未來的輪胎信息系統ITS

　2007 年9月，美國規定所有載重量小于4.5噸的新汽車必須安裝胎壓監控系統。歐洲目前正在討論這項措施，按照歐盟委員會的意見，從2012年起，所有新車型都必須配備輪胎壓力監測系統。作為TPMS(胎壓監控系統)全球領先廠商之一，大陸集團正在開發無電池解決方案。ITS(輪胎智能監測系統)采用壓電技術，將動能轉換為電能，從而取代電池供電。此外，由于輪胎中集成電子器件，ITS還可以支持大量安全和舒適性新功能。

　　簡介

　　早在20世紀90年代，歐洲便首度開發出用于檢測和監控胎壓的系統。其最初的目的是提高舒適度，因為輪胎減震特性配合底盤調節最終將對汽車抓地能力和整體舒適性產生決定性作用。為此，必須解決輪胎和汽車兩大行業之間的利益沖突。輪胎廠商主張盡可能提高胎壓以保證安全并減少磨損。而汽車廠商則堅持適度胎壓，從而獲取更高的駕乘舒適性。

　　2000年，美國因胎壓不當造成的一系列事故引起公眾高度關注。針對這一情況，2005年9月，美國立法機構規定所有新的轎車和輕卡必須安裝胎壓監控系統。除安全外，保持正常胎壓還有助于減少二氧化碳排放，因為胎壓不足會加大滾動阻力，增加油耗。據估算。胎壓低于 0.5巴時，油耗將增加2％～3％。法國公路安全機構S e curit e Routi e re2005年的一項調查結果顯示，如果每輛汽車胎壓正常，僅法國便可以每年減少二氧化碳排放量160萬噸。此外，汽車在胎壓不足的情況下行駛會造成輪胎提前更換。

　　目前，采取有效方法減少二氧化碳排放以利于環保的討論，使胎壓監控系統再次成為熱點。所有采用低壓安全胎的汽車已被強制安裝這類系統，其他大量車型可以選裝。胎壓監控系統分為間接式和直接式兩種類型，下面對這兩種系統分別加以說明。

　　間接檢測系統

　　這是最為經濟高效的一種胎壓監控系統，可利用ABS車輪傳感器發射的信號間接檢測胎壓。系統測量各個車輪的轉速，計算每個輪胎的滾動周長。胎壓低會造成滾動半徑減小。輪速加快的情況下，通過對四個車輪的比較可以檢測可能存在的胎壓下降情況。

　　直接檢測系統

　　目前，已有21家汽車制造商采用大陸集團的直接胎壓監控系統(上圖)。胎壓監控系統(TPMS)測量胎內實際壓力。此外，系統還可同時檢測多個輪胎是否胎壓下降。這些系統可放置在輪轂內部的深槽中，或作為輪胎氣門的獨立單元。

　　上述兩種系統由電池和電子器件組成，測量輪胎內部壓力，并將輪胎的檢測值傳送至車載電子系統進行檢查和分析。必要時，通知駕駛員胎壓存在的問題。

　　為避免輪轂與胎內空氣之間的熱率差造成誤報警，大陸集團結合這種相移因素的考慮，在運算中引入了專用修正系數。

　　電池為這種胎壓監控系統的改進提供了最大空間。電池大而且相當重，因為要保證五到十年的使用壽命，體積不可能做得很小。目前似乎不可能指望電池技術有所發展，在這方面已沒有改進余地。如果電池電量用光，不得不更換整個胎壓監測電子單元。出于穩定性考慮，胎壓電子單元采用永久塑封。為避免使用壽命受限，大陸集團正在積極開發滿足未來需求的壓電技術。

　　ITS：采用壓電技術的輪胎信息系統

　　至少在部分車型中，典型機械和液壓系統已實現電子化，如制動系統和轉向系統。在這方面，輪胎是唯一尚未觸及的大型汽車組件。而未來的ITS將在一定程度上使輪胎具備“智能”，而且系統可與整個車載電子架構集成。大陸集團計劃于2010年實現ITS量產，目前正在與著名汽車制造商探討合作意向。

　　ITS初步功能設計主要以大陸集團成熟的TPMS架構為基礎，用壓電轉換器取代電池。理論上，壓電轉換器的功能與眾所周知的壓電噴油器相似。輪胎中，壓電器件將機械運動力轉換為電能。

　　壓電轉換器由涂有壓電陶瓷的彈簧鋼組成。輪胎滾動時，壓電陶瓷暴露于張力或壓力之下。這兩種情況造成的變形會產生一定電壓。這種電壓經整流后輸入電容。電容用來配置電子器件，而不是專門用于特性電源。硅片器件的工作需要一定量的電壓，電容可以滿足這種需求。隨后。壓力和輪胎數據通過TPMS系統常用方法傳送給汽車車身的接收器，供車載電子系統進行分析。

　　這種方法的主要優點是在理論上車輪電子器件的功能沒有任何限制。同時，采用壓電技術的壓力計體積和重量大大低于電池供電的系統。

　　目前，最好的電池供電系統重量約為30克，而采用壓電轉換器的系統重量遠低于這一數字。由于這種技術目前仍處于初級階段，還有很大發展空間，因此今后體積有望進一步減小。

體積減小的優點是顯而易見的：首先，減少了必須旋轉的笨重體積，提高了輕捷性；其次，減少了壓力元件所需的配平重量。從物理學原理看，整個車輪電子器件的重量應低于10克，而要保證使用壽命。電池本身重量即達到5克，難以滿足這一重量目標；另一方面，壓電轉換器的重量有望進一步減輕——這只不過是進一步創新的問題。

　　大陸集團認為，理論上，ITS最好直接放置于輪胎內。這樣做的主要好處是：

　　·更加準確快速地測量溫度，不會受到輪轂的負面影響；

　　·拆裝輪胎時不會損壞模塊；

　　·不會因氣門漏氣造成壓力下降(氣門使用壽命比電池短)；

　　·輪胎檢測的接觸面長，結果更加準確。

　　如果仍在輪轂處進行壓力檢測，采用壓電轉換器也同樣有效。即使這種情況下位置相對固定，壓電器件仍然可以將動能轉換為足夠的電能，將數據傳送給車載電子系統。

　　除電池外，壓電轉換器還可以取代另一個組件，即“停車開關”。這種開關在汽車行駛時進行記錄，并將運動報告給車輪電子系統。停車時，開關關閉電子系統，檢查常規車距，確定是否需要重新移動車輛。這個功能目前顯著延長了電池的使用壽命。壓電轉換器只在汽車行駛時產生電壓，因此不需要“停車開關”。

　　ITS網絡

　　由于處于輪胎內壁中央位置，ITS可以獲得大量信息，而不僅僅是胎壓。舉例來說，作為“功能網絡”概念的組成部分，已計劃利用ITS數據控制汽車動力。

　　除壓力傳感器外，ITS單元還含有兩個分別用于檢測溫度和加速度的傳感器。這些傳感器的信息可用來更加準確地確定胎壓，例如，通過考慮不同溫度條件進一步減少誤報警。這樣有利于壓縮報警閾值范圍，進而降低油耗。

　　此外，傳感器的數據還可以用來計算輪胎承載力。輪胎廠商的數據，如輪胎型號等，可保存在電子系統中。同時，還可以確定輪胎狀況和行駛里程。

　　那么，如何生成其他輪胎數據呢?當輪胎接觸面出現和消失時，可以檢測加速度。加速度數據結合胎壓可用來計算輪胎周長。利用這種信息以及接觸面長度可計算輪胎受力。這個力是車輪負載的測量值，在考慮四個車輪的情況下表明汽車負載狀況。同時，這種信息還可用來生成函數，針對負載狀況和車輛重心精確地調整輪胎目標壓力，從而節省油耗。

　　目前不是所有胎壓檢測系統都能確定正確的目標壓力。這意味著，滿載車輛有可能在輪胎氣壓僅支持部分負載的情況下繼續行駛。而未生成必要的報警。ITS消除了這一問題。車輛重心信息可用來提高各種安全功能，如防滾翻。這種功能還有助于保證輕卡和重卡的安全行駛，例如，行駛過程中負載偏移。

　　以載重1.6噸的中型車為例，每個車輪應承載大約400千克的重量。利用壓電系統產生的電壓，現在可以確定每個車輪承載的重量是否的確為400千克，或者是否出現這樣的情況，例如，由于重物集中在行里箱中，造成后輪受力過大。在這種情況下，電子系統會提示駕駛員調整胎壓，以防止輪胎損壞并避免額外油耗。

　　自動變速箱也可以根據負載和動力載荷狀況進行控制，例如當車輛動力和負載達到極限時。ITS可向變速箱控制單元提供相應信息，控制單元根據信息將最佳車速命令傳送給自動變速箱。

　　這種車輛負載信息還可以用來調整車輛的軸向力和徑向力。這是因為輪胎參數不可能保持恒定。溫度、負載、使用年限和狀態等可測量輪胎條件，可集成到車輛動力控制系統中，或用于啟動安全系統。

　　ITS可提供關于車輪接觸的行駛路面摩擦力是否不同的信息，從而更好地調整ABS系統。理論上，ITS提供的所有安全功能完全可以用于商用車，例如，需要格外注意危險品運輸車輛的安全。

　　事實上，傳感器與輪胎從生產開始便直接建立了相互間的關系。這也意味著，ITS傳感器系統可以保存輪胎的所有相關數據，如速度級別和胎面特性等。這樣，車輛可以自動提醒駕駛員，例如，當其超過冬季輪胎允許的最高行駛速度時會自動提醒駕駛員。而且ITS可根據行駛里程提示磨損情況，并建議何時更換輪胎。

　　這種系統的另一個優點是有利于低壓安全胎。一方面，輪胎漏氣時，系統可迅速通知駕駛員；而當胎壓的確明顯下降時，電子系統可自動監控剩余里程，并在接近允許行駛的最大剩余里程時提醒駕駛員。

　　同時，這一系統在未來還可實現車輛間通信。例如，配置輪胎信息系統的輪胎可收集抓地力強弱的數據，將路面附著情況通知其他車輛，從而減少事故，特別是存在冰雪危險的情況下。
在更遠的未來，可利用這種機械性非常敏感的傳感器確定摩擦系數。最終，在確定額定壓力時，利用徑向力與軸向力之比決定磨擦系數。當壓力施加在路面時，橡膠會變形。輪胎內部的壓電轉換器可以檢測到這種運動，并將其轉換為電信號。

　　總結與展望

　　監控胎壓的間接與直接監測系統存在一個基本差別，由于采用電池作為能源，間接監測系統的使用壽命一般為10年左右。

　　大陸集團目前正在開發壓電轉換器作為電源，取代傳統電池。汽車制造商不需要進行很大改動，因為采用這種可與車載系統集成的器件，其余系統架構仍保持原樣。未來，這種電子單元將安裝在輪胎中。而不再像以前的器件那樣裝在輪轂中或氣門上。壓電轉換器提供信號還意味著，輪胎信息系統將為底盤調整和車輛動力控制的改善提供新的機遇。