓變化較大（通常取胎壓變化大于30kPa），為更新胎壓值，也需要進(jìn)入報(bào)警模式。

2）正常模式：加速度傳感器識(shí)別到車輛正常高速行駛，且監(jiān)控的輪胎氣壓非欠壓狀態(tài)，胎壓信息以180s的周期發(fā)送。

3）紅燈模式：加速度傳感器識(shí)別到車輛低速行駛或停止，且監(jiān)控的輪胎氣壓非欠壓狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)入紅燈模式，胎壓信息以180s的周期發(fā)送，保持10min后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4）休眠模式：休眠模式下，無(wú)線發(fā)射模塊不工作，降低電能消耗。當(dāng)收到低頻觸發(fā)命令時(shí)，比如車輛在產(chǎn)線使用觸發(fā)工具觸發(fā)和匹配的情況下，才會(huì)立即發(fā)送1包數(shù)據(jù)。

4.2? 報(bào)警控制器

為降低成本在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中報(bào)警控制器功能通常由車身控制單元（BCM）完成。通過(guò)無(wú)線方式接收胎壓和胎壓報(bào)警信息，并對(duì)信息進(jìn)行判斷處理，并通過(guò)總線發(fā)送報(bào)警和胎壓信息給報(bào)警顯示單元顯示。報(bào)警控制器需要具備如下能力。

1）報(bào)警信息處理：由于車輛高速行駛且道路坑洼情況不同，胎壓傳感器有誤進(jìn)入報(bào)警模式的情況。為避免誤報(bào)警，報(bào)警控制器需要對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理。通常原則為連續(xù)5幀的胎壓值持續(xù)小于等于標(biāo)準(zhǔn)輪胎氣壓值的75%+7kPa，則判定欠壓報(bào)警。如果再次收到該輪胎有3幀胎壓值大于標(biāo)準(zhǔn)輪胎氣壓值的75%+7kPa，則停止報(bào)警。

2）系統(tǒng)故障判斷：當(dāng)報(bào)警控制器接收到的壓力值錯(cuò)誤；車輛運(yùn)行狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間傳感器信號(hào)丟失；收到任一傳感器電池電量低；任一傳感器未學(xué)習(xí)等問(wèn)題時(shí)，報(bào)警控制器需要發(fā)出系統(tǒng)故障信息給報(bào)警顯示單元進(jìn)行故障顯示。

3）胎壓記憶功能：為節(jié)省胎壓傳感器電池電能，胎壓傳感器會(huì)進(jìn)入休眠模式，不會(huì)發(fā)送胎壓信息，此時(shí)需要使用報(bào)警控制器記錄的胎壓值進(jìn)行顯示。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，接到胎壓信息后，需記錄并更新當(dāng)前每個(gè)輪胎的氣壓值。當(dāng)未接到胎壓信息更新時(shí)，調(diào)用最后一次記錄的輪胎數(shù)據(jù)作為缺省值顯示。

4.3? 報(bào)警顯示單元

報(bào)警顯示單元通過(guò)總線接收?qǐng)?bào)警控制單元的信息，負(fù)責(zé)對(duì)胎壓值和報(bào)警信息的顯示。通常顯示功能集成在汽車儀表里。對(duì)于I類TPMS系統(tǒng)，不僅需要顯示報(bào)警信息，而且還需要顯示報(bào)警輪胎具體位置。顯示方式如圖2、圖3所示。

5? 減少電能消耗設(shè)計(jì)

胎壓傳感器設(shè)計(jì)壽命一般要求為≥8年或10萬(wàn)公里，以車輛每天行駛4h，每月行駛30天計(jì)算。

以英飛凌SP40+胎壓傳感器芯片為例，其射頻發(fā)射電流=7mA，靜態(tài)電流=0.7μA，可見(jiàn)傳感器主要能源消耗在發(fā)射過(guò)程。

為減少發(fā)射電能消耗，一般無(wú)線發(fā)射采用FSK調(diào)制方式，9.6kb/s，每包6幀，正常工作情況下180s發(fā)射一次。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種符合國(guó)標(biāo)要求的乘用車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要講解了從推薦性國(guó)標(biāo)到強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)的變化內(nèi)容。設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)最低要求的胎壓系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了由胎壓傳感器、報(bào)警控制器、報(bào)警顯示單元構(gòu)成的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)如何提高胎壓傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行了討論。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 26149—2010，乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法[S].

[2] GB 26149—2017，乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法[S].

（編輯? 楊? 景）

作者簡(jiǎn)介

李寬（1985—），男，工程師，研究方向?yàn)槠囯姎忸I(lǐng)域，完成多款車型的T-BOX、BCM設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、項(xiàng)目管理工作。