汽车胎压传感器的结构设计

汽车胎压传感器的结构设计

曾小山

深圳市卡美特电子技术有限公司广东深圳518108

摘要：当汽车轮胎压力出现问题时，不仅会减少轮胎的使用寿命和增大油耗，甚至会导致爆胎等危险情况的发生。本文对汽车轮胎压力监测系统的种类及关键问题进行了阐述，并分析了轮胎压力监测系统今后的发展方向。

关键词：汽车胎压；传感器；发展趋势

轮胎是汽车的重要安全部件。在汽车行驶过程中，若轮胎处于大负荷、长时间、高气压运行中的任何一种情况，都可能引起爆胎或轮胎漏气，严重时会引起交通事故，造成人员伤亡和财产损失。TPMS即轮胎压力监视系统，主要用于对汽车胎压进行实时自动监测，并在监测到轮胎状况异常时进行报警、甚至预警，以保障驾乘者的行车安全。在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。

一、胎压监测系统的种类

轮胎压力监测系统，简称TPMS。在汽车行驶时，TPMS对轮胎气压和温度进行监测，对轮胎压力异常等危险状态进行预警，保障行车安全。TPMS能对气压异常等状态及时报警，提示驾驶员及时处理，有效的排除安全隐患；并对提高汽车经济性也具有较大贡献。

1、间接式TPMS。间接式TPMS是最早的轮胎压力监测系统，它与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用。通过轮速传感器来比较车轮间的转速差别，以此来实现监测胎压的目的。当某一个轮胎的气压异常时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也会发生相应的变化，监测系统将测得车轮转速同预先储存的标准值比较，就可得知轮胎气压太高或不足，从而报警，但只能在车速为20km/h到110km/h时进行测量。该方法利用已有的条件，不需安装额外的传感器等，成本低，安装方便。装备ABS的汽车只需对软件升级就可测定轮胎压力。

2、直接式TPMS。直接式TPMS（Pressure-SensorBasedTPMS，简称PSBTPMS）是利用安装在四个车轮轮胎里的压力传感器来直接对轮胎的气压进行测量，再通过无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统。当轮胎气压过低、过高、有渗漏或轮胎内温度不正常时，系统都会自动报警。所以直接式TPMS监测精度更高，不论车辆处于行驶状态还是停止状态都可进行监测报警，系统出现误报的可能性也极低。但这种类型的监测系统也存在一些缺陷，比如成本较高，每个轮胎都必须安装一个监测模块，而且在轮胎内安装胎压监测模块势必会打破轮胎原有的动平衡。

3、混合式TPMS。混合式TPMS的出现主要是兼顾了胎压监测系统的成本及检测精度要求，它是在常规的间接式TPMS中安装了两个额外的轮胎压力传感器和一个射频接收器。两个胎压传感器要安装在车轮上，呈对角线分布。由于系统安装了压力传感器，混合TPMS能克服常规间接式TPMS的局限性，它们能检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎，当所有４个轮胎都处于低压状态时，系统也可检测到故障。但和间接式TPMS相似，当在一个对角线上的两个不带压力传感器的轮胎都处于低压状态时，系统只能检测到一个轮胎充气不足。

二、轮胎压力监测系统关键技术

1、系统的功能要求及其性能指标。TPMS经过多年的发展，多个国家都提出了自己的汽车轮胎压力监测系统标准。我国于2010年推出了GB/T26149-2010《基于胎压监测模块的汽车轮胎气压监测系统》推荐性国家标准。纵观这些法规可总结出一些对该系统实现的功能和性能指标主要有：①压力异常报警时间短，TPMS应在较短的时间内发出欠压报警信号。②静止时能欠压报警，在实际使用中，车辆经过一夜（或一段长时间）旳停放，轮胎可能已处于严重欠压或无气状态，就应在车辆未移动前报警。③欠压或漏气轮胎指示功能，是指明欠压或漏气轮胎的位置。④快速漏气报警，监测到轮胎气压以较大速率低时并非爆胎，应在1min内报警，并指明漏气轮胎位置。⑤系统应能显示当前各轮胎气压值。⑥汽车高速行驶时保证射频信号接收的灵敏度，抑制噪声。⑦胎压监测模块的使用寿命。至少使用7年或行驶10万公里的要求。

2、系统的关键问题。①TPMS的功耗。当模块装车使用后，更换电池不方便。系统要求电池的寿命要长，采用低功耗器件，采用有效地功耗管理。②TPMS旳抗干扰能力。干扰由干扰信号和噪声造成，系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要指标。轴距长短和轮胎种类的不同会造成不同程度的射频信号衰减，有些车子车身屏蔽很好，使信号的衰减很大。这些都会对信号产生干扰。③射频电路的设计。因无线信道条件的恶劣，所以要保证稳定的相干载波信号。④轮胎的定位。轮胎定位是指系统接受轮胎发射模块发出的信号进行识别，并判定是哪个轮胎发出的信号。安全可靠的轮胎定位技术是汽车轮胎压力检测系统研究成功的基础。⑤系统成本。直接式TPMS系统需采用性价比高的电子产品以降低系统成本。

三、胎压传感器研究现状

TPMS传感器模块技术发展趋势是将发射模块向着集成化、简单化、无源（电源）化方向发展，目前业界的研究也主要集中在这些方面。随着TPMS产品市场对集成电路模块高度整合的要求，目前已经有了如InfineonSP3X系列、GENPX那样的将压力、温度、转速传感器与模块控制单元集成在一起的模块。并且这类科技企业已研发出包含将RF发射芯片集成的模块，以及应用运动产生的动能实现自我供电的新的模块，如果胎压传感器发展到只要一个模块外加天线即可使用，将使制造企业对产品的外形、重量、位置等设计更加简易。

四、胎压监测技术的发展趋势

汽车胎压监测系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个永恒的主题。随着各大公司对胎压监测技术研究的深入及传感器技术、电子控制技术的升级，胎压监测技术的发展呈现出以下几种趋势：

1、集成化。随着电子技术和制造工艺的发展，未来胎压监测系统将更加轻便、集成化。这种集成化趋势主要体现在胎压监测模块的集成化，通过将压力、温度、加速度传感器、8位微处理器和RF射频发射电路都做在一个芯片中，减轻模块总质量，从而不破坏轮胎的动平衡。而监测系统的信号接收模块、报警模块与整车ECU的有效集成也是未来企业推广胎压监测系统的重要手段。

2、无源化。目前直接式TPMS基本都是采用有源工作方式，即采用电池供电。受电池容量影响，TPMS需定时更换电池，这给设备使用带来了一定的麻烦。若能采用新的能量供给方式，减少更换电池次数或不更换电池，会给使用者带来方便。压电效应、无线电磁波能量收集等技术可给TPMS的无源化提供参考。

3、精确化。不管是间接式还是直接式TPMS，提高胎压监测的精度，是决定未来市场份额的重要途径。对间接式TPMS，提高报警精度的方法倾向于系统算法的改进。另外，对直接式TPMS，提高胎压传感器检测精度和无线通讯的抗干扰能力是报警精确化的有效途径。MEMS传感器的广泛使用及性能的提升使传感器性能大幅提升，目前传感器市场竞争尤为激烈。而为了保证无线通讯数据传输的稳定性和可靠性，必须采取措施来克服信号之间的干扰，可通过设计发射或接收效率高的天线，在接收部分增加信号的滤波，增强发射功率等方法来实现。

4、智能化。随着物联网、汽车主动安全等相关技术的发展，汽车智能化是目前汽车发展的热门领域，TPMS也必然向着智能化发展。比如，能在监测的同时自动校正轮胎工作状态，数据信息远程传输，与移动终端互联等。

5、整合化。与整车ECU、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、智能运输系统（ITS）等技术的不断整合，通过软硬件接口的融合连接，将大大推广胎压监测系统在汽车领域的应用。

五、结语

近年来，汽车胎压检测系统在汽车产业获得相当程度的重视与讨论，主要是因汽车在进行移动时，胎压检测系统能在第一时间针对汽车轮胎的气压进行自动检测动作，或当汽车轮胎的胎压不足及出现漏气现象时，能提供驾驶者即时信息，以确保驾驶安全。

参考文献：

[1]潘峰.直接式汽车胎压监测系统设计[J].阜新：辽宁工程技术大学，2014.

[2]邵毅明.汽车轮胎压力监测技术的发展[J].公路与汽运，2015.

[3]姚丽娜.胎压监测系统研究与应用[J].微处理机，2014.