轮胎智能监测系统ITS

简介

早在20世纪90年代，欧洲便首度开发出用于检测和监控胎压的系统。其最初的目的是提高舒适度，因为轮胎减震特性配合底盘调节最终将对汽车抓地能力和整体舒适性产生决定性作用。为此，必须解决轮胎和汽车两大行业之间的利益冲突。轮胎厂商主张尽可能提高胎压以保证安全并减少磨损。而汽车厂商则坚持适度胎压，从而获取更高的驾乘舒适性。

2000年，美国因胎压不当造成的一系列事故引起公众高度关注。针对这一情况，2005年9月，美国立法机构规定所有新的轿车和轻卡必须安装胎压监控系统。除安全外，保持正常胎压还有助于减少二氧化碳排放，因为胎压不足会加大滚动阻力，增加油耗。据估算。胎压低于 0.5巴时，油耗将增加2％～3％。法国公路安全机构S e curit e Routi e re2005年的一项调查结果显示，如果每辆汽车胎压正常，仅法国便可以每年减少二氧化碳排放量160万吨。此外，汽车在胎压不足的情况下行驶会造成轮胎提前更换。

目前，采取有效方法减少二氧化碳排放以利于环保的讨论，使胎压监控系统再次成为热点。所有采用低压安全胎的汽车已被强制安装这类系统，其他大量车型可以选装。胎压监控系统分为间接式和直接式两种类型，下面对这两种系统分别加以说明。

间接检测系统

这是最为经济高效的一种胎压监控系统，可利用ABS车轮传感器发射的信号间接检测胎压。系统测量各个车轮的转速，计算每个轮胎的滚动周长。胎压低会造成滚动半径减小。轮速加快的情况下，通过对四个车轮的比较可以检测可能存在的胎压下降情况。

直接检测系统

目前，已有21家汽车制造商采用大陆集团的直接胎压监控系统(上图)。胎压监控系统(TPMS)测量胎内实际压力。此外，系统还可同时检测多个轮胎是否胎压下降。这些系统可放置在轮毂内部的深槽中，或作为轮胎气门的独立单元。

上述两种系统由电池和电子器件组成，测量轮胎内部压力，并将轮胎的检测值传送至车载电子系统进行检查和分析。必要时，通知驾驶员胎压存在的问题。

为避免轮毂与胎内空气之间的热率差造成误报警，大陆集团结合这种相移因素的考虑，在运算中引入了专用修正系数。

电池为这种胎压监控系统的改进提供了最大空间。电池大而且相当重，因为要保证五到十年的使用寿命，体积不可能做得很小。目前似乎不可能指望电池技术有所发展，在这方面已没有改进余地。如果电池电量用光，不得不更换整个胎压监测电子单元。出于稳定性考虑，胎压电子单元采用永久塑封。为避免使用寿命受限，大陆集团正在积极开发满足未来需求的压电技术。

ITS：采用压电技术的轮胎信息系统

至少在部分车型中，典型机械和液压系统已实现电子化，如制动系统和转向系统。在这方面，轮胎是唯一尚未触及的大型汽车组件。而未来的ITS将在一定程度上使轮胎具备“智能”，而且系统可与整个车载电子架构集成。大陆集团计划于2010年实现ITS量产，目前正在与著名汽车制造商探讨合作意向。

ITS初步功能设计主要以大陆集团成熟的TPMS架构为基础，用压电转换器取代电池。理论上，压电转换器的功能与众所周知的压电喷油器相似。轮胎中，压电器件将机械运动力转换为电能。

压电转换器由涂有压电陶瓷的弹簧钢组成。轮胎滚动时，压电陶瓷暴露于张力或压力之下。这两种情况造成的变形会产生一定电压。这种电压经整流后输入电容。电容用来配置电子器件，而不是专门用于特性电源。硅片器件的工作需要一定量的电压，电容可以满足这种需求。随后。压力和轮胎数据通过TPMS系统常用方法传送给汽车车身的接收器，供车载电子系统进行分析。

这种方法的主要优点是在理论上车轮电子器件的功能没有任何限制。同时，采用压电技术的压力计体积和重量大大低于电池供电的系统。

目前，最好的电池供电系统重量约为30克，而采用压电转换器的系统重量远低于这一数字。由于这种技术目前仍处于初级阶段，还有很大发展空间，因此今后体积有望进一步减小。

体积减小的优点是显而易见的：首先，减少了必须旋转的笨重体积，提高了轻捷性；其次，减少了压力元件所需的配平重量。从物理学原理看，整个车轮电子器件的重量应低于10克，而要保证使用寿命。电池本身重量即达到5克，难以满足这一重量目标；另一方面，压电转换器的重量有望进一步减轻——这只不过是进一步创新的问题。

大陆集团认为，理论上，ITS最好直接放置于轮胎内。这样做的主要好处是：

·更加准确快速地测量温度，不会受到轮毂的负面影响；

·拆装轮胎时不会损坏模块；

·不会因气门漏气造成压力下降(气门使用寿命比电池短)；

·轮胎检测的接触面长，结果更加准确。

如果仍在轮毂处进行压力检测，采用压电转换器也同样有效。即使这种情况下位置相对固定，压电器件仍然可以将动能转换为足够的电能，将数据传送给车载电子系统。

除电池外，压电转换器还可以取代另一个组件，即“停车开关”。这种开关在汽车行驶时进行记录，并将运动报告给车轮电子系统。停车时，开关关闭电子系统，检查常规车距，确定是否需要重新移动车辆。这个功能目前显著延长了电池的使用寿命。压电转换器只在汽车行驶时产生电压，因此不需要“停车开关”。

ITS网络

由于处于轮胎内壁中央位置，ITS可以获得大量信息，而不仅仅是胎压。举例来说，作为“功能网络”概念的组成部分，已计划利用ITS数据控制汽车动力。

除压力传感器外，ITS单元还含有两个分别用于检测温度和加速度的传感器。这些传感器的信息可用来更加准确地确定胎压，例如，通过考虑不同温度条件进一步减少误报警。这样有利于压缩报警阈值范围，进而降低油耗。

此外，传感器的数据还可以用来计算轮胎承载力。轮胎厂商的数据，如轮胎型号等，可保存在电子系统中。同时，还可以确定轮胎状况和行驶里程。

那么，如何生成其他轮胎数据呢?当轮胎接触面出现和消失时，可以检测加速度。加速度数据结合胎压可用来计算轮胎周长。利用这种信息以及接触面长度可计算