ESC 電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)開發(fā)標定

韓厚祿

（奇瑞捷豹路虎汽車有限公司上海分公司， 上海 200335）

1 前言

近年來，隨著汽車電子化和智能化的高速發(fā)展，車輛主動和被動安全技術(shù)得到了顯著應用，為提升車輛運行安全、預防和減少道路交通事故、降低事故傷亡人數(shù)創(chuàng)造了有利的條件。僅從汽車底盤制動系統(tǒng)的主動安全技術(shù)發(fā)展看，繼ABS （Anti-lock Brake System，防抱死制動系統(tǒng)） 成為標準配置外，ESC系統(tǒng) （Electronic Stability Control System，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)） 等主動安全系統(tǒng)已大規(guī)模在整車上裝備應用。該系統(tǒng)是在ABS、TCS （牽引力控制系統(tǒng)） 等功能基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種主動安全技術(shù)，能夠糾正車輛偏離理想行駛軌跡的傾向，防止車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度等失穩(wěn)狀態(tài)，改善車輛的轉(zhuǎn)向響應性和側(cè)向穩(wěn)定性［1］。在北美、歐盟、日本等國家和地區(qū)已將其定義為新車必需配備的安全裝置之一，中國目前也有GB/T推薦性標準規(guī)范了如何在車輛上搭載應用。

ESC系統(tǒng)的工作原理復雜，涉及的理論較多，近年來國內(nèi)外學者、高校院所等展開了大量的研究，主要對穩(wěn)定性的控制策略分析、CAE軟件聯(lián)合仿真、HIL硬件在環(huán)臺架仿真等方面，做了大量且深入的研究。但對于主機廠、底盤相關(guān)零部件廠家的工程技術(shù)人員而言，在面向新項目新車型時，尤其在項目的實際操作層面，應該如何開展具體的ESC系統(tǒng)開發(fā)及標定業(yè)務，缺乏相關(guān)的文獻資料作為參考。因此，結(jié)合工程實際對ESC系統(tǒng)的開發(fā)標定進行分析研究，具有重要的意義。

2 法規(guī)要求

2007年3月，美國高速公路交通安全管理局NHTSA率先頒布了全球第一部關(guān)于ESC 系統(tǒng)的汽車安全法規(guī)標準FMVSS126，對ESC系統(tǒng)做了明確的定義和要求，并且規(guī)定從2011年9月1日起，美國市場上銷售的所有載荷低于4536kg（10000磅） 的車輛必需裝備ESC系統(tǒng)。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會UN/ECE于2009年11月在ECER13H《乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》第二次修訂中將ESC及BAS納入附錄9，要求自2011年11月1日起所有締約國將對沒有安裝ESC系統(tǒng)和未達到ECE R 13H附錄9對ESC系統(tǒng)要求的車輛不能給與合格認證。隨后，澳大利亞、加拿大、日本、巴西等也陸續(xù)推出了針對ESC強制安裝的法規(guī)。國內(nèi)也制定并發(fā)行了《GB/T 30677-2014 輕型車電子穩(wěn)定性系統(tǒng)性能要求及試驗方法》推薦性標準，在C-NCAP管理規(guī)則中也將車輛配備ESC系統(tǒng)作為加分項［2-5］。

ESC系統(tǒng)需要滿足相應的法規(guī)見表1。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)組成

FMVSS 126法規(guī)首次定義了ESC系統(tǒng)需要具備的功能特征，ECE R13H、GB/T 30677等基本沿用了該法規(guī)的定義。即ESC系統(tǒng)需要實時監(jiān)控車輛運行狀態(tài)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)制動力和發(fā)動機扭矩以改變車輛橫擺力矩，使車輛按照駕駛員意圖行駛的主動安全系統(tǒng)。系統(tǒng)基本特征如下：①至少能夠在對車輛實際狀態(tài)和駕駛員希望實現(xiàn)的車輛狀態(tài)進行對比評價的基礎(chǔ)上，自動對各車軸或各車橋的某個車軸左右兩側(cè)車輪的制動力矩進行單獨控制，使車輛產(chǎn)生橫擺力矩以改善車輛的方向穩(wěn)定性。②在對車輛實際狀態(tài)與駕駛員希望達到的車輛狀態(tài)進行對比評估的基礎(chǔ)上，通過計算機閉環(huán)控制來限制車輛過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向。③能夠直接測定車輛橫擺角速度，并估算側(cè)偏角或側(cè)偏角隨時間的變化率。④能夠監(jiān)控駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入。⑤ESC系統(tǒng)算法應能夠判斷是否需要并能夠在必要時調(diào)整車輛的驅(qū)動力矩，輔助駕駛員保持對車輛的控制。

基于法規(guī)要求，ESC系統(tǒng)需要匹配相應的傳感器、控制單元、執(zhí)行器等，主要包括ESC液壓控制單元、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、縱向及橫向加速度傳感器、橫擺率傳感器、輪速傳感器，系統(tǒng)接收油門踏板、制動踏板信號，與EMS、TCU動力控制單元進行通信等［6］。具體的ESC系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 ESC電子穩(wěn)定系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3.2 原理框圖

當前主流的ESC系統(tǒng)主要有兩種式樣。一種為未集成EPB （電子駐車制動系統(tǒng)） 的ESC系統(tǒng)，ECU接口常見的為38個PIN腳，EPB與ESC各自有相應的控制模塊。另一種為集成EPB系統(tǒng)的ESCi結(jié)構(gòu)，ESC ECU內(nèi)部集成了EPB系統(tǒng)控制模塊，接插件總成上預留了EPB開關(guān)和EPB電子卡鉗的接口，共有46個PIN腳。系統(tǒng)原理框圖如圖2a、2b所示。

圖2 ESC系統(tǒng)原理框圖

3.3 ESC液壓控制模塊

ESC液壓控制模塊爆炸圖及回路圖如圖3所示。ECU接收系統(tǒng)所需信號后，計算、判斷車輛狀態(tài)，發(fā)出控制指令，精確控制電磁閥線圈的通電斷電，確保液壓電磁閥及系統(tǒng)回路的打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對4個卡鉗輪缸進行加壓、保壓、降壓的控制過程。

圖3 ESC液壓控制模塊及系統(tǒng)回路圖

3.4 工作原理

ESC系統(tǒng)的主要功能是在異常路面以及緊急情況下對車輛動態(tài)安全主動進行干預，該系統(tǒng)整合了ABS防抱死制動、TCS牽引力控制、HBx制動輔助等功能，提前識別車輛側(cè)滑的風險，在車輛物理極限范圍內(nèi)，保持車輛的動態(tài)穩(wěn)定性。各功能簡單介紹如下。

ABS防抱死制動的功能主要為避免車輛出現(xiàn)前輪抱死失去轉(zhuǎn)向能力，避免后輪抱死出現(xiàn)甩尾或側(cè)滑。TCS牽引力控制，則是根據(jù)驅(qū)動輪和從動輪的輪速差異，監(jiān)測驅(qū)動輪是否出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，若發(fā)現(xiàn)打滑則向EMS系統(tǒng)發(fā)出信號，干預發(fā)動機電噴系統(tǒng)的噴油量、點火相位角、節(jié)氣門開度等，抑制驅(qū)動輪輪速，避免驅(qū)動輪打滑，確保車輛平穩(wěn)起步及加速［7］。

ESC系統(tǒng)通過方向盤轉(zhuǎn)角信號、輪速信號等監(jiān)測駕駛員的駕駛意圖 （理想軌跡），通過橫擺率傳感器和橫向加速度傳感器信號識別車輛實際行駛狀態(tài)，對比理想軌跡與實際狀態(tài)的差別。根據(jù)輸入信號和控制策略判斷車輛失控狀態(tài)，適時介入控制不利的橫擺力矩和質(zhì)心側(cè)偏角。若出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度，對轉(zhuǎn)彎外側(cè)前輪施加相應的制動力，必要時對牽引力進行控制，防止車輛繼續(xù)向彎道內(nèi)側(cè)滑移。若出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足，對轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)后輪施加相應的制動力，必要時對牽引力進行控制，防止車輛駛出彎道［8］。轉(zhuǎn)向過度及轉(zhuǎn)向不足、控制策略示意圖如圖4所示。

圖4 ESC系統(tǒng)應用場景及控制策略

HBx輔助功能包括HBA、HBB等，例如駕駛員在緊急狀態(tài)下踩踏踏板但踏板力不足時，或者監(jiān)測到真空助力系統(tǒng)的負壓不足時，通過HBx的主動建壓功能快速增加制動力，提高制動強度，減小緊急制動工況下的制動距離等。ROP防側(cè)翻功能一般應用在質(zhì)心較高的SUV車型中，在高附路面通過監(jiān)控車輛狀態(tài)，對車輪施加縱向制動力，減小側(cè)向附著力，從而抑制側(cè)翻傾向［9］。

3.5 ESC系統(tǒng)功能

ESC系統(tǒng)常見的功能見表2所示。

表2 ESC系統(tǒng)常見功能

4 ESC系統(tǒng)開發(fā)流程

4.1 標定計劃

由于ESC系統(tǒng)在設計開發(fā)時會涉及多個部門的不同系統(tǒng)及零部件，設計開發(fā)時，任何其他相關(guān)的零部件的開發(fā)成熟度都會影響ESC系統(tǒng)的標定。因此，除了需要綜合考慮整車的質(zhì)量及前后軸荷分配、底盤懸架/轉(zhuǎn)向/輪胎/基礎(chǔ)制動等設計選型、ESC OFF開關(guān)、相關(guān)傳感器等硬件的設計輸入，也需要結(jié)合整車電子電氣網(wǎng)絡架構(gòu)、CAN通信矩陣、診斷規(guī)范、通信協(xié)議、其他模塊 （如EMS、TCU、儀表、PEPS、BCM） 的系統(tǒng)軟件的開發(fā)進度，從整個項目的角度綜合考慮，制定合理的開發(fā)周期，實施“兩次高附一次低附”路面的整車標定［10］。

當前，國內(nèi)主機廠在開發(fā)過程中基本委托供應商主導ESC系統(tǒng)的開發(fā)標定，主機廠的底盤電子工程師負責協(xié)調(diào)解決整車及對手系統(tǒng)及零部件的進度。ESC系統(tǒng)開發(fā)計劃如圖5樣例所示。

圖5 ESC系統(tǒng)開發(fā)計劃

在第1輪高附夏季標定時，需要提供整車參數(shù)已經(jīng)凍結(jié)的OTS樣車。樣車需要具備完整的CAN通信；發(fā)動機臺架試驗100%完成；完成油門踏板map圖標定；扭矩響應按ESC系統(tǒng)要求完成；扭矩增降過濾速度按照ESC系統(tǒng)要求完成；完成發(fā)動機外特性曲線定義和粗略標定；完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)的標定；樣車搭載的ESC模塊需要具備ABS功能軟件。夏季標定涵蓋路況包括干瀝青、濕瀝青、壞路、礫石路、砂石路、鵝卵石路、起伏路、比利時路、模擬分離路、高低模擬跳變路、動態(tài)操控路等。

在第1輪低附冬季標定時，EMS 完成冬季軟件更新；完成100%的駕駛特性標定 （扭矩、怠速、低溫性能和控制過渡狀態(tài)標定）；完成冷啟動、怠速性能標定；完成冬季駕駛特性、扭矩結(jié)構(gòu)參數(shù)標定；開展ABS/ESC冬季功能和性能標定及驗收。第1輪低附試驗完成后，若整車某些系統(tǒng)及零部件變更且影響到ESC系統(tǒng)的功能和性能，則ESC系統(tǒng)的開發(fā)周期及計劃需要重新研討。對于冬季標定的時間，國內(nèi)一般是在每年的12月初到次年3月份，試驗匹配人員將奔赴-20℃到-50℃的中國極北之地呼倫貝爾或者黑河、滿洲里等冬季試驗場開展標定試驗。冬季標定的路面主要是低附路面，路況有冰道、雪道、分離道、雪環(huán)、冰環(huán)、雪動態(tài)廣場等。若項目時間緊急，也可考慮安排在南半球如澳大利亞、新西蘭等試驗場開展冬季標定，但相關(guān)成本較高，需要結(jié)合項目預算綜合考量。

在第2輪高附夏季標定時，需要提供發(fā)動機、變速器、懸架、轉(zhuǎn)向、基礎(chǔ)制動等系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)完全凍結(jié)且為OTS狀態(tài)的樣車。EMS最終駕駛性能測試完成，完成最終標定參數(shù)的更新，與駕駛性相關(guān)參數(shù)不再更改；開展第2輪ABS/ESC夏季功能和性能驗收，軟件凍結(jié)；整車VD動態(tài)性能部分進行ESC軟件性能的最終試驗，驗收并釋放最終版軟件，為ESC模塊的量產(chǎn)導入做準備。

簡言之，ESC系統(tǒng)的匹配標定及軟件開發(fā)時，應按項目的時間節(jié)點及實際的完成度，分階段逐步開發(fā)、凍結(jié)、釋放不同版本的軟件。包括確認通信規(guī)范、網(wǎng)絡管理協(xié)議、診斷規(guī)范等，結(jié)合ESC系統(tǒng)的硬件模塊臺架試驗及軟件臺架測試結(jié)果、ESC系統(tǒng)的實車不同階段及路面、工況條件下的標定結(jié)果等，逐步完善系統(tǒng)軟件的標定參數(shù)，確保最終釋放的量產(chǎn)版軟件的品質(zhì)可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.2 開發(fā)規(guī)模確認

對于部分局改或者年度改款項目車型，涉及到需要先行評估ESC系統(tǒng)是否需要全新開發(fā)，或者還是進行適應性試驗驗證，該開發(fā)規(guī)模將影響到整個項目的預算成本和開發(fā)車型的量產(chǎn)計劃。結(jié)合以往的項目開發(fā)經(jīng)驗以及與ESC系統(tǒng)供應商的交流研討，匯總整理的評估情況見表3。當然，具體的開發(fā)規(guī)模應以實車試驗驗證結(jié)果為準進行具體問題具體分析。

表3 與ESC系統(tǒng)強相關(guān)的系統(tǒng)及零部件校核變化量評估

5 ESC系統(tǒng)評價及驗收

在實車標定及性能驗收階段，主要從系統(tǒng)的功能和性能兩個方面進行試驗評價及驗收。首先對標定樣車狀態(tài)進行檢查確認。按照前文的樣車交付狀態(tài)及需求的描述所示檢查以下幾個方面。

檢查車輛硬件狀態(tài)，原則上ESC性能相關(guān)的零部件需要接近量產(chǎn)狀態(tài)，如制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力總成、車輪、車身等；檢查車輛信號狀態(tài)，要求與ESC相關(guān)的CAN矩陣一致，如信號精度、周期、最大值、最小值等；檢查車輛信息，確認其他ECU的軟件狀態(tài)，記錄軟件版本、車輛VIN代碼；確認ESC OFF開關(guān)是否可以正常實現(xiàn)關(guān)閉或者開啟ESC功能；確認ESC系統(tǒng)的輔助功能正常介入及退出，如HBA/HBB/HA/AVH等。

在對系統(tǒng)功能及性能目標進行驗收及評價時，主要確認前文表2所示的各項功能的控制邏輯的設定及動作是否符合邏輯定義。本文以TCS、ESC功能為例，介紹性能考核的要求。TCS系統(tǒng)的性能要求見表4。整理出常見的系統(tǒng)功能要求見表5。

表4 TCS系統(tǒng)性能要求

表5 ESC系統(tǒng)功能要求

ESC系統(tǒng)的性能要求見表6。其中，ESC系統(tǒng)在冰雪道路的雙變道、定圓路的試驗方法一般按照《GB/T 30677-2014輕型車電子穩(wěn)定性系統(tǒng)性能要求及試驗方法》附錄A冰雪道路試驗的規(guī)定實施。

表6 ESC系統(tǒng)性能要求

6 結(jié)束語

ESC電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)是車輛主動安全系統(tǒng)之一，當前在不同級別及價位的乘用車及輕型商用車產(chǎn)品上已經(jīng)廣泛應用。在新項目新車型開發(fā)時，ESC系統(tǒng)也屬于需要實施整車標定匹配的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，直接影響到項目的開發(fā)日程。

對于主機廠及底盤零部件企業(yè)的工程師而言，在面對新車型新項目時如何開展ESC系統(tǒng)的開發(fā)業(yè)務，從實操層面應如何開展ESC系統(tǒng)的開發(fā)及標定，目前可供查閱的文獻資料極少。本文結(jié)合項目經(jīng)驗，介紹了ESC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型、系統(tǒng)零部件構(gòu)成、系統(tǒng)基本功能等，舉例分析了ESC系統(tǒng)軟件的開發(fā)流程、系統(tǒng)標定用樣車的需求、全新標定開發(fā)/適應性驗證的規(guī)模區(qū)分等，以及在各個節(jié)點基于功能要求及性能要求如何進行評價驗收，對于在開發(fā)過程中的實際操作方面，有一定的指導及參考意義。