胎压监测系统(TPMS)技术与设计考虑 高速公路, 传感器, 安全性, 美国, 汽车

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TPMS对于提高汽车安全性有举足轻重的影响，轮胎是汽车和路面唯一直接接触的部分。轮胎过于膨胀或处于充气不足状态都会影响汽车安全性。有很多车祸都因轮胎出现状况而导致的。美国高速公路安全协会（NHTSA）也因此立法强制实施TPMS。

各种TPMS 系统技术和市场状况

        目前TPMS主要有三种实现方式：直接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。

        现在的间接TPMS是与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。

        这个比率可用下列等式来表达(见公式1）。
        如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。但是，间接TPMS有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说，69kPa (~10 psi)的压降只会使直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则（Final Ruling）所规定的25%原则，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。

        直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。因此，直接TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接TPMS可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时，它们都会检测出这种状态，当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到7 kPa (~1.0 psi)的压降。

        为满足多轮压力检测要求，常规的间接TPMS需要在系统中安装两个额外的胎压传感器和一个射频接收器。胎压传感器要安装在车轮上，两个传感器呈对角安装。由于系统安装了直接气压传感器，混合TPMS能够克服常规直接TPMS的局限性，它们能够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，系统也可以检测到故障。但是，和间接系统相似，当两个呈对角的轮胎（不带直接气压传感器）都处于低压状态时，系统只能检测到一个轮胎充气不足。

        混合TPMS可以降低系统成本，但在系统可靠性和灵活性方面还不够理想。并且它不能全部定位欠压轮胎。

        随着技术的发展，直接TPMS系统已逐渐演变为3个主要系统类型，即主流型（低/中端）、带有自动定位功能的高端TPMS和结合ESP/ABS的TPMS系统。下表对各种系统类型进行概述：

        情景1：TPMS配ABS/ESP——间接系统

        许多OEM都从间接系统转向了直接系统，因为直接系统的总体成本降低了。间接系统有太多的技术局限性，并且要求非常严格的场地测试。由于间接系统在美国市场遭受了太多的索赔，所以通常仅限于欧洲使用。因此，其市场份额不足10%。

图1:间接TPMS的监测原理

        情景2：主流（低/中端）TPMS——直接系统

        受美国立法的推动，覆盖低/中端细分市场的主流TPMS的市场份额到2011年将超过50%。但是TPMS预计在欧洲、亚太地区和日本市场规模会很小，这是由于额外的系统成本和公众对TPMS认知不足造成的。另外，TPMS系统通常是作为高端车型的选件提供，增装的需求仍然很低，因为一般的车主对TPMS还不熟悉。

        主流系统的主要推动因素是价格。OEM需要一个能够满足美国高速公路安全协会（NHTSA）的各项要求，但不至导致低/中端车型的价格增加太多的TPMS的系统。主流系统的基本功能可以满足NHTSA的各项要求，但是目前的状况是每个OEM都有自己的TPMS系统，它并不是一个商品市场。

        情景3：高端TPMS（自动定位）——直接系统

        高端TPMS是指将轮胎的自动定位功能集成于直接TPMS系统。轮胎的自动定位功能是指识别和区别4个轮胎发送的信息。在这种情况下，比如，右前轮的气压，无需任何人为操作，即可被正确识别并显示出来。

        如今的系统主要是在翼板中安装低频发射器天线来进行定位。有四个低频发射器模块用电线连接中央接收器模块至翼板。中央接收器模块将信号发送至这些低频模块以触发特定的车轮模块，比如右前轮。在这种情况下，只有右前轮的车轮模块（而不是其余的车轮模块）会反馈信息。将来，两轴G传感器将被用于实现轮胎的自动定位功能。预计到2011年，高端TPMS系统的市场份额将达到30%。该系统也将成为未来TPMS/ESP集成的基础（见情景4的描述）。