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1、轮胎RFID电子标签技术及其产业化应 用蒋志强杭州朝阳轮胎有限公司介绍轮胎RFID电子标签技术的发展历史和应用现状以及今后在轮胎行业中的发 展趋势。在对比RFID电子标签目前两种不同应用方式的基础上，认为内置式是 今后轮胎RF1D电子标签技术的发展方向。通过分析当前轮胎RE1D电子标签产业 化应用存在的技术难点，提出了应对措施。关键词：轮胎;RFID电子标签技术;内置式;智能轮胎;蒋志强（1977），男，江苏宜兴人，杭州朝阳轮胎有限公司高级工 程师，主要从事轮胎生产和设备技术管理工作。近年来，随着移动通讯技术的迅猛发展，车联网的建设速度进一步加快。轮胎作 为汽车上最重要的安全部件之一，其运行信
2、息得到了用户和制造厂商的极大关 注，围绕轮胎打造的车联网服务将会成为今后汽车市场发展的新趋势。现代的车联网系统耍求轮胎至少具备两个基本信息:可追溯的身份识别信息和可 存取的动态使用信息。射频识别（RFID, Radio Frequency Identification）电 子标签作为一种非接触式自动识别信息载体，具有体积小、寿命长、容量大和可 以重复使用等特点，植入11丨）电子标签的轮胎不仅具备可追溯的“身份识别” 功能，而且能够监控和记泶轮胎的动态使用信息，使轮胎车联网由概念变为现 实。2016年7月1闩，工信部批准发布了关于轮胎用RFID电子标签的4项行业 标准，这标志着我国在这项技术的产
3、业化进程中迈出了极为重要的一步。但是由 于RFID电子标签在轮胎产业化应用中仍然存在着多项技术难点，因此对于大多 数国内轮胎企业而言，这项技术的产业化进程具有一定的难度。本文介绍轮胎RFID电子标签技术的发展历史、现状及发展方向。1轮胎RFID电子标签技术的发展历史1.1技术起源轮胎“身份识别”技术的发展经历了 3个阶段。第1阶段是“胎侧模压代码”法，即将轮胎的注册商标、规格型号以及关键信息 预先刻制在硫化模具的内腔或镶件上，轮胎硫化后这些信息以“凸”字型显示 在胎侧表面。该方法只能有限地表达“一批”轮胎的身份信息，无法追溯单条轮 胎的准确生产数据，因此己逐步被淘汰。第2阶段是“条形码+胎侧模
4、压代码”法。这是目前W内轮胎企业普遍采用的方 法，即以条形码作为轮胎身份信息和生产过程数据的载体。该方法在一定程度上 能够实现轮胎生产与使用的信息化管理。但条形码的缺陷也显而易见，如数据存 储容量小、只能保存静态数据、需人工扫描读取以及容易磨损或脱落等，因此存 在一定的应用局限性。第3阶段是“RFID电子标签”法。射频识别技术是一种利用射频信号自动识别 目标并获取相关数据的非接触式自动识别技术。由该技术衍生而来的RFID电子 标签不仅可存储标识信息，还具有无线读取功能。与传统条形码相比，RFTD电 子标签具有数据存储容量大、读取距离远、数据读写可加密和使用寿命长等一系 列优点，在轮胎行业的应用
5、前景获得了业内的普遍认可。1.2国内外研究概况虽然RFID技术在机场、物流、身份识别、ETC道路自动收费系统等领域不乏成 功应用的案例，但因在轮胎行业的应用研究起步较晚，至今仍无成功推广的案 例可寻。米其林公司在2004年申请Y项名为“用于轮胎的射频天线及其方 法”的发明专利U1。该专利提供了一种用于嵌入在轮胎橡胶这种具有传导性的 介电材料内的射频天线以及嵌入方法，这种电子装罝能够在轮胎制造、销雋和使 用期间提供轮胎制造信息及轮胎使用过程的温度与压力跟踪数据。该装置由用于 发射、接收以及反射无线电信号的无线电组件和天线组成（如图1所示），可嵌 入轮胎结构中，如胎体帘布与内衬层之间或胎体帘布与胎
6、侧胶之间，也可以贴 片形式粘附在轮胎表面。米其林公司在该项研究中，通过在天线与轮胎本体材料 之间加入1层厚度约为0. 02 mm的绝缘材料来减小天线的射频能量耗散，从而获 得较远的信号读取距离；同时通过优化天线的长度与结构形式如设计成螺旋弹簧 结构，来改善天线的信号传输能力。这项专利技术即为早期的轮胎标签识别技术 的雏形，为后续的轮胎RFID电子标签技术的进一步研宂提供了有益的思路。图1射频天线装罝示意 韩国IDT株式会社2008年申请了 “轮胎内置式RFID标签”的专利位1。该标签 装置由具有重复波纹形状的天线和电路单元组成，如图2所示。其电路单元利用 RFID阅读器传送的无线电波供电工作，
7、天线则包括一对标签辐射器，每个标签 辐射器分成第1区域和第2区域，靠近电路单元的第2区域的波纹密度大于远离 电路单元的第1区域，通过波纹密度之间的差别能灵活地适应于轮胎的弯曲和 扭转。该标签装罝可安装在轮胎的胎肩和三角胶中的任何处，或位于胎侧与内衬 层之间。该专利技术将标签的天线制造成波纹形状，使电路单元和天线的每个连 接区域均具有弹性，在旋转轮胎内变得牢固和可靠，从而降低了由于轮胎的旋 转运动所导致的变形或损坏，提高Y标签的机械可靠性和识别成功率。但是该专 利未能有效解决因其不可弯曲导致电路单元耐久性差的问题。图2轮胎内置式RFID标签示意 青岛高校软控股份有限公司2009年申请了 “RFT
8、D轮胎电子标签及其制造方法” 的专利U1。该电子标签由特殊形状的棊板、贴装在棊板上的射频模块和一对螺 旋状延仲的弹簧天线组成（如阁3所示）。电子标签采用弹簧式天线，可以提高 天线的自身韧性及耐屈挠能力；同时通过特殊的连接结构和一定的加工工艺将基 板、射频模块及天线焊接在一起，可以保证电子标签能够承受轮胎加工及使用过 程中的高温、各种应力及屈挠形变，在轮胎的整个生命周期中不会与轮胎脱层并 确保与外部读写设备正常通讯，这种结构设计使得电子标签的鲁棒性得到提高。图3弹簧式天线的RFID轮胎电子标签示意1 一天线;2基板;3射频模块。近几年，各轮胎巨头纷纷开始研发轮胎RFID电子标签。在轮胎制造商与电
9、子标 签制造商的合作努力下，轮胎RFID电子标签技术日趋成熟，产品的可靠性也得 到大幅度提升。经过实践验证，芯片和螺旋形天线组合的结构形式电子标签在植 入轮胎后具有较为优良的使用性能，获得了轮胎业内的井识。在轮胎RFID电子 标签的行业标准中定义标签的基本结构由射频模块、天线和电子标签基板三部分 组成UL其中对于弹簧天线和基板的基本结构参数也作了推荐。2轮胎RFID电子标签技术简介2. 1应用现状目前RFTD电子标签在轮胎上有两种应用方式，即内置式和粘贴式。内置式是将封装电子标签在轮胎的成型过程中植入到相应的半成品上，并与轮 胎硫化成一体（结构如阁4所示）边1。粘贴式是在轮胎硫化后使用特种粘合
10、剂 将封装电子标签粘贴到靠近轮胎防水线位罝的胎侧外部或相应位罝的内衬层内 表面上（结构如图5所示）4。图5粘贴式封装电子标签结构示意1一粘贴胶片;2封装胶片;3电子标签。无论是内置式还是粘贴式RFID电子标签，在植入轮胎之前，都必须预先将电子 标签封装在两层粘合胶片中间并排除气泡，制成封装电子标签。由于粘贴式 RFID电子标签属于外置式，所采用的封装胶片尺寸要比A置式大。为丫确保粘 贴的可靠性，在封装电子标签的粘贴侧还需耍增加1层专用橡胶制成的粘贴胶 片，其长度与宽度均大于封装胶片，因此用于粘贴式的RFID电子标签整体质量 远大于内置式。电子标签的封装处理最初采用手工操作方式，生产效率低，封装
11、质量不高，无 法满足电子标签产业化应用的需求。近几年，自动化的标签封装设备，如层合机 己经研制成功并逐步开始在一些大型轮胎企业投入使用，使得轮胎KF1D电子标 签的产业化应用成为可能。2.2应用发展方向无论是粘贴式还是内置式，RFTD电子标签本身的数据读写功能是一致的，但是 由于电子标签在轮胎上的安装位置和使用环境不同，其应用的可靠性以及效果 不尽相同，对比分析见表1。和比内罝式RFID电子标签，粘贴式技术实现和对容易，产业化应用难度较小， 但由于粘贴式在轮胎的防伪可靠性方面无法从根木上杜绝轮胎流通环节中的假 冒、贴牌和串货等现象，因此内置式将会是今后轮胎110电子标签技术应用发 展的主要方向
12、。表1粘贴式与内置式RF1D电子标签的应用对比分析下载原表3内置式RFID电子标签产业化应用的主要技术难点及应对措施3.1性能可靠性内罝式RFID电子标签在制造过程中需要承受硫化工序的高温高压环境，在使用 过程中需要承受轮胎的不规则屈挠形变和冲击应力，因此电子标签的射频模块、 天线和基板都需要采用特殊的材料制成，并通过合理的结构设计克服各种因素 的影响。3.2位置合理性RFID电子标签中的天线承担芯片能量转换和信号定向輻射与接收功能。轮胎中 的金属材料，如带朿层钢丝、胎体帘布层钢丝、胎圈钢丝，甚至安装后的轮辋， 均会对RFTD电子标签信号产生明显的影响。试验证明，当RFTD电子标签与金属 材料
13、的距离小于4 mm时，入射到金属材料上的部分电磁波将会被反射，当反射 波与入射波的相位相反时，电磁波能量将被抵消，电子标签就难以获得足够的 射频能量激活标签芯片，天线的功率传输系数也将呈急速递减趋势。因此电子标 签在植入轮胎吋要与金属材料保持一定的距离。电子标签合理的植入位置根据轮胎品种的不同有所区别，对于载重轮胎，植入 位置在胎侧填充胶与上三角胶之间且距离胎体帘布反包端点约10mm处，如图6 所示对于轿车轮胎，植入位置在胎体帘布与三角胶之间并距离轮辋安装外 缘约13mm处，如图7所示5。图6载重轮胎的RFTD电子标签植入位置示意 图7轿车轮胎的RFID电子标签植入位罝示意3.3方向合理性为了
14、论证RFTD电子标签植入轮胎中的方向合理性，刘伟博M采用FRK0软件中 的CADFEK0模块建立标签天线与钢丝帘布的仿真结构模型。通过仿真研究发现， 当标签天线与帘布钢丝平行放置时，标签阅读器读取范围内的标签天线增益为 负值，而当标签天线与帘布钢丝垂直放罝时，天线增益的最大值为1.71 d B， 而天线在自由空间的最大增益为1.91 d B。虽然标签天线在植入含有钢丝帘布 的轮胎时增益会降低10. 5%,但是当标签沿轮胎顺向放置时仍能获得较好的信 号传输效果。因此电子标签在植入轮胎时要确保天线方向与胎体帘线方向垂直， 即与胎圈方向平行。3.4粘合可靠性首先需确保封装电子标签木身的粘合可靠性。电
15、子标签两侧的封装胶片与电子标 签之间应该完全粘合，不能夹有气泡，同时要求具有良好的粘合强度。检验封装电子标签的方法如下：当电子标签喷涂粘合剂与封装胶片贴合后，基板与橡胶的 粘合强度大于25 k N m,天线与橡胶的粘合强度大于1. 1 kN* m-l4o其次需确保封装电子标签在成型工序植入吋能够与相邻部件贴合可靠、不夹气， 不会在硫化工序造成标签部位脱空或在轮胎的使用过程中产生脱层等问题，引 起使用安全隐患。这就需要对RFID电子标签的植入工序制定非常严格的操作规 范和工艺规程，确保封装电子标签植入的质量。3.5读写可靠性除了考虑轮胎中的金属成分对标签信号的干扰之外，还必须充分考虑轮胎中的 炭
16、黑成分对标签信号的影响。虽然天然橡胶的导电性能很弱，但是一旦橡胶中加入了炭黑，则会表现出较强 的导电性。轮胎各部件胶料的导电性能主耍取决于胶料配方中的炭黑用量。无论 是胎体胶、三角胶还是胎侧胶，其配方中的炭黑用量一般可达60份以上，炭黑 用量与胶料的介电常数关系呈正相关。若这些胶料直接与电子标签的天线接触， 则会通过天线的两个馈电点之间产生射频能量损失，从而缩短芯片的读写距离， 降低电子标签读写的可靠性。因此，用于电子标签的封装胶片除了要具有良好的 粘合性能之外，还耍具有一定的绝缘性。封装胶片的胶料配方中要减小炭黑用量, 一般推荐炭黑用量为30份左右。有的轮胎制造商为了进一步提高标签的读写性 能，直接在天线上镀一层用于提高读写距离的绝缘层，以降低与轮胎胶料接触 产生的馈电射频能量损失，从而提高RFID芯片的读写距离
