一、背景

在汽車的應(yīng)用中，為了確保車輛安全駕駛，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS，Tire Pressure Monitoring System）作為車載安全系統(tǒng)之一被廣泛應(yīng)用，而隨著具有更快加速度的新能源汽車的普及，為進(jìn)一步提升整車的能量利用率，并減少對(duì)輪胎的磨損，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在此背景下的應(yīng)用變得愈加重要。

二、原理及基本流程

當(dāng)下被廣泛應(yīng)用于車載中的TPMS其原理通常是：在車輛啟動(dòng)后，通過(guò)輪胎內(nèi)置傳感器去檢測(cè)輪胎內(nèi)部的壓力和溫度，并通過(guò)無(wú)線信號(hào)將所采集數(shù)據(jù)發(fā)送至車內(nèi)的接收單元，接收單元在收到數(shù)據(jù)后開(kāi)始解析并分析數(shù)據(jù)，并與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。若數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)任何輪胎的壓力低于設(shè)定的安全水平，控制單元將會(huì)通過(guò)儀表上的指示燈或其他方式向駕駛員發(fā)出警報(bào)，以幫助駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪胎問(wèn)題，從而防止因輪胎壓力異常而引發(fā)的安全事故。

圖1 TPMS原理

三、常規(guī)TPMS組成

典型的TPMS通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：

1）胎壓傳感器：內(nèi)置于每個(gè)輪胎內(nèi)部或安裝在氣門(mén)嘴上，可用于測(cè)量輪胎內(nèi)的氣壓和溫度。

2）無(wú)線發(fā)射器：與胎壓傳感器集成，用于發(fā)送傳感器所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于傳感器與無(wú)線發(fā)射器所具備的功能僅為數(shù)據(jù)采集與傳輸，具有極低的功耗，因此其供電通常由小型電池供電（紐扣電池）。部分車型中，還可通過(guò)利用輪胎旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量來(lái)為其充電，以確保更長(zhǎng)久的使用時(shí)長(zhǎng)。

3）控制單元：接收并處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)。    

4）界面顯示：通過(guò)指示燈、文字提示燈方式向駕駛員顯示胎壓狀態(tài)。

圖2常規(guī)TPMS組成

四、新一代TPMS

隨著新能源汽車電動(dòng)化與智能化的推動(dòng)，車載相關(guān)技術(shù)得到快速發(fā)展，又伴隨著軟件定義汽車概念逐漸興起，在傳統(tǒng)汽車中被廣泛應(yīng)用的、依賴于硬件的系統(tǒng)開(kāi)始逐漸被軟件所取代。同理而言，TPMS也正在朝著STPMS（Software-based Tire Pressure Monitoring System）方向發(fā)展。

4.1. STPMS工作原理

如上述，STPMS不再依賴于輪胎內(nèi)的物理傳感器，而是利用車輛現(xiàn)有的感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)利用車輛動(dòng)態(tài)模型，結(jié)合車速、加速度、轉(zhuǎn)向角度、環(huán)境條件等因素，再采用智能算法去推斷輪胎的實(shí)時(shí)壓力狀態(tài)。

4.2.關(guān)鍵數(shù)據(jù)應(yīng)用

1）輪速傳感器數(shù)據(jù)：當(dāng)輪胎的壓力不足時(shí)，由于車身重量的作用會(huì)使得它的直徑減小，這將導(dǎo)致在相同轉(zhuǎn)速下車輛所行駛的距離變短，從而與其他輪胎的輪速產(chǎn)生差異，因此可通過(guò)各個(gè)輪胎的輪速差異來(lái)檢測(cè)潛在的胎壓變化。

2）加速度數(shù)據(jù)：胎壓的變化會(huì)影響車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此可結(jié)合車輛在加速、減速、轉(zhuǎn)彎等工況下的動(dòng)態(tài)信息去判斷胎壓狀態(tài)。

3）方向盤(pán)角度傳感器數(shù)據(jù)：當(dāng)輪胎壓力不足時(shí)，車輛的操控特性會(huì)發(fā)生改變，特別是在轉(zhuǎn)向時(shí)，因此方向盤(pán)的角度變化可以用來(lái)輔助判斷輪胎的狀態(tài)。

4）車輛載荷信息：當(dāng)車輛的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)影響輪胎的變形程度，從而影響對(duì)壓力的感知。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)座椅傳感器、懸掛系統(tǒng)等獲取車輛載荷信息，并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)胎壓下的數(shù)據(jù)對(duì)比，來(lái)判斷胎壓是否處于正常狀態(tài)。    

5）ABS數(shù)據(jù)：輪胎壓力的變化會(huì)影響車輛的制動(dòng)距離，通過(guò)監(jiān)測(cè)ABS介入的頻率和強(qiáng)度，可以間接判斷輪胎的狀態(tài)。

6）ESP數(shù)據(jù)：ESP能夠檢測(cè)到車輛在加速、減速以及轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化。

7）其他數(shù)據(jù)：如環(huán)境、定位、道路信息等數(shù)據(jù)。

4.3.數(shù)據(jù)融合

通過(guò)多源數(shù)據(jù)建立車輛動(dòng)態(tài)模型，并通過(guò)系統(tǒng)訓(xùn)練以識(shí)別特定胎壓狀態(tài)下的車輛行為模式，并在車輛運(yùn)行中，從各傳感器數(shù)據(jù)中出與胎壓相關(guān)的特征數(shù)據(jù)，再將當(dāng)前胎壓數(shù)據(jù)與已知的正常胎壓模式進(jìn)行匹配，以確定當(dāng)前胎壓是否處于安全范圍內(nèi)。

如通過(guò)車輛載荷的變化，結(jié)合懸掛系統(tǒng)傳感器所檢測(cè)到的與地面距離的關(guān)系，再將該數(shù)據(jù)與正常胎壓、同樣載荷狀態(tài)下的底盤(pán)與地面的垂直距離進(jìn)行比較，可幫助系統(tǒng)推斷輪胎是否處于正常壓力狀態(tài)。

在STPMS的方案中，由于準(zhǔn)確地測(cè)量輪胎壓力并不是直接通過(guò)測(cè)量壓力值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)分析車輛動(dòng)態(tài)特性以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)間接推測(cè)輪胎的壓力狀態(tài)。因此單一傳感器所提供的信息通常不足以準(zhǔn)確判斷真實(shí)的胎壓狀態(tài)，所以在此方案下，需融合多傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)不同維度分析來(lái)提高系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確度。

圖3 STPMS架構(gòu)示意

五、優(yōu)劣勢(shì)    

5.1.優(yōu)勢(shì)

與TPMS相比，STPMS方案由于在車載應(yīng)用中無(wú)需再在每個(gè)輪胎內(nèi)安裝專用的無(wú)線傳感器，而是使用現(xiàn)有的車輛感知系統(tǒng)，因此其生產(chǎn)和后期維護(hù)成本都相對(duì)更低，同時(shí)也更有利于整車實(shí)現(xiàn)高集成的電子電氣架構(gòu)。

以軟件算法為主要應(yīng)用的方案下，對(duì)于系統(tǒng)的更新與迭代都更加容易，且故障維護(hù)也更為簡(jiǎn)單，此方向更加契合軟件定義汽車的時(shí)代背景。

5.2.劣勢(shì)

由于STPMS方案是通過(guò)車輛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)去推算胎壓狀態(tài)，這相對(duì)于直接測(cè)量的TPMS方案而言，在技術(shù)尚未成熟的早期市場(chǎng)中，其精度及準(zhǔn)確性可能稍差些。同時(shí)受到車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的影響，為適應(yīng)不同的車輛環(huán)境，STPMS需要更為復(fù)雜的算法作為支撐，這將要求控制單元具有更高的數(shù)據(jù)處理能力和更為智能的算法要求。另外，在車輛首次匹配或更換輪胎時(shí)，為確保數(shù)據(jù)精度，需進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，以校準(zhǔn)必要的參數(shù)。

六、市場(chǎng)應(yīng)用

在當(dāng)下汽車市場(chǎng)中，STPMS已經(jīng)陸續(xù)在部分車型中得到應(yīng)用。基于當(dāng)下技術(shù)背景及成本考慮，STPMS方案更適用于那些對(duì)成本敏感且更希望通過(guò)軟件定義功能來(lái)減少硬件復(fù)雜性，從而提升整車開(kāi)發(fā)靈活性主機(jī)廠。