商用車電子穩(wěn)定系統(tǒng)研發(fā)及運(yùn)用研究

陳海淼

（浙江正飛科技有限公司，浙江 紹興 312366）

前言

隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車行駛速度不斷加快，道路行車密度不斷增大。在行駛過程中，因外界干擾，駕駛員在緊急狀況下采取一些避讓措施，但由于商用車重心高、重量大，往往致汽車進(jìn)入不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，即出現(xiàn)車輛折疊或完全滑出跑道等危險狀態(tài)，極易引起交通事故。根據(jù)AUDI公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在所有發(fā)生的交通事故中，車速在80km/h到100km/h中有40%的交通事故與車輛失去穩(wěn)定性有關(guān)，車速越高，比例越大。如何提高商用車制動穩(wěn)定性、安全性和高效性正在成為公眾和行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。與此相應(yīng)，能夠有效提升商用車安全和效率的控制技術(shù)和產(chǎn)品陸續(xù)被研發(fā)出來，如防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動防滑系統(tǒng)（ASR）、電控制動系統(tǒng)（EBS）、電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC）等。

1 電子穩(wěn)定系統(tǒng)定義及組成

商用車電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC（Electronic Stability Control）是電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)和行駛安全性補(bǔ)充系統(tǒng)，幫助避免發(fā)生危險。在快速轉(zhuǎn)彎或變道時，通過車身傳感器測量車身的實際狀態(tài)（如偏移量，滑移量），控制車輪制動器或控制發(fā)動機(jī)扭矩，補(bǔ)償車輛的穩(wěn)定性。當(dāng)車輛處于極不穩(wěn)定狀況時，ESC系統(tǒng)自動起作用。

ESC系統(tǒng)由電子控制單元模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和傳感器模塊三大主要部分組成，ESC系統(tǒng)整車布置如圖1所示。

圖1 ESC 系統(tǒng)整車布置圖

1.1 電子控制單元

電子控制單元（ECU）通過 CAN接口與傳感器連接起來，接收處理傳理感器信號、識別駕駛員的駕駛意圖、控制和監(jiān)視整個制動系統(tǒng)。ECU通過制動信號發(fā)送器接收到的信號和外部減速需求確定車輛減速，通過速度輪數(shù)傳感器測量的減速作為控制系統(tǒng)輸入信號，通過壓力傳感器測得壓力計算前后橋閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)制動力，產(chǎn)生相應(yīng)的制動減速度。其他汽車部件如發(fā)動機(jī)ECU，傳動軸ECU 可以通過SAEJ1939定義地址來實現(xiàn)CAN 通訊。

ECU模塊應(yīng)安裝在車輛重心附近。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

前后橋閥自帶控制模塊，其中前橋閥采用修正的獨(dú)立控制，控制前橋左右輪制動壓力；后橋閥控制模塊與ECU連接，共同控制后橋左右輪的制動壓力。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到車輛有側(cè)傾或轉(zhuǎn)向不足、過度的危險時，ESC系統(tǒng)通過前后橋閥模塊對相應(yīng)的車輪進(jìn)行制動，改變車輛的制動力、驅(qū)動力、側(cè)向力，保證車輛具有穩(wěn)定的行駛狀態(tài)。

1.3 轉(zhuǎn)向角傳感器

轉(zhuǎn)向角傳感器用來檢測方向盤的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向方向。轉(zhuǎn)向角傳感器會根據(jù)已知的轉(zhuǎn)向傳動比，換算成車輪轉(zhuǎn)向角,為ESC系統(tǒng)提供絕對的轉(zhuǎn)向角度。

轉(zhuǎn)向角傳感器需做防水防塵處理，應(yīng)安裝在方向盤下面。

1.4 橫擺角速度/橫向加速度傳感器

橫擺角速度/橫向加速度傳感器用于監(jiān)測商用車質(zhì)心處的橫向加速度，判斷車輛是否處于側(cè)翻等不穩(wěn)定狀態(tài)，提前采取預(yù)防側(cè)翻的措施。

橫擺角速度/橫向加速度傳感器應(yīng)安裝在車架質(zhì)心附近。

1.5 壓力傳感器

壓力傳感器用于監(jiān)測控制管道的制動壓力大小，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給 ECU并計算出作用在車輪上的制動力和整車的縱向力大小。

1.6 輪速傳感器

ESC 系統(tǒng)使用輪速傳感器獲取車輛速度。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時，電磁式/數(shù)字式輪速傳感器輸出前后軸相應(yīng)的脈沖信號，ECU通過脈沖數(shù)計算當(dāng)前的車速。當(dāng)兩軸的車速不同，滑差不同時，ESC系統(tǒng)應(yīng)用滑移控制調(diào)節(jié)每個軸上的動力以獲得最佳制動力分布。

2 電子穩(wěn)定系統(tǒng)工作原理

商用車電子控制單元通過傳感器和運(yùn)算邏輯來識別駕駛員期望的車輛運(yùn)動狀態(tài)，同時測量和估計出車輛的實際運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)車輛的行駛軌跡與駕駛員輸入不統(tǒng)一時，ESC系統(tǒng)通過智能化的電子控制方案找出汽車行駛狀態(tài)不穩(wěn)定的具體原因。在極短時間內(nèi)，按一定的控制邏輯對車輪的縱向力大小進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)，使車輛穩(wěn)定減速，保證車輛安全，阻止?jié)撛诘奈ｋU情況的發(fā)生。

為計算駕駛員期待的車輛行駛狀態(tài)，電子控制單元依靠簡化的物理——數(shù)字模型（單車轍車輛模型），獲得牽引車的設(shè)定橫擺速度，在車輛裝配最后，或在車輛行駛中利用專門的匹配算法（如卡爾曼濾波器或最小二乘法遞歸評估器）將車輛特征相適應(yīng)的參數(shù)（特征車輛速度、橋距和轉(zhuǎn)向傳動比）輸入到技術(shù)模型中。由于商用車的各種變形車和裝載的變化遠(yuǎn)大于轎車的各種變形車和裝載的變化，在線匹配車輛參數(shù)顯得特別重要。同時，ESC 系統(tǒng)可從可用的測量參數(shù)：橫擺率、橫向加速度和車輪轉(zhuǎn)速獲得當(dāng)前車輛的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)前的汽車運(yùn)動和由駕駛員期待的運(yùn)動明顯偏差導(dǎo)致控制誤差?？刂普`差由ECU本身的誤差轉(zhuǎn)換為修正的設(shè)定橫擺力矩。商用車設(shè)定橫擺力矩大小除了與調(diào)節(jié)誤差有關(guān)外，還與當(dāng)前的汽車配置（車橋距離、車橋數(shù)、有沒有掛車等）和載荷狀況（重量、在縱向方向的重心位置）有關(guān)。ESC系統(tǒng)要連續(xù)適應(yīng)這些動態(tài)變化的參數(shù)，通過估算算法，得到載荷狀況。估算算法可以從發(fā)動機(jī)控制信號（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩）和車輛的縱向運(yùn)動（車輪轉(zhuǎn)速）而不斷識別當(dāng)前車輛質(zhì)量。

3 電子穩(wěn)定系統(tǒng)工作過程

3.1 躲避前方突然出現(xiàn)的障礙物

圖2 ESC對車輛運(yùn)動的控制效應(yīng)圖

圖2是配備ESC系統(tǒng)和未配備ESC系統(tǒng)的兩車在避讓障礙物時行駛動力學(xué)比較。車輛在行駛過程中避讓前方突然出現(xiàn)的障礙物而突然變道時，駕駛員試圖緊急制動，猛打方向盤，車輛會有轉(zhuǎn)向不足傾向，即車輛不再跟隨駕駛員期望的行駛方向。ESC系統(tǒng)識別出汽車不穩(wěn)定的行駛趨勢，自動介入油門與制動的操作，控制發(fā)動機(jī)功率輸出，增加左后輪制動壓力，使作用在車輛上的橫擺力矩發(fā)生變化，修正車輛的動態(tài)。在恢復(fù)到原行駛路線時，車輛又會有轉(zhuǎn)向過度的傾向，ESC系統(tǒng)通過在左前輪施加制動力保證車輛穩(wěn)定，順利通過障礙物。

3.2 轉(zhuǎn)向不足或過度

汽車在轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)向角傳感器檢測預(yù)定行駛方向，橫擺角速度/橫向加速度傳感器檢測轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的橫向加速度，ESC系統(tǒng)接收信號后對比分析計算兩者航偏力矩，當(dāng)兩者出現(xiàn)偏差，如拐彎不足時（如圖3所示），ESC系統(tǒng)對汽車的每個輪子施加一個合適制動力，并對后內(nèi)輪額外施加一個制動力，汽車會產(chǎn)生一個橫擺回正力矩，作用在此車輪上的側(cè)向力也相應(yīng)減小，產(chǎn)生另一個橫擺回正力矩，汽車在兩個回正力矩的作用下回到駕駛員所期望的軌道上來。此外，ESC系統(tǒng)減小發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，汽車作減速運(yùn)動，此時前軸的法向力和側(cè)向力增大，后軸的法向力和側(cè)向力減小，加劇汽車的橫擺運(yùn)動，使汽車的實際運(yùn)動狀態(tài)更接近駕駛員的期望值，提高了汽車的方向穩(wěn)定性。

當(dāng)汽車出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度時，通過上述方法，對外弧線前部車輪施加相應(yīng)的制動，對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)施加控制，阻止車輛向內(nèi)滑移，轉(zhuǎn)向過度的實例見圖3。

4 電子穩(wěn)定系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）實時監(jiān)控:ESC系統(tǒng)實時監(jiān)控駕駛員的操作（轉(zhuǎn)向、制動和油門等）、路面信息、汽車運(yùn)動狀態(tài)，并不斷向發(fā)動機(jī)和制動系統(tǒng)發(fā)出指令；

（2）主動干預(yù):ABS／EBS等系統(tǒng)在起作用時，系統(tǒng)對駕駛員的操控起一定干預(yù)作用，但它不能調(diào)控發(fā)動機(jī)，而ESC則是主動調(diào)控發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速并可調(diào)整每個車輪的制動力，以修正汽車的過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足；

（3）事先提醒:ESC系統(tǒng)具有實時警示功能，當(dāng)駕駛者操作不當(dāng)或路面異常時，它會在主動干預(yù)的同時用警告燈警示駕駛者。

5 電子穩(wěn)定系統(tǒng)不足

電子穩(wěn)定系統(tǒng)是車輛新型的主動安全系統(tǒng)，它替駕駛員完成很多不可能的動作，讓車能夠更易于控制。但是任何東西都不是萬能的，ESC系統(tǒng)也逃脫不了物理定律的束縛。當(dāng)車身出現(xiàn)輕微失控時，ESC系統(tǒng)可以通過制動系統(tǒng)修正車身姿態(tài)，但當(dāng)車輛過彎速度太快，輪胎的抓地力抵不過離心力時，再高級的ESC 系統(tǒng)也無法挽回車輛側(cè)翻的結(jié)局。

6 電子穩(wěn)定系統(tǒng)發(fā)展方向

ESC系統(tǒng)通過車載網(wǎng)絡(luò)與其他控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號共享，集成其它先進(jìn)的系統(tǒng)功能，比如ABS系統(tǒng)、ASR系統(tǒng)。在 ESC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，也可以拓展其它的主動安全技術(shù)，如：自適應(yīng)性巡航控制系統(tǒng)（ACC），自動緊急制動系統(tǒng)（AEB），先進(jìn)的駕駛系統(tǒng)(ADAS）等。商用車主動安全技術(shù)未來的發(fā)展趨勢朝著智能網(wǎng)聯(lián)汽車方向發(fā)展，最終實現(xiàn)自動駕駛。

7 結(jié)論

隨著汽車電子制動產(chǎn)品的快速發(fā)展，消費(fèi)者對安全性、舒適性要求的提高及市場的認(rèn)同，ESC市場前景廣闊。而商用車ESC 系統(tǒng)在國外已批量生產(chǎn)，在國內(nèi)尚處于研究階段，要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。但我國也在適應(yīng)時代要求，逐步對ESC 系統(tǒng)提出要求，GB 7258-2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》已經(jīng)將ESC、AEBS等主動安全技術(shù)作為某些商用車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。因此，我國必須抓住市場發(fā)展時機(jī)，用最快的速度研發(fā)、掌握和應(yīng)用ESC技術(shù)。