汽车胎压监测系统研究及胎压补偿策略应用

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）

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M1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]。

女人嫁过来那天，豪宅里热闹并且神圣。那是十八年以前，那一年她二十三岁。她的皮肤像缎子般光洁光滑，她的嘴唇像沾着露珠的草莓。她的美和清纯，无懈可击。可是后来，她知道，她高挑的身材，娇嫩的肌肤，精致的五官，花苞般娇艳的乳房，她所有的一切，全都是工厂流水线的作品。

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

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P1为一个标准大气压时，传感器发送的胎压数值P2为0，其具体计算公式如下：

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P2-1计算公式如下：

图3 胎压测量原理

式中，P2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P2-1，单位为kpa；P1为轮胎内部绝对压力值，单位为kpa；P0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：

式中，P1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P1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P1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P1为：

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P0从101.3 kpa下降到79.5 kpa，上升到4 000 m时，大气压P0降低到61.6 kpa；

根据公式（2），当轮胎内部绝对压力值P1为360 kpa时，则实际传感器应发送的胎压值P2-1：

0 m海拔时：

2 000 m海拔时：

4 000 m海拔时：

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：

式中，P2为传感器发射给接收端的轮胎压力值，单位为kpa；T2-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；T2为传感器发射给接收端的轮胎气体温度值，单位为K；P0为当前海拔高度的大气压力值，单位为kpa，其可以根据大气压力传感器获取；P2-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。