CN100335302C - 轮胎压强监视系统的电源管理设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统(10)和方法，用于管理车轮模块(11)中的电池(13)的电能，用于指示轮胎中的气体压强何时降到推荐值以下。使用压强传感器(16)检测所述气体压强；使用温度传感器(18)检测气体温度；判断所述气体压强相对于时间是否在上升或者下降。根据气体压强和气体温度的比相对于时间是否在上升、下降或者保持恒定，来推断轮胎的运动，而不需要直接检测轮胎的加速度或者运动。电源管理电路(14)按照比轮胎不运动时时间更长的测量间隔控制电池电能以执行气体压强的检测和气体温度的检测。

Description

轮胎压强监视系统的电源管理设备和方法

技术领域

本发明涉及运动的检测，尤其涉及用于检测汽车充气轮胎的运动的系统和方法。

背景技术

现代的车辆和汽车系统越来越多地使用传感器来判断轮胎中的气压是否足够。使用直接轮胎压强监视方法来测量轮胎压强，所述直接轮胎压强监视方法使用利用射频(RF)数据链路的胎内压强传感器。当前使用的系统需要使用电池电源，电池电源的寿命需要有数年之久。在进行压强测量和RF传输期间要消耗电池的电能，并且传感器模块的总体待机电流也消耗电能。为了减少电源需求，取决于汽车是在运动中还是在停泊中，定义了两种一般工作模式。结果，提供了一种检测车轮运动的机制。检测车轮运动的机制一般是用对车轮的角加速度敏感的电机器件实现的，或者是用微电机传感(microelectromechanical sensing(MEMS))加速度计实现的。例如，在轮胎内实现一个移位开关(motion switch)，其依赖于车轮的角加速运动，该角加速运动将一个力学质量压向触点。迄今为止，这样的器件的问题都与下述事实有关：由于反复的冲击和振动，电连接会丧失可靠性。有的情况还要受到外壳的制造的影响，传感器也添加了轮胎的成本。另外，电机开关(electro-mechanical switch)需要电能来操作，因为当其导通时，开关会引起电流。

某些移位开关可能具有含铁的物质团，可以使用贴近车轮放置的强磁体使其运动到闭合位置。这允许压强传感器进行更为频繁的发射，以进行诊断。但是，使用磁体的诊断能力的水平，以及任何附加的诊断功能，比如低灵敏度低频(LF)检测器，都会增加系统电池的负担。

间接的运动检测方法从车辆底盘向车轮模块发射信号，告诉车轮模块车辆何时在运动中。这种方法之所以是间接的，是因为在轮胎本身内部的车轮模块在任何情况下都不测量车速。信号或者可以是RF信号，或者可以是LF信号，但是RF的实现方式一般要使用更多的电能，因此成本更高。在LF间接系统中，在车轮舱内设置LF振荡器、驱动器和发射线圈。在车轮模块上，有灵敏放大器来检测在一个小的接收线圈中拾取的信号。为了在信号最大处获得车轮旋转的最大角度，发射和接收线圈的对准是敏感的。另外，与LF检测间接系统相关的成本也高，这是由于对于每一个车轮位置，在底盘上要设置额外的电路，但是可以对每一个单独的车轮获得信息。

附图说明

从下面结合附图对本发明进行的详细说明中，本领域的普通技术人员很容易明了本发明的上述以及其它具体的目的和优点。附图中：

图1是根据本发明的具有电源管理的轮胎压强监视系统的框图；

图2是与图1的系统的运动检测相关的操作策略的表格；

图3是图1的系统中的运动检测方法；

图4是使用移动平均滤波的操作数据曲线图。

具体实施方式

图1所示为通常具有车辆模块11和在轮胎(未图示)外部的接收器部分12的轮胎压强监视系统10。在车辆模块11内有电池13，电池连接到电源管理电路14的输入。电池的正极输出连接到电源管理电路14的输入。电池的负极输出连接到车辆模块11内的所有模块的公共电源回路。为了便于说明，电池的负极端子被图示为与车轮模块11中的每一个部件一起被接地。电池的正极输出由电源管理电路14控制，以单独地对压强传感器16、温度传感器18、模拟接口20和射频(RF)发射器24的输入端供电。电池13的正输出单独地连接到处理控制器22的电源输入。压强传感器16的输入输出连接到模拟接口20额第一信号输入输出。温度传感器18的输入输出连接到模拟接口20的第二信号输入输出。模拟接口20的第三输入输出连接到处理控制器22的一个输入输出。处理控制器22的一个输入输出连接到RF发射器24的一个输入输出。RF发射器24有用于发射由RF接收器26的天线接收的RF信号的天线。用作RF频率的例子例如有300MHz到1GHz。RF接收器26的一个输出连接到信息处理电路28的一个输入。指示器29连接到信息处理电路28的一个输出。

工作时，车轮模块11被装在车辆的轮胎内。压强传感器16用来在通电时感测轮胎的压强。在一种实现形式中，压强传感器16被实现为适合置于轮胎内的微电机压强传感器。一种已知的合适的传感器是用硅制造的，其中的物理感测机制或者是可变电阻，或者是可变电容。类似地，当通电时，温度传感器18用来感测轮胎内的气体温度。温度的测量可以使用可变电容、可变电阻或者二极管电压来实现。模拟接口20用来执行压强传感器16和温度传感器18的输出的模数转换。另外，模拟接口20还执行其它功能，比如向传感器16和18提供时钟同步和控制信号，提供参考电压，以及执行传感器误差以及与压强和温度的测量有关的非线性误差的校正。处理器控制器22用来按照给定的时间间隔收集压强和温度测量值，然后将所述数据按照另一种时间间隔通过RF发射器24发送出去。为了管理车辆模块11内的电池13的电池功率，处理控制器22使用电源管理电路14选择性地使电池13与车轮模块11的其它部件断开和连接。除了用作矩阵开关之外，电源管理电路14可以具有包含在其中的其它节能逻辑和功能，以实现各种低功耗模式和定时感测参数(timing sense parameter)。另外，处理控制器22包含逻辑电路或者在存储器比如ROM(未图示)中的软件代码，用于仅仅根据轮胎的压强和温度来识别轮胎何时处于运动之中。响应于对是否存在轮胎运动的推断，处理控制器22提供对所有电池功率消耗的控制，这是由传感器16和18的测量速率以及RF发射器24的发射速率确定的。处理控制器22还监视由压力传感器16指示的轮胎压强水平，并在气压达到或者低于预定值时向RF发射器24提供低压强警报信号。所述低压强警报信号由RF接收器26接收，并由信息处理电路28处理，以向汽车用户发出信号，指出轮胎压强是否已下降到低于或者上升到高于预定值。当信息处理电路28检测到存在漏气时(也就是压强下降到低于预定阈值时)，就向指示器29发出可视的或者可听的警报。信息处理电路28可以被实现为具有用于存储软件的可编程存储器比如ROM的微控制器，或者被实现为具有用于实现这里所说明的方法的硬件逻辑的状态机(state machine)。

轮胎压强监视系统10使用运动检测的推论方法来确定是否存在运动，而不是在轮胎内实现一个运动检测开关，从而节约了大量的电池功率。在车轮/轮胎组件中，有一种已知的现象，那就是，当汽车运动时，轮胎会升温。这种现象是三个主要因素的结果：折曲轮胎面和轮胎壁而做的功，从轮毂和刹车接收的热量，以及从相邻的汽车引擎和废气接收的热量。有三个主要的冷却因素：从轮胎上急速流过的空气，路面温度，以及水和雨的存在。一般的轮胎只需在数公里的行驶之后，压强和温度的绝对值就会上升约百分之四到五。升温过程相对来说是可预测的。但是，冷却过程必较长，并且，由于由刹车和底盘传递到轮胎和车轮的热量的缘故，压强和温度的下降速率可能有变化。

仅仅通过监视轮胎压强和温度的变化，有可能推断车轮的运动。轮胎压强的上升是轮胎开始运动的一个指示，而轮胎压强的下降是轮胎运动正在停止的指示。但是，轮胎压强的变化也可能是因为向轮胎充气和/或轮胎在发生漏气。但是，在轮胎充气或者泄气的情况下，气体质量也发生了变化。

根据理想气体定律，在封闭气体的质量、压强、体积和温度之间有一种直接的关系，如下式所示：

(P)(V)＝(n)(R)(T)                        等式1

其中，P是绝对压强(Pa)，T是温度(开式温度)，V是气腔容积(立方米)，n是气体的摩尔数，R是通用气体常数(8.3145J/mot°K)。

由于轮胎是固定的容积或者气体质量，该等式可以被改写为：

P/T＝(n)(R)/V＝(n)(k)                        .等式2

其中：k是常数。

因此，只要轮胎内的气体质量没有变化，压强温度比(P/T)应当保持恒定。这种关系可以被用来区分由于充气或者泄气而发生的轮胎压强变化以及由于轮胎的升温(运动)或者冷却(停泊)而导致的变化。

图2所示为一个表格，图解了如何从轮胎在运动时的自然热动力加热(natural thermodynamic heating)(从而导致轮胎压强和轮胎温度的变化)推断轮胎的运动。换句话说，不检测运动本身，而是由处理控制器22使用压强和温度变化来判断是否发生了轮胎的运动或者轮胎运动是否已经停止。在图示的形式中，只需要知道轮胎气体压强和轮胎气体温度。假设最近的气体压强读数小于前一个气体压强读数。该下降会导致压强温度比(P/T比)或者下降或者保持恒定。压强温度比不可能上升，因为根据理想气体定律，这不是有效的状态。如果压强温度比响应于气体压强的下降而下降，则轮胎中气体的质量在下降，轮胎状态是泄气状态，处理控制器22实现较短的测量和RF发射间隔。如果压强温度比在压强读数下降时保持恒定，则轮胎状态是在冷却条件下，因为轮胎气体温度在成比例地下降。认定车辆在停泊中，处理控制器22实现较长的测量和RF发射间隔。在压强温度比上升的无效情形下，处理控制器22实现默认的条件，强制进行较短的测量和RF发射间隔，以收集新的信息以判断是什么原因导致气体压强下降而压强温度比上升。

假设最近的轮胎气体压强读数相对于前一次轮胎气体压强读数保持恒定。恒定的气体压强读数会导致压强温度比保持恒定，因为根据理想气体定律，该比不可能上升或者下降。如果压强温度比保持恒定，则认定轮胎处于稳态条件，保持当前的测量和发射间隔。在无效状态下，也保持当前的测量和发射间隔。

假设最近的气体压强读数相对于前一次轮胎气体压强读数上升。该上升导致压强温度比上升或者保持恒定。压强温度比不可能下降，因为根据理想气体定律，这不是一种有效的状态。如果压强温度比上升，则气体质量在增加，轮胎正在充气，处理控制器22实现较短的测量和RF发射间隔。如果在压强读数上升时压强温度比保持恒定，则轮胎状态处于升温条件，因为轮胎气体温度正在成比例上升。因为气体质量是恒定的，认定车辆处于运动中，处理控制器22实现较短的测量和RF发射间隔。在压强温度比下降的无效状态下，处理控制器22实现默认的条件，强制实现较短的测量和RF发射间隔，以收集新的信息以判断是什么因素导致气体压强上升而压强温度比下降。上述无效条件在车辆模块11的实际设计中可能出现，这是由于压强传感器16和温度传感器18对轮胎温度的快速变化的时间响应的差异造成的。

总的来说，该操作产生所关心的条件，在这些条件下车轮模块11应当在更慢或者更频繁的测量和发射之间转换。这些条件可以简化为下列标准：

(1)如果压强上升，在按照较短的间隔开始测量和发射；

(2)如果压强下降且压强温度比不恒定，则按照较短的间隔开始测量和发射；

(3)如果压强下降且压强温度比恒定，则按照较长的间隔开始测量和发射；

(4)如果压强恒定，则保持当前的测量和发射间隔，直到上述三种情况之一发生；以及

(5)如果通过比较压强读数的短期平均值与压强读数的更长期的平均值能够确定比预期更快的压强下降，则按照较短的间隔开始测量和发射。

其它标准因素是要定义压强发生变化的时间间隔。经验数据表明，运动导致的轮胎升温的特征是，在大约5分钟的时间内压强升高10-20kPa，而不管车辆的速度分布如何。由于车辆停泊而导致的轮胎冷却会在大约45分钟内使压强下降10-20kPa。

在运动阶段，压强测量相当频繁，接收器部分12能够通知压强的任何突然的变化。但是，在车辆停泊状态下，压强的突然变化可能在一定时间内不被报告。如果车辆真的是在停泊中，这就不要紧。但是，如果不正确地指示了停泊状态而车辆实际上是在运动中，就会产生问题。这样的情况可能在这样的情形下发生：在行驶时，轮胎会因为车辆进入浸水的路面或者遭遇雨雪而被冷却。还希望使系统10更迅速地进行发射，以在车辆停泊下来一段时间、轮胎已被充气后重置此前的充气不足警报。因此，在停泊或者运动模式下最长的测量间隔需要小于三十秒，以便捕获由于在更短的时间内发生的充气或者泄气而导致的突然变化。

图3所示为一个流程图，图解了不使用内部电机开关或者不用从外部设备发出信号的气胎的热力学运动检测方法。这里所描述的运动检测方法允许系统10及时地检测充气不足的轮胎，因为当气体压强相对于长期平均读数的变化超过20kPa时，能够执行运动检测。可以用传统的移动平均(RA)滤波器来完成所述检测，移动平均滤波将最新的读数添加到所有在前读数的百分数上：

P_k+1＝〔(N-1)(P_k-1)+P_k〕/N                    等式3

其中，P_k-1为在先平均值，P_k为当前压强读数，P_k+1为新平均值，N为移动平均权重。

一般，移动平均滤波器具有等于采样之间的间隔的N倍的时间常数。例如，对于N等于8的值和三十秒的采样时间，时间常数为240秒。使用两个移动平均滤波器，使用N等于8的值可以滤除压强的短期变化，使用N等于128的值可以滤除长期变化。应当理解，可以使用其它的方法来推断运动情况。可以使用任何使用长时段测量或者短时段测量来推断运动情况的时变方法。这样的时变方法例如可以使用不同的求平均技术或者计算时间读数之间的差别。

轮胎/气体系统的行为就好似一个RC网络，因为压强响应于泄气的下降是近乎指数的下降。就像电流流出电容器与电容器电压的下降之间的关联，轮胎的气流速率与轮胎内压差的下降有关。因此，任何给定的泄漏都可以视为具有带特征时间常数的简单指数响应：

P＝(P₀)e^(-t)/TC                                  等式4

其中，P是当前压强值；P₀是初始压强；t是过去的时间；TC是时间常数。

时间常数(TC)是指数等于1、压强值从初始值下降到63.2％时的时间值。

如图3所示，在开始步骤30之后，在步骤32读轮胎气体压强。在步骤34，读轮胎气体温度。使用所述信息，在步骤36计算压强温度比(P/T比)。使用在前的P/T读数，在步骤38计算P/T比长期变化曲线，这将在后面说明。在步骤40，计算滤波后的变化曲线(这将在下面说明)。在步骤42，计算长期变化曲线(这将在下面说明)。在随后的判定步骤46，判断滤波后的变化曲线的值是否大于长期变化曲线。如果判断是否定的，则在步骤48判断滤波后的变化曲线是否小于长期变化曲线。如果判断是否定的，则过程在步骤32重新开始，通过在较长或者较短的测量速率控制时间(measurement rate time)届满之后，在处理控制器22的控制之下读取压强和温度，从而重复上述方法。如果步骤48的判断是肯定的，则在判断步骤50判断压强温度比是否小于P/T长期变化曲线。如果判断是否定的，则在步骤52判定轮胎在冷却中，因此车辆已经停下。在步骤52之后，在步骤54调低测量和发射速率。如果在步骤50的判断是肯定的，则在步骤56判定存在漏气。在步骤56之后，在步骤58提高测量和发射速率。响应于步骤54或者58，执行一个可选的步骤66。在步骤66，修正长期变化曲线的值，使之等于滤波后的变化曲线的当前值。如果实现这种修正的话，对于判断步骤46和48，会提供更为灵敏的分辨率。步骤66之后是返回到步骤32的开始，在较长或者较短的测量速率控制时间(measure rate time)届满之后在处理控制器22的控制之下读取压强和温度，来重复所述方法。如果步骤46的判断是肯定的，则在判断步骤60判断P/T比是否大于P/T长期变化曲线。如果步骤60的判断是肯定的，则在步骤64判定向轮胎充了气，该判断之后，是在步骤58升高测量和发射速率。如果步骤60的判断是否定的，则在步骤62判定轮胎在升温，车辆在运动中。步骤62之后是在步骤58升高测量和发射速率。

为了更好地理解步骤40的滤波后的变化曲线和步骤42的长期变化曲线，可以参见图4。图4的曲线是压强70的初始读数相对于时间从百分之百到百分之零的变化曲线。仅仅为了这里说明的目的，假设所检测到的轮胎压强如图所示随着时间衰减。移动滤波(runningfilter)通过下述方式计算长期变化曲线72：使用等式3的小N值移动平均滤波滤除压强相对于时间的短期变化，使用大N值的移动平均滤波来保持相对于时间的长期值。滤波后的变化曲线74表示压强的被滤除了噪声的短期变化，长期变化曲线72表示用于压强变化分析的基准压强。这样，不需要针对各种轮胎型号和推荐充气水平将具体压强水平编程到或者保持在车轮模块11中。在图4的图解中，两个曲线之间的差随着时间而增加，如“长期”“滤波后”曲线76所示。在图4的例子中，可以建立一个阈值80，判断步骤46和判断步骤48使用该阈值。阈值百分数或者阈值量可以是任何较小的值，比如百分之十、百分之十五、百分之二十等。类似地，P/T比的当前值会具有一种被平均的效果，因为它使用压强滤波后的曲线数据，并可以具有使用另一种大N值移动平均滤波的长期变化曲线。判断步骤50使用检测到的压强和温度以及得到的比和长期变化曲线72来判断是否存在漏气或者车辆是不是只是在冷却，该判断将决定电压管理电路14是提高还是降低测量速率(也就是，车轮模块11是进入低功率电池模式，还是进入正常功率电池模式)。

可以通过改变用在滤波后的变化曲线74和长期变化曲线72中的变量N的值，以及改变所述两个曲线之间的用来进行判断的差的阈值80，可以调节对运动的检测的灵敏度。

因此，可以不使用运动检测开关来实现运动检测。另外，移动平均滤波器使用现有的读数，而不增加可能要消耗电能的额外的数据测量。尽管通过在车辆运动的情况和停泊的情况之间改变测量和发射间隔从而解决电池的电能，但是，并没有因为必需为运动检测装置供电而消耗电池电能。

这里所说明的这种运动推断检测方法的另一个好处是，识别充气不足的轮胎是备用轮胎，还是安装在车辆对象上的上路轮胎。在一个上路轮胎变得充气不足并换上了备用轮胎的情况下，如果运动检测不是被用作与轮胎检测相关的标准的一部分，那么，即使该充气不足的轮胎被收藏在车内，该充气不足的轮胎可能会继续使得警报装置被信息处理电路28激活。许多系统使用针对驾驶者的单个报警灯，因此，报警条件会一直存在，直到对该备用轮胎进行保养维修。但是，使用存在于轮胎检测系统10中的运动检测能力，除了其它数据之外，车轮模块11还能够发送信息，表明车轮模块11已经使用标记位判定其是否在运动中。信息处理电路28能够使用该标记位来根据存在漏气的轮胎判断没有运动，禁用报警条件。因为能够使用这里所说明的方法检测出没有运动，可以区分有问题的备用轮胎和正在车上上路使用的有问题的轮胎。

从上面可以清楚地了解，提供了一种轮胎检测系统，其通过进行运动推断检测来进行电源管理，以通过改变操作间隔来降低电池消耗。所述运动推断方法是基于压强随运动而上升，扩展测量间隔，以及使用移动平均漏气检测方法来在需要时用信号通知更快的测量间隔。

对于本领域普通技术人员来说，对于这里的用于说明目的的实施例来说，各种变化和修改都是显而易见的。

例如，可以由RF发射器发射一个独特的轮胎标识符，以便每一个轮胎位置可以具有一个显示结果，取决于所需的寿命和轮胎压强传感器的特点，可以使用不同类型的电池。所述处理控制器22可以用状态机、微控制器、逻辑电路或者它们的组合来实现。处理控制器22可以受RF或者程序控制，从而使得直到接收到预定的信号或者命令指令时才开始轮胎压强的监视。在轮胎内，可以实现车轮模块11的各种物理实现方式和放置方式。车轮模块11可以被实现在用于任何类型的车辆的气胎中，这里，属于“气体”可以是任何类型的气体或者气体成份。在不偏离本发明的实质的前提下，这样的修改和变化都应被包括在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围仅由对所附权利要求的合理解释加以确定。

上面针对具体实施例描述了对问题的解决方案及其优点。但是，所述优点、对问题的解决以及任何可能导致任何优点或者解决方案，或者使这种优点和解决方案更为显著的因素，都不应视为任何或者所有权利要求的关键的、必需的或者基本的特征或者因素。这里所使用的术语“包括”及其任何变化的形式，所要表达的意思是“非排他性的包括”。这样，包括一组元素的工艺、方法、制品或者设备不是只包括这些元素，而是还可以包括没有明确列出的，或者这样的工艺、方法、制品或者设备固有的其它元素。这里所用的术语“一个”，是指一个或者多于一个。这里所用的术语“多个”，是指两个或者多于两个。术语“另一个”是指至少一个或者更多个“第二个”。术语“包括”和/或“具有”是指开放性的“包括”。术语“连接”不一定是指“直接连接”，也不一定是指“机械连接”。

Claims (8)

1.在轮胎压强监视系统中，用于指示轮胎中的气体压强何时低于预定量的电源管理方法，包括：

使用压强传感器检测所述气体压强；

使用温度传感器检测气体温度；

判断所述气体压强相对于时间是否在上升或者下降；

当气体压强相对于时间在上升并且气体压强和气体温度的比相对于时间保持恒定时，确定轮胎在运动，当气体压强相对于时间在下降并且气体压强和气体温度的比保持恒定时，确定轮胎不在运动；以及

当轮胎不在运动时，按照比轮胎运动时更长的测量间隔执行气体压强的检测和气体温度的检测，以节约轮胎压强监视系统的电能。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

根据轮胎压强的变化的长期平均值与使用一个或者多个移动平均滤波器获得的轮胎压强的变化的滤波后的平均值的比较，修改所述测量间隔的持续时间。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

用计算机可执行的指令来实现所述一个或者多个移动平均滤波器。

4.一种轮胎中的轮胎气体压强监视系统，包括：

用于被耦合到为该轮胎压强监视系统供电的电池的输入端；

用于检测该轮胎中的气体压强的压强传感器；

用于检测该轮胎中的气体温度的温度传感器；

控制电路，用于当所述气体压强相对于时间在上升并且气体压强和气体温度的比相对于时间保持恒定时，确定轮胎在运动，当所述气体压强相对于时间在下降并且气体压强和气体温度的比保持恒定时，确定轮胎不在运动，并且电源管理系统按照比轮胎运动时更长的测量间隔为所述压强传感器和所述温度传感器供电，以节约电能；以及

耦合到用于被耦合到所述电池的所述输入端、所述压强传感器和所述温度传感器的电源管理电路，用于按照测量间隔选择性地为所述压强传感器和温度传感器供电，所述测量间隔在所述控制电路确定轮胎在运动时比轮胎不在运动时更短，以节约该系统的电能。

5.如权利要求4所述的轮胎压强监视系统，其中，根据轮胎压强的变化的长期平均值与使用一个或者多个移动平均滤波器获得的轮胎压强变化的滤波后的平均值的比较，所述控制电路控制所述电源管理电路修改所述测量间隔的供电持续时间。

6.如权利要求5所述的轮胎压强监视系统，其中，所述控制电路还包括处理器，该处理器具有存储器，存储器用于存储实现所述一个或者多个移动平均滤波器的软件代码。

7.如权利要求5所述的轮胎压强监视系统，其中，所述控制电路还包括状态机，该状态机具有用于实现所述一个或者多个移动平均滤波器的逻辑代码。

8.如权利要求4所述的轮胎压强监视系统，还包括：

耦合到所述控制电路的发射器，用于发射所述控制电路在检测到低轮胎压强时提供的报警信号；

位于所述轮胎外部，用于接收所述报警信号的接收器；

耦合到所述接收器，位于所述轮胎外部的处理电路，该处理电路缓存所述报警信号；以及

耦合到所述处理电路的显示器，用于对报警信号的激活提供可视或者可听的指示。

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