張肖棟，楊慧凱，關(guān)忠旭

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130013）

前言

目前，汽車(chē)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(chē)輛使用過(guò)程中較大的安全殺手，是高速行車(chē)中傷亡率最高的交通事故情況之一。而爆胎導(dǎo)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(guò)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(yán)重，加劇胎面磨損，提高了爆胎的可能性。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局在2020年初發(fā)布的《中華人民共和國(guó)2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，民用轎車(chē)的保有量達(dá)到14 644萬(wàn)輛[2]，每年消耗的燃油不計(jì)可數(shù)。而汽車(chē)保持胎壓正?？梢越档陀秃?，節(jié)約的燃油量是一個(gè)很可觀的數(shù)字，每年可以節(jié)約幾百萬(wàn)噸的汽油[3]。既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)約了燃油費(fèi)用。

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

針對(duì)上述情況，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS-Tire Pressure Monitoring System）可以規(guī)避輪胎壓力不足的問(wèn)題。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)胎壓參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)輪胎氣壓偏低的情況時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的故障提示，及時(shí)提醒駕駛員，從而避免因輪胎壓力低導(dǎo)致爆胎及其他危害。

從2005年開(kāi)始，歐洲、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始陸續(xù)以強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)推廣胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。2015年，俄羅斯、伊朗、海灣地區(qū)等發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)始強(qiáng)制實(shí)施胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)法規(guī)。在2017年10月，中國(guó)出臺(tái)了GB 26149-2017《乘用車(chē)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》[5]的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)中置且寬高比小于或等于0.9的乘用車(chē)，其新申請(qǐng)型式批準(zhǔn)車(chē)型自2020年1月1日起開(kāi)始實(shí)施， 其已獲得型式批準(zhǔn)的車(chē)型自2021年1月1日起開(kāi)始實(shí)施。對(duì)其他M1類(lèi)車(chē)輛，其新申請(qǐng)型式批準(zhǔn)車(chē)型自2019 年1月1日起開(kāi)始實(shí)施， 其已獲得型式批準(zhǔn)的車(chē)型自2020年1月1日起開(kāi)始實(shí)施。

1 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

1.1 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

輪胎氣壓是影響輪胎性能和汽車(chē)安全的重要參數(shù)，而胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則成為汽車(chē)安全系統(tǒng)的必備功能之一[6]。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是安裝在車(chē)輛上，以某種方式監(jiān)測(cè)輪胎氣壓情況，并在一個(gè)或者多個(gè)輪胎欠壓時(shí)進(jìn)行報(bào)警的系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)定輪胎胎壓的合理范圍，保證其與車(chē)輛輪胎參數(shù)保持一致，不同車(chē)輛匹配不同參數(shù)。當(dāng)輪胎氣壓出現(xiàn)異常時(shí)，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出光學(xué)報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛員注意，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全的功能，預(yù)防胎壓異常引起的交通安全事故。

1.2 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)

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

女人嫁過(guò)來(lái)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(wú)懈可擊?？墒呛髞?lái)，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(cè)系統(tǒng)：采用無(wú)線射頻傳輸技術(shù)，通過(guò)固定在輪胎內(nèi)的高靈敏度胎壓傳感器，實(shí)時(shí)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(chē)端控制器（控制器作為接收端，負(fù)責(zé)胎壓信息的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)送），然后控制器通過(guò)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(jìn)行數(shù)字化顯示。該系統(tǒng)可以顯示每個(gè)車(chē)輪的胎壓信息，方便駕駛員了解各個(gè)車(chē)輪的胎壓情況。同時(shí)，直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以把輪胎壓力低、輪胎溫度高以及胎壓信號(hào)丟失等報(bào)警信息及時(shí)傳遞給駕駛員，保證行車(chē)安全[8-9]。

直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，可以顯示胎壓具體信息，出現(xiàn)誤報(bào)的概率低；但由于胎壓傳感器采用獨(dú)立的電池供電、耗電快，使用壽命偏低。

直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于各個(gè)品牌的輪胎，可以實(shí)時(shí)顯示胎壓信息，是目前主機(jī)廠主流的技術(shù)。

圖1 直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：通過(guò)獲取車(chē)輛四個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速、車(chē)輛轉(zhuǎn)向角度等信息，憑借較長(zhǎng)時(shí)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(guān)系，從而監(jiān)測(cè)輪胎氣壓，判斷輪胎是否處于故障狀態(tài)。該系統(tǒng)無(wú)法直接測(cè)量輪胎內(nèi)部壓力，不能顯示胎壓具體信息。同時(shí)，如果四個(gè)車(chē)輪同時(shí)氣壓不足，會(huì)存在無(wú)法報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)；該系統(tǒng)算法復(fù)雜，反應(yīng)速度慢，需要車(chē)輛行駛一段距離后，才會(huì)計(jì)算和判斷故障，靈敏度低；其測(cè)試結(jié)果與輪胎結(jié)構(gòu)和狀態(tài)參數(shù)也相關(guān)，誤報(bào)概率高，報(bào)警功能有限[10-11]。間接式胎壓監(jiān)測(cè)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(chē)輛中使用較多。

圖2 間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.3 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警策略

GB 26149-2017《乘用車(chē)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》中對(duì)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述分類(lèi)和具體要求：

（1）車(chē)輛行駛過(guò)程中，當(dāng)接收端接收到任意一個(gè)輪胎的氣壓≤車(chē)輛推薦氣壓的75%時(shí)，應(yīng)該立即設(shè)置低壓報(bào)警信號(hào)，同時(shí)儀表顯示相應(yīng)報(bào)警警示燈。I類(lèi)要求，10s內(nèi)點(diǎn)亮胎壓報(bào)警；II類(lèi)要求，10 min內(nèi)點(diǎn)亮胎壓報(bào)警。

（2）車(chē)輛行駛過(guò)程中，當(dāng)接收端接收到任意多個(gè)輪胎的氣壓≤車(chē)輛推薦氣壓的75%時(shí)，應(yīng)該立即設(shè)置低壓報(bào)警信號(hào)，同時(shí)儀表顯示相應(yīng)報(bào)警警示燈。I類(lèi)要求，10s內(nèi)點(diǎn)亮胎壓報(bào)警；II類(lèi)要求，15 min內(nèi)點(diǎn)亮胎壓報(bào)警。

（3）模擬胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障，故障發(fā)生10 min內(nèi)需要點(diǎn)亮胎壓故障燈。當(dāng)故障燈點(diǎn)亮后，停車(chē)，將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置為“OFF”狀態(tài)。5min后，將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置為“ON”狀態(tài)，故障燈需要依然保持點(diǎn)亮。然后，將胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，胎壓故障燈應(yīng)該熄滅。

2 胎壓補(bǔ)償策略

2.1 胎壓測(cè)量原理

胎壓傳感器內(nèi)部的壓力測(cè)量值，其是相對(duì)于一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值（101.3kpa）進(jìn)行計(jì)算的。當(dāng)輪胎的胎壓值P1為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，傳感器發(fā)送的胎壓數(shù)值P2為0，其具體計(jì)算公式如下：

而輪胎內(nèi)部實(shí)際壓力與環(huán)境大氣壓力有關(guān)聯(lián)。因此，胎壓傳感器實(shí)際發(fā)送的胎壓需要相對(duì)于環(huán)境大氣壓，實(shí)際傳感器應(yīng)發(fā)送的胎壓值P2-1計(jì)算公式如下：

圖3 胎壓測(cè)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(yīng)發(fā)送的實(shí)際胎壓值P2-1，單位為kpa；P1為輪胎內(nèi)部絕對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值：101.3kpa。

2.2 輪胎溫度對(duì)胎壓測(cè)量的影響

胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有一個(gè)現(xiàn)象，易引起用戶(hù)的抱怨：用戶(hù)在使用車(chē)輛過(guò)程中，剛開(kāi)始儀表中顯示的胎壓值為160 kpa（低壓報(bào)警閾值為170 kpa），觸發(fā)了低壓報(bào)警，但行駛了一段時(shí)間之后，胎壓值會(huì)顯示為190 kpa，報(bào)警解除。當(dāng)車(chē)輛靜止一段時(shí)間后，胎壓值降低為160 kpa，又觸發(fā)了低壓報(bào)警。出現(xiàn)上述現(xiàn)象，其主要的原因是，車(chē)輛行駛過(guò)程中，由于輪胎內(nèi)部溫度的升高，導(dǎo)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(xué)公式，輪胎內(nèi)部氣壓為：

式中，P1為輪胎內(nèi)部絕對(duì)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(shè)輪胎沒(méi)有漏氣，輪胎內(nèi)部氣體體積不變的情況下，輪胎絕對(duì)壓力P1會(huì)隨溫度T呈線性關(guān)系。

例如：車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間行駛后，輪胎內(nèi)部氣體溫度T為55 ℃，此時(shí)輪胎內(nèi)部的氣壓值P1為300 kpa。車(chē)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(dāng)前狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)的輪胎內(nèi)部氣壓值P1為：

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

2.3 海拔高度對(duì)胎壓測(cè)量的影響

除了輪胎溫度導(dǎo)致胎壓的變化，海拔高度也對(duì)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(shí)的胎壓傳感器發(fā)送的值，應(yīng)該相較于高海拔區(qū)域時(shí)的胎壓傳感器發(fā)送的值偏低。

環(huán)境大氣壓會(huì)隨海拔的變化而變化，下表是大氣壓力和海拔對(duì)應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù)表。

表1 大氣壓力和海拔關(guān)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(shí)，大氣壓P0降低到61.6 kpa；

根據(jù)公式（2），當(dāng)輪胎內(nèi)部絕對(duì)壓力值P1為360 kpa時(shí)，則實(shí)際傳感器應(yīng)發(fā)送的胎壓值P2-1：

0 m海拔時(shí)：

2 000 m海拔時(shí)：

4 000 m海拔時(shí)：

基于溫度和海拔高度對(duì)輪胎壓力的客觀影響，我們可以使用補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q該問(wèn)題。在進(jìn)行報(bào)警策略的制定時(shí)，考慮這種補(bǔ)償方法，防止時(shí)有時(shí)無(wú)的報(bào)警，減少用戶(hù)使用車(chē)輛時(shí)的困擾。

其具體的補(bǔ)償計(jì)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(guò)整車(chē)本身配備的環(huán)境溫度傳感器獲取；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(dāng)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(bǔ)償及海拔高度補(bǔ)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(jìn)行胎壓數(shù)值的計(jì)算，將補(bǔ)償后的胎壓進(jìn)行儀表的顯示以及報(bào)警的判斷，可規(guī)避時(shí)而報(bào)警時(shí)而不報(bào)警的問(wèn)題，減少用戶(hù)抱怨。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛輪胎氣壓和溫度等參數(shù)，及時(shí)報(bào)警，提示駕駛員采取相應(yīng)措施，降低事故發(fā)生的可能性，同時(shí)可減少因輪胎氣壓異常導(dǎo)致的輪胎異常磨損和降低車(chē)輛油耗，提升了車(chē)輛的安全性、經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)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(bǔ)償處理方法，可以減少用戶(hù)對(duì)胎壓數(shù)據(jù)和報(bào)警策略的困擾，提升用戶(hù)體驗(yàn)。