TPMS无源化发展方向

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1、TPMS无源化发展方向研究汽车轮胎压力监视系统（TPMS, Tire Pre ssureMonitoring System），主要用于 在汽车行驶时，适时对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压 防爆胎进行预警，确保行车安全。汽车轮胎压力监视系统由发射检测模块（每只轮胎一个）和接收显示模块（一 个）组成。不同类型的轮胎压力监测系统具体组成不同。目前，TPMS主要分为直接式和间接式两种类型。间接式TPMS是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。当某一只轮 胎的气压太高或不足时,轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。 监视系统

2、将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，得出轮胎气压太高或不 足结论，从而报警。直接式TPMS是利用安装在每一只轮胎里的的压力传感器来直接测量轮胎的气 压，并对各轮胎气压进行显示与监视，直接式TPMS又可分为带电池TPMS和无电池 TPMS。1、TPMS技术的现状和演变间接式TPMS没有直接式TPMS准确率高且系统校准复杂，在有些情况下此系统无 法正常工作，如无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过100km /h的情况 进行判断，所以不能成为技术发展的主流。带电池TPMS技术的日趋成熟，开发出来的 模块可适用于各厂牌的轮胎，是当前的主流技术，现在各种车辆上均安装这种TPMS。 带电池

3、TPMS传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免地带来一些弊端:如 电池的寿命有限,当气温严重降低时，电池的容量会受到影响而减少，不够稳定。此 外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重 量。无电池TPMS，用一个中央收发器代替一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收 发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器(代替了发射器)接收 来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发 器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，解决了上述因电 池所带来的问题。德国IQ - MOB IL率先在此技术上取得突破，目前

4、已制造出样品, 此外澳大利亚的V ISITYRE也已经开发出了类似产品。如果说TPMS的使用是汽车电子技术发展的一次革新的话，那TPMS的无源化就是 TPMS自身完善的一个重要变化。TPMS发射检测模块一般安装在轮胎里面，轮胎里面是一个复杂的环境，轮胎高速 旋转，胎内空气温度高达120C,胎内气压一般在507810kPa。影响TPMS的环境与因素主要有如下几点：(1) 离心加速度。轮胎在高速运动上产生高离心加速度，假设一普通轮胎，胎的 半径是0.5m,轮辋半径是0.3m,由于TPMS是装在轮辋上，所以半径以0.3m计。假设 汽车以时速200km /h行驶时，离心加速度可达368g,对内部电子元

5、件焊接、封装都 有极高要求。而轮胎在高速行驶时要求动平衡，这对胎内模块的重量又提出了要求。 TPMS胎内模块是越轻越好，而电子部分一般而言5g左右,带电池TPMS的电池一般是 8 10g。(2) 重量与轮胎的动平衡。TPMS胎内模块安装在轮辋上，本身是轮胎的一部分, 也同时影响轮胎的质量分布，如果TPMS过重，在轮胎相对位置放置的平衡块也会很 重，甚至可能找不到合适的平衡块，所以TPMS是越轻越好。目前市场上的TPMS产品 一般都在3050g之间。(3) 高温。汽车在持续刹车时，比如下山，刹车片温度可达400r左右。在不断的 加温过程中，轮辋面可达170C左右，而胎内空气温度也在120C左右。

6、一般电池在 高温下由于内部液体气化,会使电池变形或爆裂。所以目前TPMS选用高能锂-亚硫 酰氯电池，可耐125 C高温。(4) 电池寿命与容量。带电池TPMS模块在目前成本条件下，除要求电池使用5 7年外，还要求体积小,重量轻，即在保证容量的条件下尽量选择体积小、重量 轻的电池。目前趋势是选用2450锂电池，重约8g。但是必须限制检测和发射的次数， 以保证模块可以使用57年。但这样就无法做到实时监控。2、TPMS发展方向TPMS系统的主要技术难点集中在胎内的发射监测模块上。目前带电池TPMS模块 已经可以使轮胎基本适应恶劣条件了，但是由于要使用电池，主动TPMS仍然无法彻 底解决以下几个问题:

7、体积过大、重量过大、监测密度无法做到实时监控、无法保证 稳定性与可靠性。如果胎内模块可以实现无源(即无电池)，则上述问题都可以迎刃而解。为达到 以上目的,下面主要阐述TPMS无线无源化发展的几个实现方案：(1)轮胎内模块有 发电装置，将轮胎运动的机械能转化为电能,此为压电发电方案。(2) 从轮胎外通过电磁场传入能量，驱动轮胎内模块工作，发射压力信息，此 为磁场电磁耦合。(3) 轮胎外发射电磁波，碰到轮胎内模块内置器件后反射，同时携带回压力信 息，此为声表面波无源无线传感器方案。3、压电发电方案设计3.1原理压电陶瓷产生电能的工作原理是正反压电效应，压电陶瓷在应力作用下通过压 电效应可产生数量可

8、观的电荷，在工作物质上建立起很高的电势，可输出不小的静电 能，构成了一个压电电源。3.2发电方案设计TPMS之所以可以采用发电方案,是因为轮胎在不断的转动和 直线运动中有存在动能的可能。但是，车轮在转动时产生离心力，虽然十分大，但是并不能用来发电。由于离心力 的方向是沿半径向外，在这个方向上，TPMS模块是固定的，处于力的平衡状态，而动 能产生的条件是W = FL ,所以要形成发电方案必须有两个条件:存在力，在力的方向 上有位移。在汽车轮胎的转动过程中，和地面接触的部分由于汽车的重量而产生形 变，脱离接触后轮胎又恢复到形变前的状态，可以形成这样一个方案:压电陶瓷片固 定在轮胎上，当轮胎和地面接

9、触时,压电陶瓷片发生形变，产生电能，然后电存储在超 电容器内,供给发射模块使用。目前日本开发出了该类压电发电产品，如日新电机日前成功开发出不使用电池 就能够让LED发光的团扇电机和由压电转换元件和LED组成的发光模块“发光棒”。3.3优缺点压电陶瓷在现有主动式TPMS基础上改进，解决了电池的问题，而且发电模块应用 面十分广。但压电陶瓷可以形变的次数有限，目前一般是几十万次。假设汽车一天行 驶100km,车轮半径为0.3m,周长为1.88m,则轮胎每天转动5.32万圈，也就是压电 陶瓷形变5.32万次。按目前压电陶瓷的技术水平，压电电源可以使用10天左右，行 驶1000km。就目前的技术而言，离

10、实用还有距离,但是随着技术的进步，相信在将来 会有可以使用的TPMS压电电源面世。4、磁场电磁耦合设计方案4.1原理电感耦合是一种变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据电磁感应定律，通过 交变磁场在轮胎内测量发射模块的线圈中感应出电压和电流给轮胎内测量发射模块提 供能量。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频 率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于1m,典型作用距离为1020cm。4.2方案设计该系统至少包含轮胎内测量模块和阅读器两部分。一般情况下，胎内测量模块由低频耦合天线（大面积的线圈），专用微型芯片和高频 发射天线组成，

11、低频耦合天线从交变磁场中获得工作所需的能量,专用芯片负责测量压 力和将压力信息转化为RF信号，高频发射天线将RF信号发射到空间。阅读器包含有接 收器、控制器以及低频驱动电路、低频天线、高频接收天线。工作流程如下:控制器通 过低频天线向空间发射供胎内测量电路使用的电磁波，发射磁场的一小部分磁力线穿过 距阅读器天线线圈一定距离的轮胎内测量模块低频耦合天线线圈。通过感应在低频耦 合天线线圈上产生电压，整流后作为胎内测量接收模块的电源。将一个电容与阅读器的天线线圈并联,电容器电容的选择依据是:它与天线线圈的 电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路。该回路的谐振使得阅 读器的天线线圈产

12、生非常大的电流，这种方法也可用于产生供远距离应答器工作所需要 的场强。胎内测量模块的低频耦合天线线圈和电容器构成振荡回路，调谐到阅读器的发 射频率。通过该回路的谐振，应答器线圈上的电压达到最大值。这两个线圈上的结构也可以解释作变压器（变压器的耦合），变压器的两个线圈之间 只存在很弱的耦合，阅读器的天线线圈与胎内测量模块的低频耦合天线线圈之间的功率 传输效率与工作频率、应答器线圈的匝数，被应答器线圈包围的面积、两个线圈的相对 角度以及它们之间的距离成比例。胎内测量模块获得能量工作后，将压力信息调制到RF信号发射出来，阅读器的高频 接收天线接收到RF信号后，接收器将RF信号解调后将压力信号传给控制

13、器，控制器将压 力信号通过人机界面告知车主。4.3优缺点电感耦合系统的效率不高,只适用于低电流电路，作用距离短，一般只有15cm左右。 提供能量有限，使模块中传感器电路的设计变得很重要，关键是：（1）芯片设计必须高效 率，能在低电流的情况下完成测量和发射任务。（2）微型芯片工作所需要的全部能量必 须由阅读器供应。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，所以阅读器的设计必须提 供足够的磁场强度。5、声表面波无源无线方案5.1原理声表面波（SAW）技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。在雷达、 通信等领域的研究得到了广泛的应用。把声表面波技术应用于传感器技术领域在近十几 年得到了很大的发

14、展，目前，采用SAW技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压 等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。声表面波传感器的工作模式基础上可分为延迟线型和谐振型两类，属于电磁反向散 射耦合。声表面波传感器的工作频率通常为数十MHz，甚至高达12GHz,。典型的工 作频率有：433MHz、915MHz、2,45GHz. 5.8GHz。由于其本身具有高频率信号输出和低 功耗等特点，非常适合于遥测信号的传感和传感器无源化的实现，且作用距离大于1m,典 型作用距离为310m。5.2延迟线式声表面波无源无线方案延迟型声表面波传感器结构上有许多形式，主要有编码延迟线（或扫频延迟线）和 带反射栅

15、的延迟线结构，前者的激励信号主要采用编码脉冲或扫频信号方式，而后者则 多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。延迟型主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量。 当外界被检测量发生变化时，将影响时延或相位。检测出该时延,就可感知被测量的大 小。编码延迟线利用激励信号到达各个延迟抽头的相位是否同相或反相实现编码；而常 用的带反射栅的延迟线则利用反射栅位置的不同，将延时信号构成不同的编码,便于对 多个传感器或标识器进行识别。该系统由声表面波器件、压力传感器和阅读器组成。压力传感器设计成为电阻式 使压力的的变化反应到传感器的阻抗发生变化，将声表面波器件指间转换器作反射器， 与外部压力传感

16、器相连接。压力测量值的变化使附加的指间转换器的终端阻抗发生变化, 因而使转换器的声反射和反射系数发生变化，转换器端接了这个负载，因此也使反射的 高频脉冲的大小和相位发生了变化。阅读器发出高频脉冲，声表面波器件反射回脉冲，通 过反射回的高频脉冲的大小和相位的变化获知压力值。5.3谐振式声表面波无源无线的方案谐振型声表面波传感器在一个或多个叉指换能器（IDT）的左右两边对称分布等间 距的反射栅阵，形成谐振腔，典型的结构为单端口和双端口。由于谐振的特点，该传感器仅仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，因 此，可利用声表面波谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率， 从而感知被测

17、量的大小。延迟型能利用延迟时间进行编码,构成较大规模的阵列传感器，但传感距离较短;而 谐振型传感器的品质因素较延迟型器件高许多，损耗极小,更适应于远距离的无源无线 遥感。采用多个无源的声表面波传感器可构成分布式无源无线阵列传感器，只要阵列传 感器中各个声表面波器件的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码（解 码）功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各传感元，达到识别 （寻址）阵列中各个传感单元的目的。使用声表面波器件作为应答器放在轮胎中或气门嘴中，并使器件设计成对压力敏 感。在轮胎附近布线装上阅读器用于周期地发送高频扫频信号。当压力变化时声表面 波器件的谐振频率发生变化，反射回的信息中对应谐振频率能量高于扫频信号的其余频 率信号，接收机通过分析返回信号的频谱，获知压力值的大小。5.4优缺点声表面波无源无线传感器具有非接触、快速、无电源、成本低等优点。缺点是不管 是延迟线式或者是谐振式，测量的精度都不高，而且反射回信号的强度很小，抗干扰能力 不强。但是TPMS定义在一个警告系统，而不是测量系统，在轮胎压力不够的情况下给出 报警信号，精度只要达到要求即可，声表面波器件是适合的。而抗干扰的能力可以通过减 小收发之间距离，提高接收机灵敏度，提高系统信噪比来解决。