輪胎智能監(jiān)測系統(tǒng)ITS

簡介

早在20世紀(jì)90年代，歐洲便首度開發(fā)出用于檢測和監(jiān)控胎壓的系統(tǒng)。其最初的目的是提高舒適度，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/輪胎">輪胎減震特性配合底盤調(diào)節(jié)最終將對汽車抓地能力和整體舒適性產(chǎn)生決定性作用。為此，必須解決輪胎和汽車兩大行業(yè)之間的利益沖突。輪胎廠商主張盡可能提高胎壓以保證安全并減少磨損。而汽車廠商則堅(jiān)持適度胎壓，從而獲取更高的駕乘舒適性。

2000年，美國因胎壓不當(dāng)造成的一系列事故引起公眾高度關(guān)注。針對這一情況，2005年9月，美國立法機(jī)構(gòu)規(guī)定所有新的轎車和輕卡必須安裝胎壓監(jiān)控系統(tǒng)。除安全外，保持正常胎壓還有助于減少二氧化碳排放，因?yàn)樘翰蛔銜哟鬂L動阻力，增加油耗。據(jù)估算。胎壓低于 0.5巴時，油耗將增加2％～3％。法國公路安全機(jī)構(gòu)S e curit e Routi e re2005年的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，如果每輛汽車胎壓正常，僅法國便可以每年減少二氧化碳排放量160萬噸。此外，汽車在胎壓不足的情況下行駛會造成輪胎提前更換。

目前，采取有效方法減少二氧化碳排放以利于環(huán)保的討論，使胎壓監(jiān)控系統(tǒng)再次成為熱點(diǎn)。所有采用低壓安全胎的汽車已被強(qiáng)制安裝這類系統(tǒng)，其他大量車型可以選裝。胎壓監(jiān)控系統(tǒng)分為間接式和直接式兩種類型，下面對這兩種系統(tǒng)分別加以說明。

間接檢測系統(tǒng)

這是最為經(jīng)濟(jì)高效的一種胎壓監(jiān)控系統(tǒng)，可利用ABS車輪傳感器發(fā)射的信號間接檢測胎壓。系統(tǒng)測量各個車輪的轉(zhuǎn)速，計(jì)算每個輪胎的滾動周長。胎壓低會造成滾動半徑減小。輪速加快的情況下，通過對四個車輪的比較可以檢測可能存在的胎壓下降情況。

直接檢測系統(tǒng)

目前，已有21家汽車制造商采用大陸集團(tuán)的直接胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(上圖)。胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)測量胎內(nèi)實(shí)際壓力。此外，系統(tǒng)還可同時檢測多個輪胎是否胎壓下降。這些系統(tǒng)可放置在輪轂內(nèi)部的深槽中，或作為輪胎氣門的獨(dú)立單元。

上述兩種系統(tǒng)由電池和電子器件組成，測量輪胎內(nèi)部壓力，并將輪胎的檢測值傳送至車載電子系統(tǒng)進(jìn)行檢查和分析。必要時，通知駕駛員胎壓存在的問題。

為避免輪轂與胎內(nèi)空氣之間的熱率差造成誤報(bào)警，大陸集團(tuán)結(jié)合這種相移因素的考慮，在運(yùn)算中引入了專用修正系數(shù)。

電池為這種胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)提供了最大空間。電池大而且相當(dāng)重，因?yàn)橐ＷC五到十年的使用壽命，體積不可能做得很小。目前似乎不可能指望電池技術(shù)有所發(fā)展，在這方面已沒有改進(jìn)余地。如果電池電量用光，不得不更換整個胎壓監(jiān)測電子單元。出于穩(wěn)定性考慮，胎壓電子單元采用永久塑封。為避免使用壽命受限，大陸集團(tuán)正在積極開發(fā)滿足未來需求的壓電技術(shù)。

ITS：采用壓電技術(shù)的輪胎信息系統(tǒng)

至少在部分車型中，典型機(jī)械和液壓系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)電子化，如制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在這方面，輪胎是唯一尚未觸及的大型汽車組件。而未來的ITS將在一定程度上使輪胎具備“智能”，而且系統(tǒng)可與整個車載電子架構(gòu)集成。大陸集團(tuán)計(jì)劃于2010年實(shí)現(xiàn)ITS量產(chǎn)，目前正在與著名汽車制造商探討合作意向。

ITS初步功能設(shè)計(jì)主要以大陸集團(tuán)成熟的TPMS架構(gòu)為基礎(chǔ)，用壓電轉(zhuǎn)換器取代電池。理論上，壓電轉(zhuǎn)換器的功能與眾所周知的壓電噴油器相似。輪胎中，壓電器件將機(jī)械運(yùn)動力轉(zhuǎn)換為電能。

壓電轉(zhuǎn)換器由涂有壓電陶瓷的彈簧鋼組成。輪胎滾動時，壓電陶瓷暴露于張力或壓力之下。這兩種情況造成的變形會產(chǎn)生一定電壓。這種電壓經(jīng)整流后輸入電容。電容用來配置電子器件，而不是專門用于特性電源。硅片器件的工作需要一定量的電壓，電容可以滿足這種需求。隨后。壓力和輪胎數(shù)據(jù)通過TPMS系統(tǒng)常用方法傳送給汽車車身的接收器，供車載電子系統(tǒng)進(jìn)行分析。

這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在理論上車輪電子器件的功能沒有任何限制。同時，采用壓電技術(shù)的壓力計(jì)體積和重量大大低于電池供電的系統(tǒng)。

目前，最好的電池供電系統(tǒng)重量約為30克，而采用壓電轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)重量遠(yuǎn)低于這一數(shù)字。由于這種技術(shù)目前仍處于初級階段，還有很大發(fā)展空間，因此今后體積有望進(jìn)一步減小。

體積減小的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：首先，減少了必須旋轉(zhuǎn)的笨重體積，提高了輕捷性；其次，減少了壓力元件所需的配平重量。從物理學(xué)原理看，整個車輪電子器件的重量應(yīng)低于10克，而要保證使用壽命。電池本身重量即達(dá)到5克，難以滿足這一重量目標(biāo)；另一方面，壓電轉(zhuǎn)換器的重量有望進(jìn)一步減輕——這只不過是進(jìn)一步創(chuàng)新的問題。

大陸集團(tuán)認(rèn)為，理論上，ITS最好直接放置于輪胎內(nèi)。這樣做的主要好處是：

·更加準(zhǔn)確快速地測量溫度，不會受到輪轂的負(fù)面影響；

·拆裝輪胎時不會損壞模塊；

·不會因氣門漏氣造成壓力下降(氣門使用壽命比電池短)；

·輪胎檢測的接觸面長，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

如果仍在輪轂處進(jìn)行壓力檢測，采用壓電轉(zhuǎn)換器也同樣有效。即使這種情況下位置相對固定，壓電器件仍然可以將動能轉(zhuǎn)換為足夠的電能，將數(shù)據(jù)傳送給車載電子系統(tǒng)。

除電池外，壓電轉(zhuǎn)換器還可以取代另一個組件，即“停車開關(guān)”。這種開關(guān)在汽車行駛時進(jìn)行記錄，并將運(yùn)動報(bào)告給車輪電子系統(tǒng)。停車時，開關(guān)關(guān)閉電子系統(tǒng)，檢查常規(guī)車距，確定是否需要重新移動車輛。這個功能目前顯著延長了電池的使用壽命。壓電轉(zhuǎn)換器只在汽車行駛時產(chǎn)生電壓，因此不需要“停車開關(guān)”。

ITS網(wǎng)絡(luò)

由于處于輪胎內(nèi)壁中央位置，ITS可以獲得大量信息，而不僅僅是胎壓。舉例來說，作為“功能網(wǎng)絡(luò)”概念的組成部分，已計(jì)劃利用ITS數(shù)據(jù)控制汽車動力。

除壓力傳感器外，ITS單元還含有兩個分別用于檢測溫度和加速度的傳感器。這些傳感器的信息可用來更加準(zhǔn)確地確定胎壓，例如，通過考慮不同溫度條件進(jìn)一步減少誤報(bào)警。這樣有利于壓縮報(bào)警閾值范圍，進(jìn)而降低油耗。

此外，傳感器的數(shù)據(jù)還可以用來計(jì)算輪胎承載力。輪胎廠商的數(shù)據(jù)，如輪胎型號等，可保存在電子系統(tǒng)中。同時，還可以確定輪胎狀況和行駛里程。

那么，如何生成其他輪胎數(shù)據(jù)呢?當(dāng)輪胎接觸面出現(xiàn)和消失時，可以檢測加速度。加速度數(shù)據(jù)結(jié)合胎壓可用來計(jì)算輪胎周長。利用這種信息以及接觸面長度可計(jì)算