商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)測試評價方法研究

孫勇 郭魁元 許志光

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 前言

商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(Electronic Stability Control，ESC)是在制動防抱死系統(tǒng)(Anti-lock Braking System，ABS)、電子制動系統(tǒng)(Electronic Braking System，EBS)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型主動安全控制系統(tǒng)，在降低商用車道路交通事故和提高車輛穩(wěn)定性上發(fā)揮了重要作用[1～3]，因此部分國家地區(qū)已開始要求商用車輛強制裝配ESC系統(tǒng)。自2017年8月起，美國要求所有重型卡車和大客車必須裝配ESC系統(tǒng)，歐盟要求從2014年11月起新生產(chǎn)的所有輕型商用車必須強制配置ESC系統(tǒng)。

目前，市場上面向商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的產(chǎn)品主要由主動安全供應(yīng)商威伯科（WABCO）、克諾爾（KNORR）公司推出，而國內(nèi)具備自主知識產(chǎn)權(quán)的商用車ESC產(chǎn)品還沒有裝配在車輛上[4，5]。在ESC標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)方面，歐盟ECE R13和美國NHTSA FMVSS136法規(guī)規(guī)定了商用車ESC系統(tǒng)的性能以及相關(guān)測試方法等，但是兩者在車型適用范圍、測試方法、性能評價指標(biāo)等方面存在較大差異，商用車ESC系統(tǒng)的測試還沒有形成統(tǒng)一有效的評價方法。

本文分析了ECER13法規(guī)和FMVSS 136法規(guī)針對ESC測試評價的差異，探討了ISO商用車操縱穩(wěn)定性評價方法在ESC功能測試評價上的適用性，并依據(jù)ECE R13法規(guī)，通過實車道路試驗測試了ESC系統(tǒng)的方向穩(wěn)定性控制功能，為制定統(tǒng)一有效的商用車ESC系統(tǒng)測試方法、評價指標(biāo)提供支持。

2 商用車ESC控制原理

相關(guān)研究表明，商用車因質(zhì)心較高使其側(cè)傾穩(wěn)定性較低而易發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)[6]?；诳v向力和側(cè)向力耦合關(guān)系以及輪胎側(cè)偏特性理論[7]，當(dāng)商用車輪胎特性處于非線性區(qū)時，若前軸側(cè)向力先達到附著極限（飽和)，則車輛產(chǎn)生側(cè)滑（Plow out）；若后軸側(cè)向力先達到附著極限（飽和），則車輛出現(xiàn)甩尾（Spin out），進而導(dǎo)致車輛橫擺失穩(wěn)。常見的失穩(wěn)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 車輛失穩(wěn)狀態(tài)示意

針對不同的失穩(wěn)狀態(tài)，商用車ESC系統(tǒng)通常具有防側(cè)翻穩(wěn)定性控制（Roll Stability Control,RSC）和方向穩(wěn)定性控制（Directional Stability Control,DSC）兩個功能。RSC系統(tǒng)主要應(yīng)用于高附著系數(shù)路面，當(dāng)車輛側(cè)向加速度達到臨界點時，RSC系統(tǒng)通過限制或降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出，或?qū)ο鄳?yīng)車輪進行主動制動，使車輛減速達到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)橫擺角速度或質(zhì)心側(cè)偏角超出穩(wěn)定性區(qū)域邊界時，DSC系統(tǒng)通過限制或降低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出，或?qū)ο鄳?yīng)車輪進行主動制動[9，10]來保持車輛的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 商用車ESC測試評價標(biāo)準(zhǔn)和方法

3.1 法規(guī)ECE R13的ESC測試評價

歐盟在商用車制動法規(guī)ECER13《關(guān)于M、N、O類機動車制動的統(tǒng)一規(guī)定》附件21中對裝有ESC系統(tǒng)的車輛進行了特殊要求。

3.1.1 法規(guī)ECER13適用車型范圍

法規(guī)ECER13適用車型范圍如表1所示。

表1 法規(guī)ECER13適用車型范圍

3.1.2 試驗工況

法規(guī)ECER13對商用車ESC系統(tǒng)的功能要求為：對于方向控制，應(yīng)能自動控制同一車軸或同一軸組上的左右車輪速度，此功能通過車輛實際運行狀況與車輛駕駛意圖的比較評價(對于掛車，通過掛車實際運行狀況與牽引車狀態(tài)意圖下的車輛行為進行比較評價)進行選擇制動來實現(xiàn)；對于側(cè)翻控制，應(yīng)能自動控制同一車軸或同一軸組上至少兩個車輪速度，此功能通過對車輛可能導(dǎo)致側(cè)翻的實際運行狀況的評價進行選擇制動或自動控制制動來實現(xiàn)?；谏鲜龉δ芤?，法規(guī)ECER13中給出了驗證ESC功能的試驗工況，如表2所列。

表2 法規(guī)ECER13驗證ESC功能的試驗工況

3.1.3 測試方法及評價指標(biāo)

法規(guī)ECER13針對方向控制和側(cè)翻控制分別規(guī)定了相應(yīng)的測試工況，但并未給出每個試驗工況的具體測試方法，具體測試方法由認證機構(gòu)與廠家協(xié)調(diào)決定。法規(guī)ECER13提及當(dāng)所選工況并未引起方向穩(wěn)定性喪失或側(cè)翻發(fā)生時，車輛生產(chǎn)廠家應(yīng)與認證機構(gòu)協(xié)商將其作為適當(dāng)?shù)膫溥x工況參與驗證試驗。

法規(guī)ECER13附錄中規(guī)定，可以利用仿真方法對M、N、O類動力傳動車輛及掛車的方向控制和側(cè)翻控制的有效性進行驗證，以減少試驗樣車的實際測試數(shù)量，降低相應(yīng)的測試成本。這種測試評價方法需要通過仿真測試與實車測試的高精度驗證，同時仿真工具需要通過相關(guān)認證機構(gòu)的授權(quán)認可。

在統(tǒng)一的商用車ESC測試方法確定前，具體的認證評價測試由相關(guān)的認證機構(gòu)和生產(chǎn)廠商進行一致確認。目前評價指標(biāo)規(guī)定如下：在相應(yīng)的試驗工況下，車輛發(fā)出降低車速的制動信號或發(fā)動機限制（或降低）輸出轉(zhuǎn)矩的信號，并且車輛能夠保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，即可認為ESC性能滿足ECER13標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 FMVSSNo.136法規(guī)ESC測試評價

美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）推出了FMVSSNo.136《重型車輛電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)》法規(guī)，此法規(guī)針對側(cè)翻穩(wěn)定性控制功能給出了具體的測試方法和評價指標(biāo)，但對于方向穩(wěn)定性的控制功能并未給出測試方法和評價指標(biāo)。

3.2.1 FMVSSNo.136法規(guī)適用車型范圍

FMVSSNo.136法規(guī)適用車型范圍如表3所列。

表3 FMVSSNo.136法規(guī)適用車型范圍

3.2.2 試驗工況及測試方法

3.2.2.1 試驗工況

法規(guī)FMVSSNo.136采用J-Turn試驗作為測試ESC防側(cè)翻控制的試驗工況，J-Turn是一個路徑跟隨工況（path followingmaneuver），車輛先以一定速度直線行駛，再切線進入定半徑圓周曲線路徑，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角由駕駛員根據(jù)對固定路徑的保持跟隨而進行動態(tài)調(diào)節(jié)或修正，J-Turn試驗路徑如圖2所示。

圖2 J-Turn試驗路徑

3.2.2.2 測試方法

測試時，駕駛員駕駛車輛以某一速度進入試驗路徑，保持車速并操作轉(zhuǎn)向盤跟隨固定路徑。車輛進入試驗路徑的初速度為32 km/h，以1.6 km/h的幅度逐漸增加車速并重復(fù)進行試驗，直至車輛在某一速度下ESC行車制動功能被激活，在此期間駕駛員不得有行車制動或發(fā)動機排氣制動等操作，此時的速度稱為初始參考速度Vref-1。

對于氣壓制動系統(tǒng)車輛，ESC行車制動功能被激活時，制動系統(tǒng)氣壓應(yīng)至少達到34 kPa，并維持時間不小于0.5 s；對于液壓制動系統(tǒng)車輛，ESC行車制動功能被激活時，制動系統(tǒng)液壓應(yīng)至少達到172 kPa，并維持時間不少于0.5 s。

當(dāng)在某一初始參考速度Vref-1下進行順時針和逆時針試驗時，每個方向的4次試驗中不低于2次試驗可以激活ESC功能，則認定該速度為試驗參考速度Vref-2，否則以1.6 km/h幅度增加初始參考速度并重復(fù)試驗。

駕駛員以試驗參考速度Vref-2進入試驗路徑時，立即將油門踏板踩到底，操作轉(zhuǎn)向盤對固定路徑的保持跟隨，ESC被激活后將對發(fā)動機降轉(zhuǎn)矩，測試發(fā)動機轉(zhuǎn)矩相對駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的降低幅值，然后將車輛進入試驗路徑的速度提高到Vtest，Vtest應(yīng)滿足Vtest=1.3Vref-2，且Vtest≥48 km/h。

通過初始位置后,駕駛員立即將油門踏板踩到底，操作轉(zhuǎn)向盤保持對固定路徑的跟隨，ESC被激活后采取行車制動降低車速，測試ESC的防側(cè)翻拉制能力。當(dāng)完成一個系列的上述試驗（包括順時針和逆時針試驗）時，車輛的ESC功能應(yīng)被激活并滿足相應(yīng)性能要求及評價指標(biāo)。

3.2.3 性能要求及評價指標(biāo)

FMVSSNo.136法規(guī)規(guī)定ESC功能應(yīng)滿足以下4個方面的性能要求及評價指標(biāo)。

3.2.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)特性

在連續(xù)8次測試（順時針4次，逆時針4次）中，應(yīng)至少有6次（單方向不少于2次）測試時車輪保持在規(guī)定的初始位置與結(jié)束位置的120°范圍的路徑內(nèi)。車輛進入試驗路徑的試驗速度Vtest應(yīng)不小于48 km/h。

3.2.3.2 發(fā)動機降轉(zhuǎn)矩能力

車輛通過測試路徑初始位置后1.5 s開始到測試路徑結(jié)束這段時間內(nèi)，ESC系統(tǒng)應(yīng)能至少持續(xù)工作0.5 s，以保證減少不低于10%的駕駛員需求發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。

3.2.3.3 側(cè)翻穩(wěn)定控制性能

法規(guī)要求測試滿足以下性能要求：

a.車輛通過初始位置點后的第3.0 s時測得的車速不應(yīng)超過47 km/h；

b.車輛通過初始位置點后的第4.0 s時測得的車速不應(yīng)超過45 km/h；

3.2.3.4 ESC故障檢測能力

每輛車必須在駕駛員易于觀察的位置配備指示器，當(dāng)ESC出現(xiàn)故障時該指示器應(yīng)處于激活狀態(tài)。

3.3 基于ISO商用車標(biāo)準(zhǔn)的ESC測試評價

法規(guī)ECER13中所列出的ESC功能測試工況是基于ISO商用車標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的。在ISO商用車標(biāo)準(zhǔn)中，與商用車操縱穩(wěn)定性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO11026：2010、ISO14792：2011、ISO14793：2011和 ISO3888—1:1999等，為此，基于以上標(biāo)準(zhǔn)測試工況的評價方法進行分析[11～14]。

a.ISO11026:2010《重型商用車和公共汽車側(cè)傾穩(wěn)定性閉合曲線試驗方法》是為了確定側(cè)傾穩(wěn)定性的控制效果。車輛以恒定縱向速度沿曲率不斷增加的閉合曲線路徑行駛，閉合曲線路徑通過側(cè)向加速度的變化率和縱向行駛車速來確定，同時路徑曲率應(yīng)能保證車輛側(cè)向加速度超出穩(wěn)態(tài)側(cè)傾閥值的50%。

b.ISO14792:2011《重型商用車和公共汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗方法》主要是測試車輛左轉(zhuǎn)向與右轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，試驗方法分為定圓周（固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角）連續(xù)加速試驗和定車速連續(xù)增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角試驗。

c.ISO14793:2011《重型商用車和公共汽車側(cè)向瞬時響應(yīng)試驗方法》的測試目標(biāo)是確定線性區(qū)行為和非線性區(qū)行為的車輛瞬時響應(yīng)特性，其中線性區(qū)特性基于頻域內(nèi)隨機輸入、脈沖輸入、連續(xù)正弦輸入試驗進行測試;非線性區(qū)特性基于時域內(nèi)階躍輸入、單周期的正弦輸入試驗進行測試。

d.ISO3888—1:1999《車道急劇改變操縱用試驗車道：雙移線變道》作為一項適用輕型汽車的閉環(huán)測試方法，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后可用于商用車輛以及客車的測試評價，其主要用于測試車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性和方向控制穩(wěn)定性。

上述基本試驗方法通過對功能適當(dāng)調(diào)整后可用于商用車ESC的方向穩(wěn)定性和側(cè)翻穩(wěn)定性的測試評價，測試工況及評價指標(biāo)[15，16]如表4所示。

表4 基于ISO標(biāo)準(zhǔn)的ESC功能測試工況及評價指標(biāo)

4 ESC實車道路測試

為測試我國商用車ESC的穩(wěn)定性控制功能是否滿足ECER13的法規(guī)要求，依據(jù)ECER13的試驗工況（高附著到低附著路面變道試驗），選用國產(chǎn)某牽引列車進行ESC實車道路測試。因ECE R13法規(guī)中并未對車輛測試時的載荷狀態(tài)作出規(guī)定，一般認為在法規(guī)認證時選擇任何一種載荷狀態(tài)都可以，故該測試選擇在車輛空載狀態(tài)下進行，所選牽引列車樣車主要技術(shù)參數(shù)如表5所列。

表5 國產(chǎn)某牽引列車樣車主要技術(shù)參數(shù)

4.1 ESC防側(cè)翻支架

重型商用車的ESC功能驗證試驗危險性較高，為此設(shè)計了一種可適用于多種車型的防側(cè)翻支架[17]，如圖3所示。

圖3 汽車試驗用防側(cè)翻支架

4.2 ESC方向控制功能驗證

ESC方向控制功能驗證選用高附著路面到低附著路面的變道試驗路徑進行，該工況模擬在一定速度下因躲避障礙而引起的方向失穩(wěn)，要求在一定長度L范圍內(nèi)完成變道操作。在整個試驗過程中，駕駛員盡量保持油門踏板的位置不變，完成變道后，駕駛員可根據(jù)車輛實際運行狀況施加轉(zhuǎn)向盤修正動作，但必須保持車輛在相應(yīng)寬度B的車道范圍內(nèi)，試驗路徑如圖4所示。圖4中，高附著路面的路面附著系數(shù)μhigh≥0.7，低附著路面的路面附著系數(shù)μlow≤0.3，B≥4m，L≈車速/3.6（估計值）。在黑龍江北安冬季汽車測試場進行了ESC方向控制功能道路試驗，試驗選用了高附著瀝青路面（μ≈0.8）到低附著壓實冰雪路面（（μ≈0.2）的變道路徑。

圖4 高附著路面到低附著路面變道試驗路徑

圖5為ESC方向控制功能測試結(jié)果。由圖5可看出，在由高附著路面向低附著路面變道過程中，列車前半部分先進入低附著路面，列車后半部分位于高附著路面，由于列車以50 km/h的較高速度進行轉(zhuǎn)向變道，列車前、后軸的輪胎所受側(cè)向力不同，出現(xiàn)橫擺方向失穩(wěn)，此時ESC系統(tǒng)立刻啟動對牽引車以及掛車相應(yīng)車輪施加主動制動，保證了列車穩(wěn)定，此時相應(yīng)車輪的制動氣壓最高達0.1MPa。

在試驗中，列車在低附著路面上出現(xiàn)明顯的不足轉(zhuǎn)向，這是因為駕駛員緊急操縱轉(zhuǎn)向盤以維持列車在低附著路面上沿道路方向行駛時，由于橫擺角速度滯后于駕駛員對轉(zhuǎn)向盤的操縱，這種滯后特性使車輛在轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生較大的橫擺力矩，作用一段時間后產(chǎn)生很大的質(zhì)心側(cè)偏角，從而引發(fā)失穩(wěn)[18]。此時ESC系統(tǒng)識別到潛在危險后立刻啟動對相應(yīng)車輪以及掛車車輪的主動制動，一方面可以降低列車車速，另外一方面不同車輪上的制動力可形成對不足轉(zhuǎn)向的抑制力矩，此時牽引車的車輪制動氣壓最高達0.35MPa，掛車車輪制動氣壓達到0.15 MPa，以此來保證牽引列車的方向穩(wěn)定性。

在此試驗工況中，車輛的車速因主動制動而逐漸降低，不穩(wěn)定狀態(tài)得到了控制，車輛保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，ESC性能滿足法規(guī)ECER13要求。

圖5 ESC方向控制功能測試結(jié)果

5 商用車ESC的測試評價發(fā)展趨勢

美國NHTSA推出的適用于評價商用車ESC系統(tǒng)的FMVSS 136法規(guī)只規(guī)定了防側(cè)翻穩(wěn)定控制性能的測試方法以及評價指標(biāo)，其選用的J-turn工況可減輕企業(yè)的檢測成本和避免場地條件的限制，并且可較好地體現(xiàn)車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性狀態(tài)，相對容易操作，但并未列出方向穩(wěn)定性的測試評價方法以及評價指標(biāo)。

歐洲ECER13法規(guī)雖然對ESC系統(tǒng)評價規(guī)定了相關(guān)的試驗工況，但并未給出具體的測試方法以及評價指標(biāo)；ISO商用車操縱穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)具體測試情況適當(dāng)調(diào)整即可用于ESC系統(tǒng)的評價，但與ECER13法規(guī)存在類似問題，詳細的測試方法以及具體的評價指標(biāo)需要繼續(xù)研究。同時ECER13法規(guī)支持采用仿真認證的方法對ESC系統(tǒng)進行評價，可降低研發(fā)測試、車型匹配以及型式認證的成本，模型平臺和仿真工具、環(huán)境的搭建以及有效性的驗證需進一步深入研究，國外研究機構(gòu)已逐漸開展相關(guān)工作[19，20]。

商用車ESC控制技術(shù)在我國發(fā)展剛剛起步，目前還未有自主研發(fā)且成熟、市場化產(chǎn)品推出，但是萬安科技、集瑞重工、清華大學(xué)已經(jīng)開始著手開發(fā)商用車ESC系統(tǒng)。全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會已經(jīng)啟動商用車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)性能要求和試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)立項研究工作。

基于我國特殊復(fù)雜的交通運輸、道路環(huán)境等因素，且國內(nèi)商用車ESC的測試評價處于起步研究階段，可優(yōu)先考慮參考ECER13的測試評價方法，隨著研究的推進以及技術(shù)發(fā)展，定量化的評價指標(biāo)是未來商用車測試評價的必然要求。

從各國ESC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展來看，商用車ESC系統(tǒng)的試驗方法以及評價指標(biāo)在不同的法規(guī)中有不同的規(guī)定，商用車ESC測試評價還未有效統(tǒng)一，研究不同法規(guī)不同試驗工況的異同，并提出詳細具體的測試規(guī)程以及評價指標(biāo)是需要重點關(guān)注的問題。

[1]Detlev Neuhaus,Jens Willms.Vehicle Dynamics —Continuous Improvements in Vehicle Safety from ABS to Electronic Stability Control.SAEPaper No.2005-26-065.

[2]John Woodrooffe,Daniel Blower,Paul E.Green.Safety Performance and Benefits of Heavy Truck Stability Control:Providing Insight into Compliance Evaluation.SAE Paper No.2012-01-1906.

[3]Federal motor vehicle safety standard:FMVSS 136,Electronic Stability Control Systems for Heavy Vehicles,Preliminary Regulatory ImpactAnalysis(PRIA),May 2012.

[4]劉兆勇，商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)初步研究：[學(xué)位論文].上海：同濟大學(xué)，2007.

[5]羅文發(fā)，吳光強，鄭松林.商用車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].汽車技術(shù)，2012（4）：6～12.

[6]Chris Winkler,UMTRI Research Review.University of Michigan Transportation Research Institute,2000,31(4)：1～20.

[7]Gillespie TD著,趙六奇,金達鋒,譯.車輛動力學(xué)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[8]彭濤.半掛汽車列車非線性穩(wěn)定性控制研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2012.

[9]Economic commission for Europe regulation:ECE R13 Rev.8,Uniform provisions concerning the approval of vehicles of categories M,N and O with regard to braking,2014.

[10]Federal motor vehicle safety standard:FMVSS 136,Electronic Stability Control Systems for Heavy Vehicles,FinalRule,DocketNo.NHTSA-2015-0056.

[11]ISO 11026:2010.Heavy commercial vehicles and buses—Testmethod for rollstability—Closing-curve test.

[12]ISO 14792:2011.Road vehicles—Heavy commercial vehiclesand buses—Steady-state circular tests.

[13]ISO 14793:2011.Road vehicles—Heavy commercial vehicles and buses—Lateral transient response test methods.

[14]ISO 3888-1:1999.Road vehicles—Passenger cars— Test track for a severe lane changemaneuver—Part 1:Double lane change.

[15]朱紅巖，游國平.商用車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)測試技術(shù)[J].客車技術(shù)與研究，2012（6）：48～52.

[16]DAIMLER, Test Procedures for ESP evaluation,Sindelfingen,2014.

[17]高明秋,郭魁元,許志光,徐軍輝.汽車試驗用防側(cè)翻支架.中國專利，201120490407.9.2012-08-08.

[18]丁海濤，輪胎附著極限下汽車穩(wěn)定性控制的仿真研究：[學(xué)1位論文].長春：吉林大學(xué)，2003.

[19]Jiri Horak,Stefan Pfitzer,Michael Kecheisen etc..Simulation-Based Homologation of Truck ESC Systems,21st Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2012,p.1621—1633.

[20]KarlMichael Hahn,Henning Holzmann,Florian Weyer etc.Simulation-based Certification of ESC Systems for Passenger Vehicles in Europe.SAE 2012-01-0235.