國產(chǎn)SUV電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)性能測(cè)試研究

牛成勇,徐建勛，游國平，曾 杰，張儀棟

(重慶車輛檢測(cè)研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 重慶 401122)

汽車電子穩(wěn)定性控制(簡稱ESC)是一項(xiàng)輔助駕駛員控制車輛維持穩(wěn)定狀態(tài)的主動(dòng)安全技術(shù)，其通過對(duì)各傳感器實(shí)時(shí)采集的車輛行駛狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析，并向ABS、ASR等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出糾偏指令，對(duì)車身的不穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)矯正以維持車輛動(dòng)態(tài)平衡，有助于防止交通事故的發(fā)生。ESC系統(tǒng)使車輛在各種狀況下保持最佳的穩(wěn)定性，尤其在轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足的情形下效果更加明顯。根據(jù)美國高速公路交通安全局(NHTSA)的不完全估計(jì)，使用 ESC將有效減少59%的SUV 和34%的轎車單車碰撞事故；還可有效地預(yù)防71%的轎車和84%的SUV翻車事故[1-2]。

鑒于ESC控制策略因生產(chǎn)廠家的不同而帶來其系統(tǒng)性能的優(yōu)劣性，故裝備ESC系統(tǒng)的車輛必須滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求的性能試驗(yàn)以確保系統(tǒng)對(duì)車輛在極限工況下出現(xiàn)的因轉(zhuǎn)向過度引起的后軸側(cè)滑(甚至側(cè)翻)、因轉(zhuǎn)向不足導(dǎo)致的前軸側(cè)滑趨勢(shì)有足夠的干預(yù),及時(shí)使車輛進(jìn)入穩(wěn)定工況。與轎車相比，SUV重心較高，靜態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)較低，故在緊急避險(xiǎn)工況下有可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻，這相對(duì)于轎車突遇危險(xiǎn)工況而出現(xiàn)的橫擺甩尾更加危險(xiǎn)、難以控制。因此，對(duì)SUV電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)的避險(xiǎn)性能進(jìn)行研究與測(cè)評(píng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)3款進(jìn)行出口認(rèn)證的國產(chǎn)SUV匹配國外某生產(chǎn)廠家的ESC系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，以期為國內(nèi)汽車ESC系統(tǒng)的研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 ESC系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 ESC系統(tǒng)的組成

一般來講，ESC系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器、人機(jī)交互界面部分組成。

ESC系統(tǒng)的傳感器主要包括轉(zhuǎn)向角度傳感器、側(cè)加速傳感器、輪速傳感器、橫擺率傳感器、制動(dòng)壓力傳感器，其負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集車身狀態(tài)信息，并傳送給ESC控制器[3]。

ESC控制器為ESC電控液壓(氣壓)單元，其將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算得出的車身狀態(tài)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器中預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

ESC的執(zhí)行器主要為ABS(防抱死系統(tǒng))、ASR(牽引力控制系統(tǒng))、BAS(制動(dòng)輔助系統(tǒng))、ETC(電子節(jié)氣門系統(tǒng))。本質(zhì)上，ESC是幫駕駛?cè)瞬戎苿?dòng)。

值得一提的是，ETC和巡航控制系統(tǒng)的功能都包含在發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊中。ESC系統(tǒng)的ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系的ECU通過CAN(Controller Area Network)互聯(lián)，使其能更好地發(fā)揮控制功能。

人機(jī)交互界面通過儀表盤上的ESC燈實(shí)現(xiàn)與駕駛?cè)说臏贤?，如監(jiān)視器/警示燈、ESC開關(guān)等。

1.2 ESC系統(tǒng)的工作原理

ESC控制的基本原理簡圖如圖1所示?？梢钥闯?，ESC系統(tǒng)通過車載傳感器和相關(guān)運(yùn)算邏輯來獲取、辨識(shí)駕駛員對(duì)汽車的期望運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)測(cè)量并估算出汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)“兩種狀態(tài)”之間的控制誤差超過給定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將按照設(shè)定的控制邏輯對(duì)車輪的縱向力和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)以使作用在汽車上的橫擺力矩發(fā)生變化并降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。附加的橫擺力矩迫使汽車作相應(yīng)的橫擺運(yùn)動(dòng)，使得汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更接近于駕駛員對(duì)汽車的期望運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4-6]。

圖1 ESC系統(tǒng)控制策略簡圖Fig.1 The sketch of ESC control strategy

2 國內(nèi)外汽車ESC的測(cè)評(píng)方法

ESC的主要功能是保證車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性和橫擺穩(wěn)定性(即方向穩(wěn)定性)，因此目前主要從這兩個(gè)方面對(duì)ESC性能進(jìn)行測(cè)評(píng)。

總體上來講，國外在ESC測(cè)試評(píng)價(jià)體系建設(shè)方面比較完善，如威伯克和克諾爾公司在其產(chǎn)品開發(fā)當(dāng)中均已形成了較為系統(tǒng)和完善的ESC產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)體系，而國內(nèi)在ESC領(lǐng)域的測(cè)試研究工作起步相對(duì)較晚。在乘用車ESC性能測(cè)試評(píng)價(jià)方面，國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如下：

1)美國：2006年，美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)頒布國際上公認(rèn)的、最早以法規(guī)形式明確輕型車輛ESC安裝與性能要求的FMVSS 126《汽車電子穩(wěn)定性系統(tǒng)》，并附有試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法(正弦停滯測(cè)試)。

2)加拿大：針對(duì)一般的乘用車輛而言, 交通局按照表1的4項(xiàng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)ESC系統(tǒng)的性能。

表1 加拿大交通局ESC測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目

3)中國：首個(gè)ESC國家標(biāo)準(zhǔn)《輕型車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求與試驗(yàn)方法》于2014年發(fā)布，其標(biāo)準(zhǔn)正文內(nèi)容與性能要求完全參照GTR8，但在標(biāo)準(zhǔn)的資料性附錄部分規(guī)定ESC冰雪道路試驗(yàn)要求，彌補(bǔ)了GTR8轉(zhuǎn)向不足評(píng)價(jià)內(nèi)容的缺失。

4)其他國家及機(jī)構(gòu)：歐洲及博世等公司采用“麋鹿測(cè)試”,通過激發(fā)車輛的過度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)來判斷ESC系統(tǒng)對(duì)過多轉(zhuǎn)向的干預(yù)性能。 JNCAP、韓國及其他組織采用GTR 8或北美FMVSS126，使用正弦停滯方法對(duì)電子穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)評(píng)，但沒有驗(yàn)證ESC對(duì)轉(zhuǎn)向不足的評(píng)價(jià)[7]。

3 國產(chǎn)SUV的ESC測(cè)試評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)試方案

根據(jù)ECE R13H法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，將采用正弦停滯試驗(yàn)、利用轉(zhuǎn)向機(jī)器人進(jìn)行方向盤輸入對(duì)ESC的方向穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性能力進(jìn)行準(zhǔn)確、客觀評(píng)價(jià)。

正弦停滯試驗(yàn)方法如下：(1)進(jìn)行制動(dòng)器預(yù)處理及輪胎的充分磨合；(2)進(jìn)行慢增量轉(zhuǎn)向試驗(yàn)以確定基準(zhǔn)方向盤轉(zhuǎn)角，記作“A”(A值為試驗(yàn)車的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度為0.3g時(shí)的方向盤轉(zhuǎn)角)；(3)以車速為 80±2 km/h開始正弦停滯試驗(yàn)，方向盤以如圖2所示的轉(zhuǎn)角輸入，其起始振幅為1.5A，以0.5A的幅度逐次增加，直到正弦曲線的振幅增加到6.5A或270°(兩者取較大值)。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 橫向穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

正弦停滯試驗(yàn)中的橫向穩(wěn)定性的性能標(biāo)準(zhǔn)是在轉(zhuǎn)向動(dòng)作完成后的1 s和1.75 s時(shí)刻的橫擺角速度與試驗(yàn)中方向盤轉(zhuǎn)角方向改變后的橫擺角速度最大值的比值分別不應(yīng)超過35%和20%。圖2所示為試驗(yàn)過程中車輛方向盤轉(zhuǎn)角與橫擺角速度的示意圖。

圖2 方向盤轉(zhuǎn)角與橫擺角速度曲線Fig.2 Curve for steering wheel angle and yaw rate

3.2.2 響應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)(僅限于方向盤轉(zhuǎn)角≥5A的測(cè)試)

響應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)旨在評(píng)價(jià)在ESC系統(tǒng)介入時(shí)，車輛對(duì)駕駛員輸入的響應(yīng)能力。具體而言：在轉(zhuǎn)向起始點(diǎn)后的1.07 s時(shí)刻，對(duì)于設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于3 500 kg的汽車，質(zhì)心相對(duì)于其初始直線行駛軌跡的側(cè)向位移至少為1.52 m；對(duì)于設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過3 500 kg的汽車，質(zhì)心相對(duì)于其初始直線行駛軌跡的側(cè)向位移至少為1.83 m[8-9]。

3.2.3 干預(yù)過度轉(zhuǎn)向性能定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

在正弦停滯試驗(yàn)過程中，ESC系統(tǒng)必須具備防止車輛過度轉(zhuǎn)向或激轉(zhuǎn)的能力[10]。

3.3 測(cè)試設(shè)備設(shè)施及車輛條件

測(cè)試設(shè)備包括英國 ABD SR60 駕駛機(jī)器人(包括轉(zhuǎn)向、制動(dòng)油門組合機(jī)器人)，牛津RT 3002+RT base差分基站，測(cè)試車輛及試驗(yàn)設(shè)備如圖3和圖4所示。

(a)轉(zhuǎn)向機(jī)器人 (b)制動(dòng)油門組合機(jī)器人

(c)高精度陀螺儀 (d)GPS差分基站圖3 ESC測(cè)試設(shè)備Fig.3 Test equipment of ESC

英國ABD轉(zhuǎn)向機(jī)器人和GPS差分定位基站可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)車輛行駛路徑的精準(zhǔn)控制，誤差在0.01～0.02 m。而且，轉(zhuǎn)向機(jī)器人控制精度高，試驗(yàn)重復(fù)性好，解放了駕駛員的部分工作，提高了試驗(yàn)的安全性和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。制動(dòng)油門組合機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛車速的準(zhǔn)確控制，誤差在0.1 km/h。

由于SUV重心較高，經(jīng)計(jì)算，靜態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)均低于1.25，故需安裝輕型防翻架以防止正弦停滯試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定危險(xiǎn)狀況。本次試驗(yàn)采用的是進(jìn)口的、鈦合金材料的防翻架，其重量、強(qiáng)度滿足法規(guī)要求。

測(cè)試車輛重要參數(shù)信息見表2(備注：整車參數(shù)均為實(shí)測(cè)值，并非法規(guī)公告值)。

圖4 測(cè)試車輛Fig.4 Test vehicles

表2 測(cè)試車輛重要參數(shù)信息

3.4 正弦停滯測(cè)試結(jié)果及分析

按照ECE R13H法規(guī)要求，進(jìn)行ESC正弦停滯試驗(yàn)，以5A測(cè)試結(jié)果為例，得到一個(gè)測(cè)試循環(huán)下的車輛橫擺角速度響應(yīng)曲線(圖5)及橫向位移測(cè)試結(jié)果(表3)。其中，3輛國產(chǎn)SUV的“A”值為:1#：36.1°；2#：38.3°；3#：30.7°。

表3 橫向位移測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of lateral displacement

通過測(cè)試結(jié)果可以看出，ESC對(duì)車輛橫擺穩(wěn)定性具有“積極”的修正作用。由圖 5和表3可以看出，在正弦停滯轉(zhuǎn)向輸入后，車輛的橫擺角速度在ESC 系統(tǒng)的干預(yù)下均是回歸的、趨于穩(wěn)定的。

對(duì)于1#國產(chǎn)SUV而言，在方向盤以幅值5A作正弦停滯輸入后的1 s、1.75 s(圖5已標(biāo)明時(shí)刻點(diǎn))，對(duì)應(yīng)的橫擺角速度分別為0.81(°)/s和0.94(°)/s,沒有超過橫擺角速度峰值42.3(°)/s的35%和20%,且從正弦停滯輸入幅值達(dá)到5A開始，側(cè)向位移為2.60 m，大于標(biāo)準(zhǔn)下限值要求的1.83 m。由此可見，該車的試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的性能要求。對(duì)于2#和3#國產(chǎn)SUV的測(cè)試結(jié)果，也均滿足法規(guī)要求，在此不再贅述。

值得注意的是，2#測(cè)試車輛在實(shí)際的測(cè)試過程中出現(xiàn)了明顯的側(cè)滑與甩尾，但按照ECE R13H法規(guī)要求，其測(cè)試結(jié)果滿足ESC性能指標(biāo)。也就是說，3款SUV匹配的ESC，在同一標(biāo)準(zhǔn)的考核下無法區(qū)分優(yōu)劣。 進(jìn)一步講，在實(shí)際的道路行駛工況下，倘若遇到危險(xiǎn)情況或因駕駛員疏忽等造成SUV以較高車速進(jìn)行類似于“正弦停滯”避障操作時(shí)，3款車的“避險(xiǎn)性能”勢(shì)必不同。然而，這種極度危險(xiǎn)工況在試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境下是無法或者沒有能力進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)的。因此，單純地依靠“橫擺角速度和側(cè)向位移”來評(píng)價(jià)乘用車的抗橫擺能力和防側(cè)翻能力是否合理，是否還有更好的評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)ESC系統(tǒng)的優(yōu)劣性，值得我們進(jìn)一步考量。

3款國產(chǎn)SUV均匹配了同一廠家、同一型號(hào)的ESC系統(tǒng)，但測(cè)試結(jié)果卻不盡相同。究其原因，主要是因?yàn)椴煌囆偷恼噮?shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及懸架特性存在差異，導(dǎo)致同一品牌型號(hào)的ESC會(huì)體現(xiàn)不同的控制能力。除此之外，ESC整車匹配主要由主動(dòng)安全系統(tǒng)供應(yīng)商完成，我國能進(jìn)行ESC整車匹配的主動(dòng)安全大型供應(yīng)商主要有博世、天合、克諾爾、WABCO、大陸、德爾福等廠家。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，新車型的ESC整車匹配大約持續(xù)8個(gè)月的時(shí)間，按照高附著系數(shù)鋪裝路面匹配試驗(yàn)(夏季)、低附著系數(shù)鋪裝路面匹配試驗(yàn)(冬季)、高附著系數(shù)鋪裝路面匹配試驗(yàn)(夏季)3個(gè)閉環(huán)環(huán)節(jié)完成。除此之外，匹配過程中對(duì)場(chǎng)地的要求及氣候的要求都很苛刻。所以，結(jié)合中國國情，該3款國產(chǎn)SUV在ESC匹配過程中未必嚴(yán)格按照實(shí)際的匹配要求來執(zhí)行。這一點(diǎn)，值得我們?nèi)ニ伎肌?/p>

(a)1#測(cè)試車 (b)2#測(cè)試車 (c)3#測(cè)試車圖5 方向盤轉(zhuǎn)角與橫擺角速度響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve for steering wheel angle and yaw rate

4 結(jié)束語

本文依據(jù)ECE R13H法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3款國產(chǎn)SUV匹配國外某生產(chǎn)廠家的ESC系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià)。 因不同車型的整車參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及懸架特性的差異導(dǎo)致同一品牌型號(hào)的ESC會(huì)體現(xiàn)不同的控制能力且國內(nèi)SUV的ESC系統(tǒng)匹配較差，同時(shí)指出了目前在乘用車ESC測(cè)試與評(píng)價(jià)方面存在的問題。鑒于此，建議提高標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中的汽車橫擺穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)以驅(qū)動(dòng)ESC主動(dòng)安全供應(yīng)商的系統(tǒng)研發(fā)，保障車輛在實(shí)際道路工況下的避險(xiǎn)能力；加強(qiáng)ESC道路匹配試驗(yàn)，根據(jù)SUV車輛本身?xiàng)l件，嚴(yán)格按照“高附-低附-高附”鋪裝路面進(jìn)行閉環(huán)標(biāo)定以滿足實(shí)際道路工況的需要。