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胎压监测系统:鸡肋还是神器?

时间:2021-11-19 作者:Bill Schweber 阅读:
为什么美国和世界大部分地区的汽车中都强制要求安装TPMS?这需要了解一些背景知识。1990年代后期,翻车事故突然激增,而且事故主要发生在配备凡士通(Firestone)轮胎的福特探险者SUV中。据估计,与探险者-凡士通相关的事故造成3,000多人受伤,约250人死亡。福特与凡士通互相指责,但无论是谁的过错,事故和死亡都受到了广泛的关注……
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最近,我的车仪表盘上的胎压警告指示灯亮了(如图1所示),这车行驶不到两年,里程也不到15,000 英里。好在这个指示灯表明了具体的问题就在轮胎上,而不像定义不明确、含混不清的“检查引擎”指示灯那样会引起恐慌——从轮胎气帽松动等轻微问题到可能导致灾难的重大问题, “检查引擎”指示灯可能都会亮。于是我靠边停车,目测轮胎,它们看起来并没有什么问题。

图1仪表盘上指示灯中的任一亮起,表示胎压监测系统 (TPMS) 确认您的车胎压力出现问题。资料来源:Tirebuyer.com LLC

后来,当轮胎冷却之后,我再次用两个不同但都相当准确的数字压力计重新检查轮胎;结果再一次显示所有轮胎都十分接近预定值。几天之后,我又检查了一次,读数仍然符合规格并且没有变化。我得出结论,轮胎没问题,有问题的是胎压测量系统。

借此机会,我研究了整个轮胎警报系统(学名为胎压监测系统或TPMS)及其工作原理。其结果令我印象深刻,同时又令人担忧。简而言之,每个轮胎内部都安装有压力传感器、A/D转换器、微处理器、RF链路和纽扣电池(如图2所示)。整个单元被封装为一个坚固的模块,以适应严苛的操作环境条件。

图2TPMS中包含许多用于杆和气密轮胎的机械部件以及左侧密封模块中的所有电子器件资料来源:CariD

TPMS的工作方法是,每个轮胎(通常还包含备用轮胎)都通过315MHz或433MHz链路(具体取决于TPMS供应商)直接测量其压力,并定期向车辆的接收器单元报告。汽车进而确定胎压是否低于标称值的25%;如果低于预定值,则仪表盘上的指示灯会向驾驶员发出信号。

然而,与许多可能的好主意一样,“细节决定成败”,TPMS尤为如此。我的研究表明,TPMS还存在很多问题,包括:

RF链路往往采用超低功率以延长电池寿命;但却因信号微弱以及严酷的汽车使用环境而容易受到内部和外部EMI影响导致错误。

如果将金属物品放在错误的位置,则可能阻断极为微弱的射频信号;例如将铝箔包装的午餐放在驾驶座下面(如我的车),具体位置因不同车型而异。

轮胎TPMS单元中的电池寿命只有5到10年(取决于多种因素),而且不可更换。一旦电池用尽,就必须更换整个模块。实际上,所有四个轮胎的单元都需要同时更换,这意味着数百美元的花费。而且,更换的模块类型和频率也必须与原件相同。

如果因故障或日常磨损而必须更换轮胎,其更换情况与电池用尽时相同。 TPMS模块本身也可能因撞击路缘或坑洼而损坏。

而且,传感器和整个TPMS需要在模块更换之后进行自校准,这意味着车辆需要几小时到几天的时间才能稳定。更换之后过早在高速公路上行驶,会使轮胎加热过快,从而增加轮胎压力,这会破坏校准的过程。经验丰富的工程师都知道,传感器经常暴露在外,并且通常是数据采集信号链中最不可靠的环节。

从温暖的车库到寒冷的室外时,轮胎温度的瞬时变化也会导致读数错误。

以上只是我发现的几个问题,事实上问题远不止这些。

TPMS的背景知识

为什么美国和世界大部分地区的汽车中都强制要求安装TPMS?这需要了解一些背景知识。

1990年代后期,翻车事故突然激增,而且事故主要发生在配备凡士通(Firestone)轮胎的福特探险者SUV中。据估计,与探险者-凡士通相关的事故造成3,000多人受伤,约250人死亡。福特与凡士通互相指责,但无论是谁的过错,事故和死亡都受到了广泛的关注,政客们被要求“做点什么”以改善这种状况。最后,他们做了一件引人注目且显而易见的事情,即于2000年规定,所有汽车到2007年都必须配备TPMS,能够在轮胎压力比标称值低25%时给出指示。

各种汽车相关社区对TPMS的必要性或是否明智看法不一。汽车制造商显然对此颇有微词,因为这会使每辆汽车的成本增加约200至300美元,并增加BOM和制造复杂性。安全倡导者则强烈支持,并且采用了几乎无可辩驳的论点,即,“即使只能挽救一条生命,那也是值得的”。实际上,如果轮胎因撞到道路上的障碍物而突然爆胎并导致事故,TPMS是提供不了什么帮助的。普通消费者并不知道TPMS的前期成本或拥有成本,但它听起来似乎是个好主意。半导体和相关电子供应商则对此欣喜若狂,因为它保证了每年至少5000万辆新车和大量持续更换的配件市场。

还有一种间接且成本较低的TPMS方法,但由于不准确和不一致以及存在遗漏问题的可能性而不受欢迎。这种方法使用现有的或新的安装在车身上的传感器测量每个轮胎的转速,无需电池或射频链路。与压力正常的轮胎相比,压力较低的轮胎直径较小,因此转速较高;不过这个差异很小,而且,如果多个轮胎均气压不足,则根本无法比较。

对TPMS的实际情况研究越多,发现的问题就越多,还有大量多余/误导性读数、维护问题以及长期成本担忧等等。事实上,我那本厚厚的汽车用户手册在五个章节中都从不同角度讨论了TPMS,包括各种该做的不该做的、注意事项、警告和提醒。机械工程师甚至都可以购买专门的仪器来读取、重置和重新同步TPMS单元了(如图3所示)。

图3道通TS401 TPMS Relearn工具等仪器可用于检查、重置、重新编程、激活和恢复个轮胎传感器。 资料来源:道通科技公司

TPMS的未来

那么,强制安装TPMS 是一个应运而生的好方法,还是一个有着良好初衷,但在很大程度上只是适用了意外或不可预见的后果的法律? 这只是对不幸事件下意识的“我们必须做点什么”,在未了解其更广泛影响的情况下做出的反应吗?或者说,这样不完整的解决方案可能与没有方案一样糟糕?

也许我们应该期望汽车司机表现出一定的责任感,每隔一段时间检查一遍轮胎,并像航空公司飞行员一样在“飞行前”检查轮胎,这样恐怕更有意义。

至于我,对于经销商安装的汽车模块在保修期内能够提供TPMS更换,我表示欢迎。如果您想更多地了解 TPMS的历史、发展、设计以及痛点,只需在网络上搜索TPMS即可,这是一个非常独特的关键字。

(参考原文:Tire pressure monitoring system: Is the pain worth the gain) 

本文为《电子工程专辑》2021年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

责编:Luffy Liu

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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