胎壓監測系統:雞肋還是神器?

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

強制安裝TPMS是一個應運而生的好方法,還是有著良好初衷,但在很大程度上只是適用了意外或不可預見的後果的法律?

最近,筆者車上儀錶盤上的胎壓警告指示燈亮了(如圖1所示),這車行駛不到兩年,里程也不到15,000英哩。好在這個指示燈說明了具體的問題就在輪胎上,而不像定義不明確、含混不清的「檢查引擎」指示燈那樣會引起恐慌——從輪胎氣帽鬆動等輕微問題到可能導致災難的重大問題,「檢查引擎」指示燈可能都會亮。於是我靠邊停車,目測輪胎,它們看起來並沒有什麼問題。

 

圖1:儀錶盤上兩種指示燈中的任一個亮起,都表示TPMS已確認車胎壓力出現問題。

(來源:Tirebuyer.com LLC)

 

後來,當輪胎冷卻之後,我再次用兩個不同但都相當準確的數位壓力計重新檢查輪胎;結果再一次顯示所有輪胎都十分接近預定值。幾天之後,我又檢查了一次,讀數仍然符合規格並且沒有變化。我得出結論,輪胎沒問題,有問題的是胎壓測量系統。

借此機會,我研究了整個輪胎警報系統(學名為胎壓監測系統或TPMS)及其工作原理,其結果令我印象深刻,同時又令人擔憂。簡而言之,每個輪胎內部都安裝了壓力感測器、A/D轉換器、微處理器、射頻鏈路和鈕扣電池(如圖2所示)。整個單元被封裝為一個堅固的模組,以適應嚴苛的操作環境條件。

 

圖2:TPMS中包含許多用於閥桿和氣密輪胎的機械零件,以及左側密封模組中的所有電子元件。

(來源:CariD)

 

TPMS的工作方法是,每個輪胎(通常還包含備用輪胎)都透過315MHz或433MHz鏈路(取決於TPMS供應商)直接測量其壓力,並定期向車輛的接收器單元報告。汽車進而確定胎壓是否低於標稱值的25%;如果低於預定值,則儀錶板上的指示燈會向駕駛發出訊號。

然而,與許多可能的好主意一樣,「細節決定成敗」,TPMS尤為如此。我的研究顯示,TPMS還存在很多問題,包括:

  • 射頻鏈路往往採用超低功率以延長電池壽命;但卻因訊號微弱,以及嚴酷的汽車使用環境而容易受到內部和外部EMI影響導致錯誤;
  • 如果將金屬物品放在錯誤的位置,則可能阻斷極為微弱的射頻訊號;例如將鋁箔包裝的午餐放在駕駛座下面(如我的車),具體位置因不同車型而異;
  • 輪胎TPMS單元中的電池壽命只有5~10年(取決於多種因素),而且不可更換。一旦電池用盡,就必須更換整個模組。實際上,所有四個輪胎的單元都需要同時更換,這意味著數百美元的花費,而且,更換的模組類型和頻率也必須與原件相同;
  • 如果因故障或日常磨損而必須更換輪胎,其更換情況與電池用盡時相同,TPMS模組本身也可能因撞擊路緣或坑窪而損壞;
  • 而且,感測器和整個TPMS需要在模組更換之後進行自校準,這意味著車輛需要幾小時到幾天的時間才能穩定。更換之後過早在高速公路上行駛,會使輪胎加熱過快,從而增加輪胎壓力,這會破壞校準的過程。經驗豐富的工程師都知道,感測器經常暴露在外,並且通常是資料獲取訊號鏈中最不可靠的環節;
  • 從溫暖的車庫到寒冷的室外時,輪胎溫度的暫態變化也會導致讀數錯誤。

以上只是我發現的幾個問題,事實上問題遠不止這些。

TPMS的背景知識

為什麼美國和世界大部分地區的汽車中都強制要求安裝TPMS?這需要瞭解一些背景知識。

1990年代後期,翻車事故突然激增,而且事故主要發生在配備Firestone輪胎的福特(Ford)探險者SUV中。據估計,與探險者-Firestone相關的事故造成3,000多人受傷,約250人死亡。福特與Firestone互相指責,但無論是誰的過錯,事故和死亡都受到了廣泛的關注,政客們被要求「做點什麼」以改善這種狀況。最後,他們做了一件引人注目且顯而易見的事情,即於2000年規定,所有汽車到2007年都必須配備TPMS,能夠在輪胎壓力比標稱值低25%時發出指示。

各種汽車相關社群對TPMS的必要性或是否明智看法不一。汽車製造商顯然對此頗有微詞,因為這會使每輛汽車增加約200~300美元的成本,並增加BOM和製造複雜性。安全宣導者則強烈支持,並且採用了幾乎無可辯駁的論點,亦即「即使只能挽救一條生命,那也是值得的」。實際上,如果輪胎因撞到道路上的障礙物而突然爆胎並導致事故,TPMS提供不了什麼幫助,普通消費者並不知道TPMS的前期成本或擁有成本,但它聽起來似乎是個好主意。半導體和相關電子供應商則對此欣喜若狂,因為它保證了每年至少5,000萬輛新車和大量持續更換的配件市場。

還有一種間接且成本較低的TPMS方法,但由於不準確和不一致,以及存在遺漏問題的可能性而不受歡迎。這種方法使用現有的或新的安裝在車身上的感測器測量每個輪胎的轉速,無需電池或射頻鏈路。與壓力正常的輪胎相比,壓力較低的輪胎直徑較小,因此轉速較高;不過這個差異很小,而且,如果多個輪胎均氣壓不足,則根本無法比較。

對TPMS的實際情況研究越多,發現的問題就越多,還有大量多餘/誤導性讀數、維護問題,以及長期成本擔憂…等。事實上,我那本厚厚的汽車用戶手冊在五個章節中都從不同角度討論了TPMS,包括各種該做的不該做的、注意事項、警告和提醒。機械工程師甚至都可以購買專門的儀器來讀取、重置和重新同步TPMS單元了(如圖3所示)。

 

圖3:CariD TS401 TPMS Relearn工具等儀器可用於檢查、重置、重新程式設計、啟動和恢復單個輪胎的感測器。

(來源:CariD)

 

TPMS的未來

那麼,強制安裝TPMS是一個應運而生的好方法,還是一個有著良好初衷,但在很大程度上只是適用了意外或不可預見的後果的法律?這只是對不幸事件下意識的「我們必須做點什麼」,在未瞭解其更廣泛影響的情況下做出的反應嗎?或者說,這樣不完整的解決方案可能與沒有方案一樣糟糕?

也許我們應該期望汽車司機表現出一定的責任感,每隔一段時間檢查一遍輪胎,並像航空公司飛行員一樣在「飛行前」檢查輪胎,這樣恐怕更有意義。

至於我,對於經銷商安裝的汽車模組在保修期內能夠提供TPMS更換,表示歡迎。如果你想更多地瞭解TPMS的歷史、發展、設計,以及痛點,只需在網路上搜索TPMS即可,這是一個非常獨特的關鍵字。

(參考原文:Tire pressure monitoring system: Is the pain worth the gain,by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號

 

 

 

 

 

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