10.16638/jki.1671-7988.2021.012.058
轮胎参数张肖栋，杨慧凯，关忠旭
（中国第一汽车股份有限公司智能网联开发院，吉林长春130013）
摘要：胎压监测系统可以对汽车行驶过程中的轮胎状态进行实时监测，对汽车安全和节能减排方面具有重大的实际意义。中国从2020年开始强制实施胎压监测系统法规。文章从胎压监测系统原理、分类、报警策略等方面进行阐述，并对直接式胎压监测系统采集的胎压数据提出了补偿方法，减少温度和海拔高度对胎压报警的影响，提高用户使用车辆的安全性和舒适性。
关键词：胎压监测系统；原理；分类；报警策略；胎压补偿
中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)12-182-04
Research on Automobile TPMS and Application of Tire Pressure
Compensation Strategy
ZHANG Xiaodong, YANG Huikai, GUAN Zhongxu
( Intelligent and Connected Vehicle Development Institute, China FAW Corporation Limited, Jilin Changchun 130013 )
Abstract: The Tire Pressure Monitoring System can monitor the tire status in real time during the driving process, and have great practical significance for automobile safety, energy conservation and emission reduction. In addition, China has begun to enforce regulations on the Tire Pressure Monitoring System in 2020. This article will describe the principle, classification, and alarm strategy of the Tire Pressure Monitoring System, and propose a compensation method for the tire pressure data collected by the direct tire pressure monitoring system. This method can reduce the influence of temperature and altitude on the tire pressure alarm strategy, and improve the safety and comfort of the vehicle.
Keywords: Tire Pressure Monitoring System; Principle; Classification; Alarm Strategy; Tire Pressure Compensation CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)12-182-04
前言
目前，汽车已经成为人们出行的主要交通工具。爆胎现象，是目前车辆使用过程中较大的安全杀手，是高速行车中伤亡率最高的交通事故情况之一。而爆胎导致的交通意外，80%的原因是轮胎的压力不足[1]。轮胎壁是比较薄的，轮胎压力过低，轮胎变形量增大，其与地面的接触面积增加，胎面与地面的摩擦力也随之增加。高速行驶，摩擦发热严重，加剧胎面磨损，提高了爆胎的可能性。
根据国家统计局在2020年初发布的《中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报》，民用轿车的保有量达到14 644万辆[2]，每年消耗的燃油不计可数。而汽车保持胎压正常可以降低油耗，节约的燃油量是一个很可观的数字，每年可以节约几百万吨的汽油[3]。既保护了环境，又节约了燃油费用。
因此，保证轮胎胎压正常的操作，可以有效预防事故的发生，降低燃油的消耗，具备重大的影响力。
针对上述情况，胎压监测系统（TPMS-Tire Pressure Monitoring System）可以规避轮胎压力不足的问题。胎压监
作者简介：张肖栋，男，工学硕士，就职于中国第一汽车股份有限公司智能网联开发院，研究方向为智能座舱。
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张肖栋 等：汽车胎压监测系统研究及胎压补偿策略应用
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测系统实时监测汽车胎压参数，当出现轮胎气压偏低的情况时，系统可以实现视觉和听觉的故障提示，及时提醒驾驶员，从而避免因轮胎压力低导致爆胎及其他危害。
从2005年开始，欧洲、美国等发达国家和地区开始陆续以强制性标准推广胎压监测系统[4]。2015年，俄罗斯、伊朗、海湾地区等发展中国家也开始强制实施胎压监测系统法规。在2017年10月，中国出台了GB 26149-2017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》[5]的强制标准，规定了发动机中置且宽高比小于或等于0.9的乘用车，其新申请型式批准车型自2020年1月1日起开始实施， 其已获得型式批准的车型自2021年1月1日起开始实施。对其他M 1类车辆，其新申请型式批准车型自2019 年1月1日起开始实施， 其已获得型式批准的车型自2020年1月1日起开始实施。
1 胎压监测系统介绍
1.1 胎压监测系统原理
轮胎气压是影响轮胎性能和汽车安全的重要参数，而胎压监测系统，则成为汽车安全系统的必备功能之一[6]。胎压监测系统是安装在车辆上，以某种方式监测轮胎气压情况，并在一个或者多个轮胎欠压时进行报警的系统。通过设定轮胎胎压的合理范围，保证其与车辆轮胎参数保持一致，不同车辆匹配不同参数。当轮胎气压出现异常时，胎压监测系统发出光学报警信号，提醒驾驶员注意，实现主动安全的功能，预防胎压异常引起的交通安全事故。 1.2 胎压监测系统分类
胎压监测系统，可以分为两大类：直接式胎压监测系统，间接式胎压监测系统[7]。
直接式胎压监测系统：采用无线射频传输技术，通过固定在轮胎内的高灵敏度胎压传感器，实时采集轮胎的压力、温度以及传感器电池电量等信息，将上述数据发送给车端控制器（控制器作为接收端，负责胎压信息的数据处理和信息发送），然后控制器通过CAN 总线的方式，将轮胎压力和温度等数据传输给仪表，并在仪表中进行数字化显示。该系统可以显示每个车轮的胎压信息，方便驾驶员了解各个车轮的胎压情况。同时，直接式胎压监测系统可以把轮胎压力低、轮胎温度高以及胎压信号丢失等报警信息及时传递给驾驶员，保证行车安全[8-9]。
直接式胎压监测系统，测量精度高，响应速度快，实时处理能力强，可以显示胎压具体信息，出现误报的概率低；但由于胎压传感器采用独立的电池供电、耗电快，使用寿命偏低。
直接式胎压监测系统适用于各个品牌的轮胎，可以实时显示胎压信息，是目前主机厂主流的技术。
图1 直接式胎压监测系统
间接式胎压监测系统：通过获取车辆四个车轮的转速、车辆转向角度等信息，凭借较长时间采集的大量数据作为支撑，根据控制器内部集成的算法软件，建立轮速信息与轮胎气压之间的关系，从而监测轮胎气压，判断轮胎是否处于故障状态。该系统无法直接测量轮胎内部压力，不能显示胎压具体信息。同时，如果四个车轮同时气压不足，会存在无法报警的风险；该系统算法复杂，反应速度慢，需要车辆行驶一段距离后，才会计算和判断故障，灵敏度低；其测试结果与轮胎结构和状态参数也相关，误报概率
高，报警功能有限
[10-11]
。间接式胎压监测系统不需装备胎压传感器，成本较低，
目前在一些中低端车辆中使用较多。
图2 间接式胎压监测系统
1.3 胎压监测系统报警策略
GB 26149-2017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》中对胎压监测系统的性能和试验进行了详细的描述分类和具体要求：
（1）车辆行驶过程中，当接收端接收到任意一个轮胎的气压≤车辆推荐气压的75%时，应该立即设置低压报警信号，同时仪表显示相应报警警示灯。I 类要求，10s 内点亮胎压报警；II 类要求，10 min 内点亮胎压报警。
（2）车辆行驶过程中，当接收端接收到任意多个轮胎的气压≤车辆推荐气压的75%时，应该立即设置低
压报警信号，同时仪表显示相应报警警示灯。I 类要求，10s 内点亮胎压报警；II 类要求，15 min 内点亮胎压报警。
（3）模拟胎压监测系统故障，故障发生10 min 内需要点亮胎压故障灯。当故障灯点亮后，停车，将点火开关置为“OFF ”状态。5min 后，将点火开关置为“ON ”状态，故障灯需要依然保持点亮。然后，将胎压监测系统恢复至正常工作状态，胎压故障灯应该熄灭。
2 胎压补偿策略
由于直接式胎压监测系统可以实时显示胎压信息，准确
汽车实用技术
184 度高，灵敏度高，不容易出现误报等问题，大多数车型都会采用该种胎压监测系统。直接式胎压监测系统，利用安装在轮胎上的胎压传感器直接测量轮胎的气压和温度，采集各个轮胎的胎压数据。因此，胎压数据的准确性直接关系到胎压报警的准确性。由于胎压传感器采集轮胎里气体的数据，而气体的气压随温度和海拔都会有变化，所以，为了提高胎压报警的可靠性，有必要对采集到的胎压数据进行温度和海拔的补偿。 2.1 胎压测量原理
胎压传感器内部的压力测量值，其是相对于一个固定的标准大气压值（101.3kpa ）进行计算的。当轮胎的胎压值P 1为一个标准大气压时，传感器发送的胎压数值P 2为0，其具体计算公式如下：
P 2=P 1-P （1） 而轮胎内部实际压力与环境大气压力有关联。因此，胎压传感器实际发送的胎压需要相对于环境大气压，实际传感器应发送的胎压值P 2-1计算公式如下：
P 2-1= P 1-P 0 （2）
图3 胎压测量原理
式中，P 2为传感器发射给接收端的压力值，单位为kpa ；传感器应发送的实际胎压值P 2-1，单位为kpa ；P 1为轮胎内部绝对压力值，单位为kpa ；P 0为环境大气压力值，单位为kpa ；P 为一个标准大气压值：101.3kpa 。 2.2 轮胎温度对胎压测量的影响
胎压监测系统有一个现象，易引起用户的抱怨：用户在使用车辆过程中，刚开始仪表中显示的胎压值为160 kpa （低压报警阈值为170 kpa ），触发了低压报警，但行驶了一段时间之后，胎压值会显示为190 kpa ，报警解除。当车辆静止一段时间后，胎压值降低为160 kpa ，又触发了低压报警。出现上述现象，其主要的原因是，车辆行驶过程中，由于轮胎内部温度的升高，导致其胎压也升高，轮胎的胎压不是恒定不变的。低温环境下，胎压较低；高温状态下，胎压较高。
根据热力学公式，轮胎内部气压为：
P 1V =nR T （3） 式中，P 1为轮胎内部绝对压力值，单位为kpa ；V 为轮胎内
部气体的体积；n 为物质的量；R 为气体常数；T 为轮胎内部气体的温度，单位为K 。
在假设轮胎没有漏气，轮胎内部气体体积不变的情况下，
轮胎绝对压力P 1会随温度T 呈线性关系。
例如：车辆长时间行驶后，轮胎内部气体温度T 为55 ℃，此时轮胎内部的气压值P 1为300 kpa 。车辆静止一夜，第二天白天的外界环境温度为11 ℃，其轮胎内部的气体温度T 与环境温度一致，也为11 ℃，则11 ℃的当前状态下，对应的轮胎内部气压值P 1为：
P 1=（273.15+11）/（273.15+55）*300=259.77 kpa （4） 由以上可知：当轮胎内部气体温度变化时，轮胎内部的气压值变化也较大。
2.3 海拔高度对胎压测量的影响
除了轮胎温度导致胎压的变化，海拔高度也对胎压数值有一定的影响。根据公式（2），同一轮胎，温度不变，未充放气的情况下，低海拔区域时的胎压传感器发送的值，应该相较于高海拔区域时的胎压传感器发送的值偏低。
环境大气压会随海拔的变化而变化，下表是大气压力和海拔对应的关系数据表。
表1 大气压力和海拔关系表
例如：海拔从0 m 上升至2 000 m 后，大气压力P 0从101.3 kpa 下降到79.5 kpa ，上升到4 000 m 时，大气压P 0降低到61.6 kpa ；
根据公式（2），当轮胎内部绝对压力值P 1为360 kpa 时，则实际传感器应发送的胎压值P 2-1：
0 m 海拔时：
P 2-1= P 1-P 0=258.7 kpa （5） 2 000 m 海拔时：
P 2-1= P 1-P 0=280.5 kpa （6） 4 000 m 海拔时：
P 2-1= P 1-P 0=298.4 kpa （7） 基于温度和海拔高度对轮胎压力的客观影响，我们可以使用补偿的方式解决该问题。在进行报警策略的制定时，考虑这种补偿方法，防止时有时无的报警，减少用户使用车辆时的困扰。
其具体的补偿计算公式如下：
P 2-tem-alt =（P 2+101.3）*（T 2-tem +273）/（T 2+273）-P 0 （8） 式中，P 2为传感器发射给
接收端的轮胎压力值，单位为kpa ；T 2-tem 为外界环境温度，单位为K ，其可以通过整车本身配备的环境温度传感器获取；T 2为传感器发射给接收端的轮胎气体温度值，单位为K ；P 0为当前海拔高度的大气压力
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值，单位为kpa ，其可以根据大气压力传感器获取；P 2-tem-alt 为温度补偿及海拔高度补偿后的传感器发射给接收端的压力值，单位为kpa 。
根据以上公式，接收端的控制器，可以进行胎压数值的计算，将补偿后的胎压进行仪表的显示以及报警的判断，可规避时而报警时而不报警的问题，减少用户抱怨。
3 结束语
汽车的胎压监测系统，可以实时监测车辆轮胎气压和温度等参数，及时报警，提示驾驶员采取相应措施，降低事故发生的可能性，同时可减少因轮胎气压异常导致的轮胎异常磨损和降低车辆油耗，提升了车辆的安全性、经济性。针对轮胎气压受温度和海拔高度的影响，采取的胎压数据补偿处理方法，可以减少用户对胎压数据和报警策略的困扰，提升用户体验。
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