汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)研究及胎壓補償策略應用

張肖棟，楊慧凱，關忠旭

（中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，吉林 長春 130013）

前言

目前，汽車已經(jīng)成為人們出行的主要交通工具。爆胎現(xiàn)象，是目前車輛使用過程中較大的安全殺手，是高速行車中傷亡率最高的交通事故情況之一。而爆胎導致的交通意外，80%的原因是輪胎的壓力不足[1]。輪胎壁是比較薄的，輪胎壓力過低，輪胎變形量增大，其與地面的接觸面積增加，胎面與地面的摩擦力也隨之增加。高速行駛，摩擦發(fā)熱嚴重，加劇胎面磨損，提高了爆胎的可能性。

根據(jù)國家統(tǒng)計局在2020年初發(fā)布的《中華人民共和國2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，民用轎車的保有量達到14 644萬輛[2]，每年消耗的燃油不計可數(shù)。而汽車保持胎壓正?？梢越档陀秃?，節(jié)約的燃油量是一個很可觀的數(shù)字，每年可以節(jié)約幾百萬噸的汽油[3]。既保護了環(huán)境，又節(jié)約了燃油費用。

因此，保證輪胎胎壓正常的操作，可以有效預防事故的發(fā)生，降低燃油的消耗，具備重大的影響力。

針對上述情況，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS-Tire Pressure Monitoring System）可以規(guī)避輪胎壓力不足的問題。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測汽車胎壓參數(shù)，當出現(xiàn)輪胎氣壓偏低的情況時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)視覺和聽覺的故障提示，及時提醒駕駛員，從而避免因輪胎壓力低導致爆胎及其他危害。

從2005年開始，歐洲、美國等發(fā)達國家和地區(qū)開始陸續(xù)以強制性標準推廣胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[4]。2015年，俄羅斯、伊朗、海灣地區(qū)等發(fā)展中國家也開始強制實施胎壓監(jiān)測系統(tǒng)法規(guī)。在2017年10月，中國出臺了GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》[5]的強制標準，規(guī)定了發(fā)動機中置且寬高比小于或等于0.9的乘用車，其新申請型式批準車型自2020年1月1日起開始實施， 其已獲得型式批準的車型自2021年1月1日起開始實施。對其他M1類車輛，其新申請型式批準車型自2019 年1月1日起開始實施， 其已獲得型式批準的車型自2020年1月1日起開始實施。

1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)介紹

1.1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)原理

輪胎氣壓是影響輪胎性能和汽車安全的重要參數(shù)，而胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，則成為汽車安全系統(tǒng)的必備功能之一[6]。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)是安裝在車輛上，以某種方式監(jiān)測輪胎氣壓情況，并在一個或者多個輪胎欠壓時進行報警的系統(tǒng)。通過設定輪胎胎壓的合理范圍，保證其與車輛輪胎參數(shù)保持一致，不同車輛匹配不同參數(shù)。當輪胎氣壓出現(xiàn)異常時，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出光學報警信號，提醒駕駛員注意，實現(xiàn)主動安全的功能，預防胎壓異常引起的交通安全事故。

1.2 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)分類

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，可以分為兩大類：直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[7]。

女人嫁過來那天，豪宅里熱鬧并且神圣。那是十八年以前，那一年她二十三歲。她的皮膚像緞子般光潔光滑，她的嘴唇像沾著露珠的草莓。她的美和清純，無懈可擊。可是后來，她知道，她高挑的身材，嬌嫩的肌膚，精致的五官，花苞般嬌艷的乳房，她所有的一切，全都是工廠流水線的作品。

直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)：采用無線射頻傳輸技術(shù)，通過固定在輪胎內(nèi)的高靈敏度胎壓傳感器，實時采集輪胎的壓力、溫度以及傳感器電池電量等信息，將上述數(shù)據(jù)發(fā)送給車端控制器（控制器作為接收端，負責胎壓信息的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)送），然后控制器通過CAN總線的方式，將輪胎壓力和溫度等數(shù)據(jù)傳輸給儀表，并在儀表中進行數(shù)字化顯示。該系統(tǒng)可以顯示每個車輪的胎壓信息，方便駕駛員了解各個車輪的胎壓情況。同時，直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)可以把輪胎壓力低、輪胎溫度高以及胎壓信號丟失等報警信息及時傳遞給駕駛員，保證行車安全[8-9]。

直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，測量精度高，響應速度快，實時處理能力強，可以顯示胎壓具體信息，出現(xiàn)誤報的概率低；但由于胎壓傳感器采用獨立的電池供電、耗電快，使用壽命偏低。

直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)適用于各個品牌的輪胎，可以實時顯示胎壓信息，是目前主機廠主流的技術(shù)。

圖1 直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)：通過獲取車輛四個車輪的轉(zhuǎn)速、車輛轉(zhuǎn)向角度等信息，憑借較長時間采集的大量數(shù)據(jù)作為支撐，根據(jù)控制器內(nèi)部集成的算法軟件，建立輪速信息與輪胎氣壓之間的關系，從而監(jiān)測輪胎氣壓，判斷輪胎是否處于故障狀態(tài)。該系統(tǒng)無法直接測量輪胎內(nèi)部壓力，不能顯示胎壓具體信息。同時，如果四個車輪同時氣壓不足，會存在無法報警的風險；該系統(tǒng)算法復雜，反應速度慢，需要車輛行駛一段距離后，才會計算和判斷故障，靈敏度低；其測試結(jié)果與輪胎結(jié)構(gòu)和狀態(tài)參數(shù)也相關，誤報概率高，報警功能有限[10-11]。間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)不需裝備胎壓傳感器，成本較低，目前在一些中低端車輛中使用較多。

圖2 間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

1.3 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)報警策略

GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》中對胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能和試驗進行了詳細的描述分類和具體要求：

（1）車輛行駛過程中，當接收端接收到任意一個輪胎的氣壓≤車輛推薦氣壓的75%時，應該立即設置低壓報警信號，同時儀表顯示相應報警警示燈。I類要求，10s內(nèi)點亮胎壓報警；II類要求，10 min內(nèi)點亮胎壓報警。

（2）車輛行駛過程中，當接收端接收到任意多個輪胎的氣壓≤車輛推薦氣壓的75%時，應該立即設置低壓報警信號，同時儀表顯示相應報警警示燈。I類要求，10s內(nèi)點亮胎壓報警；II類要求，15 min內(nèi)點亮胎壓報警。

（3）模擬胎壓監(jiān)測系統(tǒng)故障，故障發(fā)生10 min內(nèi)需要點亮胎壓故障燈。當故障燈點亮后，停車，將點火開關置為“OFF”狀態(tài)。5min后，將點火開關置為“ON”狀態(tài)，故障燈需要依然保持點亮。然后，將胎壓監(jiān)測系統(tǒng)恢復至正常工作狀態(tài)，胎壓故障燈應該熄滅。

2 胎壓補償策略

2.1 胎壓測量原理

胎壓傳感器內(nèi)部的壓力測量值，其是相對于一個固定的標準大氣壓值（101.3kpa）進行計算的。當輪胎的胎壓值P1為一個標準大氣壓時，傳感器發(fā)送的胎壓數(shù)值P2為0，其具體計算公式如下：

而輪胎內(nèi)部實際壓力與環(huán)境大氣壓力有關聯(lián)。因此，胎壓傳感器實際發(fā)送的胎壓需要相對于環(huán)境大氣壓，實際傳感器應發(fā)送的胎壓值P2-1計算公式如下：

圖3 胎壓測量原理

式中，P2為傳感器發(fā)射給接收端的壓力值，單位為kpa；傳感器應發(fā)送的實際胎壓值P2-1，單位為kpa；P1為輪胎內(nèi)部絕對壓力值，單位為kpa；P0為環(huán)境大氣壓力值，單位為kpa；P為一個標準大氣壓值：101.3kpa。

2.2 輪胎溫度對胎壓測量的影響

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)有一個現(xiàn)象，易引起用戶的抱怨：用戶在使用車輛過程中，剛開始儀表中顯示的胎壓值為160 kpa（低壓報警閾值為170 kpa），觸發(fā)了低壓報警，但行駛了一段時間之后，胎壓值會顯示為190 kpa，報警解除。當車輛靜止一段時間后，胎壓值降低為160 kpa，又觸發(fā)了低壓報警。出現(xiàn)上述現(xiàn)象，其主要的原因是，車輛行駛過程中，由于輪胎內(nèi)部溫度的升高，導致其胎壓也升高，輪胎的胎壓不是恒定不變的。低溫環(huán)境下，胎壓較低；高溫狀態(tài)下，胎壓較高。

根據(jù)熱力學公式，輪胎內(nèi)部氣壓為：

式中，P1為輪胎內(nèi)部絕對壓力值，單位為kpa；V為輪胎內(nèi)部氣體的體積；n為物質(zhì)的量；R為氣體常數(shù)；T為輪胎內(nèi)部氣體的溫度，單位為K。

在假設輪胎沒有漏氣，輪胎內(nèi)部氣體體積不變的情況下，輪胎絕對壓力P1會隨溫度T呈線性關系。

例如：車輛長時間行駛后，輪胎內(nèi)部氣體溫度T為55 ℃，此時輪胎內(nèi)部的氣壓值P1為300 kpa。車輛靜止一夜，第二天白天的外界環(huán)境溫度為11 ℃，其輪胎內(nèi)部的氣體溫度T與環(huán)境溫度一致，也為11 ℃，則11 ℃的當前狀態(tài)下，對應的輪胎內(nèi)部氣壓值P1為：

由以上可知：當輪胎內(nèi)部氣體溫度變化時，輪胎內(nèi)部的氣壓值變化也較大。

2.3 海拔高度對胎壓測量的影響

除了輪胎溫度導致胎壓的變化，海拔高度也對胎壓數(shù)值有一定的影響。根據(jù)公式（2），同一輪胎，溫度不變，未充放氣的情況下，低海拔區(qū)域時的胎壓傳感器發(fā)送的值，應該相較于高海拔區(qū)域時的胎壓傳感器發(fā)送的值偏低。

環(huán)境大氣壓會隨海拔的變化而變化，下表是大氣壓力和海拔對應的關系數(shù)據(jù)表。

表1 大氣壓力和海拔關系表

例如：海拔從0 m上升至2 000 m后，大氣壓力P0從101.3 kpa下降到79.5 kpa，上升到4 000 m時，大氣壓P0降低到61.6 kpa；

根據(jù)公式（2），當輪胎內(nèi)部絕對壓力值P1為360 kpa時，則實際傳感器應發(fā)送的胎壓值P2-1：

0 m海拔時：

2 000 m海拔時：

4 000 m海拔時：

基于溫度和海拔高度對輪胎壓力的客觀影響，我們可以使用補償?shù)姆绞浇鉀Q該問題。在進行報警策略的制定時，考慮這種補償方法，防止時有時無的報警，減少用戶使用車輛時的困擾。

其具體的補償計算公式如下：

式中，P2為傳感器發(fā)射給接收端的輪胎壓力值，單位為kpa；T2-tem為外界環(huán)境溫度，單位為K，其可以通過整車本身配備的環(huán)境溫度傳感器獲??；T2為傳感器發(fā)射給接收端的輪胎氣體溫度值，單位為K；P0為當前海拔高度的大氣壓力值，單位為kpa，其可以根據(jù)大氣壓力傳感器獲??；P2-tem-alt為溫度補償及海拔高度補償后的傳感器發(fā)射給接收端的壓力值，單位為kpa。

根據(jù)以上公式，接收端的控制器，可以進行胎壓數(shù)值的計算，將補償后的胎壓進行儀表的顯示以及報警的判斷，可規(guī)避時而報警時而不報警的問題，減少用戶抱怨。

3 結(jié)束語

汽車的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測車輛輪胎氣壓和溫度等參數(shù)，及時報警，提示駕駛員采取相應措施，降低事故發(fā)生的可能性，同時可減少因輪胎氣壓異常導致的輪胎異常磨損和降低車輛油耗，提升了車輛的安全性、經(jīng)濟性。針對輪胎氣壓受溫度和海拔高度的影響，采取的胎壓數(shù)據(jù)補償處理方法，可以減少用戶對胎壓數(shù)據(jù)和報警策略的困擾，提升用戶體驗。