胎压监测系统的要求及最新技术进展

引言

基于TPMS所需的压力传感、微控制器（MCU）、射频（RF）和接口技术，飞思卡尔半导体积极参与胎压监测已逾15年。2007年，飞思卡尔已不仅仅能继续提供分离的组件，还将其技术整合到单一封装解决方案中。最近，飞思卡尔的技术又取得了新的进展，可以提供一个更新的单一封装解决方案 ，利用微机电系统（MEMS）和MCU技术的进步，扩展该集成解决方案的性能。本文介绍了胎压监测系统的要求和实施该系统的变化，以及系统级封装解决方案的最新技术，还讨论了在不久的将来可能出现的技术进步。

足气驾驶

胎压合适不只是涉及使轮胎气压达到制造商推荐的范围。有些情况还可能会给驾驶员带来麻烦。

首先，制造商推荐的气压是一种“冷”气压。在车辆停驶一个多小时后测量胎压，所测胎压由轮胎的承载能力决定，而且在驾驶时胎压会有所上升。当轮胎因驾驶而变热时，不应该下调胎压测量结果来估计冷胎压，即使在驾驶时大多数轮胎胎压每平方英寸通常都会增加大约3-5psi（20 kPa- 35 kPa）。

胎压计通常测量外部环境压力和轮胎内部压力之间的差异（称为表压）。然而，胎压受海拔高度变化的影响。例如，在高海拔地区（如亚利桑那州弗拉格斯塔夫）冷胎压合适的汽车驾驶到较低海拔地区（如亚利桑那州凤凰城）时， 将会气压不足，大约少3 psi (20 kPa)。同样，在凤凰城冷胎压合适的轮胎驾驶到弗拉格斯塔夫时气压会过高，大约高3 psi（20 kPa）。

季节性的温度变化也是影响胎压是否合适的因素。即使不考虑轮胎因长时间未工作而气压损失（参见《安全考虑因素》），在夏天（比如90°F度时，约32 ℃）设置冷气压，也将比在气温为0°F（约-18 ℃）的冬天早晨设置减少大约16%。

没有TPMS，那些不检查轮胎的驾驶员经常或在某些情况下有可能使用气压不正常的轮胎，因而有驾驶危险。

历史回顾

据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）估计，没有TPMS时， 每年有2.3万起涉及轮胎漏气或爆胎的交通事故，其中535人死亡。这两个问题可能都是胎压不合适造成的。由于安全原因，美国政府颁布了《运输设备召回、改进、责任认定和文档记录法案》(TREAD)。作为TREAD法案的一部分，联邦机动车辆安全标准（FMVSS 138）要求所有总重量等级达1万磅或小批量制造的汽车、卡车和公共汽车自2008年后都必须安装TPMS。

世界其他地区也认识到了胎压不正常所带来的安全问题。在法国，Sécurité Routière估计交通死亡事故中有9%是由于胎压不足引起的。德国DEKRA估计与轮胎相关的问题占所有交通伤亡事故的比例大约为41%，并指出，没有TPMS，道路上75%的车辆至少有一条轮胎亏气达3 psi （20 kPa）或以上。

气压合适的轮胎除了可以提高安全性以外，还可以提高车辆的燃油经济性。因此，许多地区都已要求或将要求安装TPMS。表1给出了不同地区的要求和实施时间。

表1. 各地区的TPMS法规要求

法规的颁布驱动着TPMS的显著增长。市场调研公司Frost and Sullivan预测，到2014年1北美将近38%的车辆将安装TPMS。该公司预计，到2018年欧洲安装TPMS的在用汽车数量将增加到3670万辆。

实施TPMS的规定使胎压成为汽车压力测试（包括歧管绝对压力（MAP）、大气绝对压力（BAP）、气囊压力、制动压力、HVAC压力等）的一个重要部分。据IHS iSuppli估计（图1），到 2015年2TPMS将占汽车传感器整个压力测量市场的25%以上。

图1. TPMS与汽车压力传感器总增长

安全考虑因素

气压合适的轮胎可减少爆胎、缩短刹车距离，减少湿滑路面的打滑情况、提高车辆的整体可操控性。对于TPMS来说，检测的首要任务是预防爆胎。气压不足的轮胎发热更快，不能承载其所规定的负荷。这会造成轮胎过度屈挠，导致胎面分离和爆胎。如果不计轮胎受到道路损坏的影响，则其每月自然漏气为1 psi （6.9 kPa），85%的胎压损耗是通过缓慢漏气造成的。

气压不足加上高速和/或超载情况增加了轮胎爆胎的风险。这种灾难性事件可能使车辆突然冲向迎面而来的车辆或失去控制。即使驾驶员控制了车辆，还是需要紧急更换轮胎。在车道上更换轮胎通常使驾驶员处于车流急驶的危险中，尤其在夜间或在天气恶劣的情况下更加危险。

在轮胎压力超过额定最大值的极端情况才需要担心气压过高。气压过高可能是轮胎充气过多以及随后因驾驶和阳光照射而发热等综合因素造成的。由于这些情况比较罕见，因此大多数TPMS并不会对气压过高的情况发出告警。然而，有些系统还是会对气压过高的情况发出告警。

燃油经济性考虑因素

胎压正常除了有利于安全外，肯定还有经济上的考量。欧洲标准考虑了正常胎压所提供的燃油经济性。然而，轮胎磨损增加和气压不合适造成的轮胎非正常磨损也增加了驾驶员的拥有成本。

商业货运行业依赖高燃油经济性降低成本，证明胎压正常具有经济效益。固特异轮胎与橡胶公司进行的测试表明，15%的汽车和拖车轮胎气压不足，会造成轮胎比预期寿命缩短8%，燃料效率减少2.5%MPG。

由于重型牵引车/拖车可能有18条以上的轮胎，如果保持合适胎压，每辆车在其几十万英里的寿命期内可以节省数千美元的燃油费和轮胎维修成本。乘用车也能因胎压正常而获得这两方面的收益。

直接式和间接式胎压监测系统

机动车使用两种胎压监测技术 -- 直接监测和间接监测。间接式TPMS使用在防抱死制动系统（ABS）中的速度传感器，比较轮胎之间的转速差别来确定气压不足的情况。因为当某轮胎的气压不足时，其半径将稍小于气压正常的轮胎，因此在汽车行驶时其转速与气压正常的轮胎转速不同。当系统检测到气压不足的情况时，会向驾驶员告警。

间接系统的主要缺点是，它无法检测到由于空气穿透橡胶造成所有轮胎均出现缓慢漏气或侧壁钢圈边缘或气门出现微小漏气的情况。如果所有轮胎漏气速度基本相同，轮胎之间的转速就不会有明显的变化。因此，间接系统对于 “监测”胎压就没有用。但是，对于穿孔和爆胎等意想不到的漏气，它的监测效果还是相当好的。

除了要求车辆处于行驶状态外，间接系统一般无法提供直接系统那样的结果。而且，如果更换、调换轮胎或给轮胎重新充压，用户必须每次重置系统。

与间接系统相反，直接式TPMS采用安装在气嘴或轮辋上或轮胎内的压力传感器，为每个轮胎提供独立的、频繁的气压测量。这些测量数据被传输到汽车仪表盘，以通知驾驶员。

由于FMVSS 138允许轮胎亏气25%时提示时间最长可以延迟20分钟，因此胎压不足时有些系统可能会延迟几分钟报告。TPMS系统设计师利用这个规定尽可能减少数据传输，以延长电池使用时间。

要通过欧洲和其他标准，间接式TPMS有一些困难，市场调研公司Strategy Analytics3修订的市场展望报告中就反映出了这种困难。Strategy Analytics汽车电子服务总监Ian Riches表示，全球立法过严一直是间接系统面临的挑战，吞噬了其成本优势。“我们现在看到的是直接方法和间接方法的市场占有率约七三开。”他说，“到2020年，我们预计全球生产的轻型汽车中80%以上装有TPMS。直接系统的全球占有率将为57%左右，间接系统约为24%。”

飞思卡尔的直接式胎压监测系统

2007年，飞思卡尔率先开发了MPXY8300直接式胎压监测单芯片解决方案，减少了多器件的处理、印刷电路板的尺寸，TPMS供应商无需增加额外器件成本。小尺寸使供应商有机会让各种采用不同轮辋尺寸的车型使用一个解决方案。

FXTH87 TPMS系列是高度集成的传感解决方案Xtrinsic组合的一部分，并将这种设计方法提升到新水平。最新的单一封装设计包含：

? 压力传感器
? 温度传感器
? 加速度传感器
? MCU
? 射频（RF）发射器
? 低频接收器（LFR）
? 软件

FXTH87 TPMS的传感能力来自：

? 带一个校准压力量程(共两个)的电容式压力传感器
? 温度传感器
? 可选X轴和Z轴加速度传感器

图2显示了FXTH87 TPMS 中CMOS表面微型机械压力传感压力单元l和XZ，双轴加速度传感器或加速度单元 。