图1  TPMS系统是“轮胎的安全卫士”

2007年9月，美国规定所有载重量小于4.5t的新汽车必须安装胎压监测系统（TPMS）。欧洲目前正在讨论这项措施，按照欧盟委员会的意见，从2012年起，所有新车型都必须配备TPMS系统。作为TPMS系统的全球领先厂商之一，大陆集团正在开发无电池解决方案。ITS（轮胎智能监测系统）采用压电技术将动能转换为电能，从而取代电池供电。此外，由于轮胎中集成了电子器件，ITS还可以支持大量安全和舒适性新功能。

早在20世纪90年代，欧洲便首度开发出用于监测胎压的系统。其最初的目的是提高舒适性，因为轮胎减振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影响。

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行车安全并减少磨损，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，美国因轮胎和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TPMS系统。除安全性外，保持正常胎压还有助于减少CO2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0.5bar（50kPa）时，油耗将增加2%～3%。法国公路安全机构Sécurité Routière 2005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CO2排放160万t。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CO2排放以利于环保的讨论，使TPMS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。

TPMS系统（见图1）分为间接式和直接式两种类型。间接监测系统是最为经济高效的一种TPMS系统，可利用ABS车轮传感器发射的信号间接监测胎压。系统测量各个车轮的转速，计算出每个轮胎的滚动周长。轮速加快的情况下，通过对4个车轮的比较可以监测可能存在的胎压下降情况。

目前，已有21家汽车制造商采用大陆集团的直接TPMS系统。TPMS系统测量胎内实际压力，此外，系统还可同时监测多个轮胎的胎压是否下降。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，并将轮胎的监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TPMS系统的改进提供了最大空间。电池过大而且相当重，因为要保证5～10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。如果电池电量耗尽，就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，轮胎是惟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。

图2  压电转换器（黄色）与电子器件（绿色）实现小型化

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（见图2）。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，压电器件将机械动能转换为电能。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受到任何限制。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30g，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，因此今后其体积有望进一步减小。

体积减小的优点显而易见：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10g，而要保证使用寿命，电池本身重量即达到5g，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）；轮胎监测的接触面长，结果更加准确。

图3  ITS数据传送频率取决于车辆速度

如果仍在轮毂处进行压力监测，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（见图3）。

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。这一功能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监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，可以监测加速度。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轮胎受力。这个力是车轮负载的测量值，（在考虑4个车轮的情况下）表明汽车负载状况。同时，这种信息还可用来生成函数，针对负载状况和车辆重心精确地调整轮胎目标压力，从而节省油耗。目前，并不是所有胎压监测系统都能确定正确的目标压力。这就意味着，满载车辆有可能在轮胎气压仅支持部分负载的情况下继续行驶，而未生成必要的报警。ITS则消除了这一问题，车辆重心信息可用来提高各种安全功能（如防滚翻），这种功能还有助于保证轻卡和重卡的安全行驶。

以载重量为1.6t的中型车为例，每个车轮应承载大约400kg的重量。利用压电系统产生的电压，现在可以确定每个车轮承载的重量是否的确为400kg，或者是否出现这样的情况，例如由于重物集中在行李箱中，造成后轮受力过大。这种情况下，电子系统会提示驾驶员调整胎压，以防止轮胎损坏并避免额外油耗。

自动变速器也可以根据负载和动力载荷状况进行控制。例如，当车辆动力和负载达到极限时，ITS可向变速器控制单元提供相应信息，控制单元根据信息将最佳车速命令传送给自动变速器。

图4  ITS可根据行驶里程提示轮胎磨损情况

这种车辆负载信息还可以用来调整车辆的轴向力和径向力。这是因为轮胎参数不可能保持恒定。温度、负载、使用年限和状态等可测量轮胎条件，可集成到车辆动力控制系统中，或用于启动安全系统。

ITS可提供关于车轮接触的行驶路面摩擦力是否不同的信息，从而更好地调整ABS系统。理论上，ITS提供的所有安全功能完全可以用于商用车，比如需要格外注意安全的危险品运输车辆。

事实上，传感器与轮胎从生产开始便直接建立了相互间的关系。这意味着，ITS传感器系统可以保存轮胎的所有相关数据，如速度级别和胎面特性等。这样，车辆可以自动提醒驾驶员，而且ITS可根据行驶里程提示磨损情况，并建议更换轮胎的时间（见图4）。

这种系统的另一个优点是有利于低压安全胎。一方面，轮胎漏气时，系统可迅速通知驾驶员；而当胎压的确明显下降时，电子系统可自动监控剩余里程，并在接近允许行驶的最大剩余里程时提醒驾驶员。

同时，这一系统在未来还可实现车辆间通信，例如，配置轮胎信息系统的轮胎可收集抓地力强弱的数据，将路面附着情况通知其他车辆，从而减少事故，特别是在冰雪危险的情况下。

在更远的未来，可利用这种机械性非常敏感的传感器确定摩擦系数。最终，在确定额定压力时，利用径向力与轴向力之比决定摩擦系数。当压力施加在路面时，橡胶会变形，位于轮胎内部的压电转换器可以检测到这种运动，并将其转换为电信号。

图5  ITS的未来开发方向

总结与展望

监控胎压的间接与直接监测系统存在一个基本差别，由于采用电池作为能源，间接监测系统的使用寿命一般为10年左右。

大陆集团目前正在开发压电转换器作为电源，取代传统电池。汽车制造商不需要进行很大的改动，因为采用这种可与车载系统集成的器件，其余系统架构仍保持原样。未来，这种电子单元将安装在轮胎中，而不再像以前的器件那样安装在轮毂中或气门上。压电转换器提供信号还意味着，轮胎信息系统将为底盘调整和车辆动力控制的改善提供新的机遇（见图5）。