考慮發(fā)動機油門開度狀態(tài)的汽車ESC測試分析

王應國，何定暢，劉永剛，張榮林，曾繁卓

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；3.浙江亞太機電股份有限公司，杭州 311200)

在進行汽車ESC測試時，GB/T 38185—2019《商用車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求及試驗方法》和GB/T 30677—2014《輕型汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求及試驗方法》等對汽車的載荷條件、試驗路面和試驗項目均有嚴格要求。這些測試標準均要求是勻速穩(wěn)定供油狀態(tài)，而汽車的ESC性能不僅與車輛的行使工況有關，還與發(fā)動機的油門開度相關。因此，本文設計不同油門開度狀態(tài)下的ESC相關試驗，為ESC控制策略的進一步優(yōu)化提供參考。

1 汽車ESC測試方案

1.1 測試樣車與場景

測試車輛為某SUV乘用車，車載ESC系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：額定工作壓力為0～12 MPa；工作溫度范圍為-40～120 ℃；額定工作電壓為9～12 V；允許最大電流為40 A；起始識別車輪轉(zhuǎn)速為0.31 m/s；控制精度≤0.2 MPa。

測試場景為單變道和蛇形繞樁，均在干燥、均勻、堅實的路面上進行，通過樁筒構成車輛的行使區(qū)域和道隔離區(qū)域。

1)單變道測試場景。如圖1所示，一共放置12個樁筒，樁筒側(cè)向距離為3.12 m、縱向距離為6 m，換道區(qū)域長度為13.5 m、寬度為4.37 m。測試時被測車輛先通過前3排樁筒向左側(cè)進行換道，再進入后3排樁筒區(qū)域。

圖1 單移線(變道)測試場景

2)蛇形繞樁測試場景。如圖2所示，共放置6個筒，每個樁筒間距為30 m，場地橫向?qū)挾容^普通水泥路面略寬。被測車輛需來回穿插于6個樁筒間。蛇形繞樁相比于單變道測試可進一步檢驗車輛在連續(xù)變道狀態(tài)下的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖2 蛇形繞樁測試場景

1.2 測試方法與設備

發(fā)動機的扭矩輸出會直接影響到車輛的速度變化，且與發(fā)動機油門開度密切相關。因此，設置發(fā)動機空油、全油和穩(wěn)油三種方式進行單變道測試，設置發(fā)動機穩(wěn)油條件下的連續(xù)變道的蛇形繞樁測試方法。測試設備包括數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、上位機軟件等，如圖3所示。

圖3 ESC測試試驗

2 測試結果及分析

2.1 單變道測試結果及分析

2.1.1 ESC系統(tǒng)狀態(tài)

ESC系統(tǒng)狀態(tài)通過油門踏板開度、制動信號、方向盤轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度、橫擺減速度等整車動力學參數(shù)，以及ESC子系統(tǒng)激活狀態(tài)的響應特性進行描述。GB/T 30677—2014要求ESC本身能夠測量車輛的橫擺角速度、監(jiān)測駕駛員的輸入狀態(tài)，以及在車輛加速、減速、制動、滑行(不包括倒車和車速低于4.2 m/s的情況)等各個過程發(fā)揮作用的狀況。

不同油門方式單變道的油門踏板開度及制動信號響應曲線如圖4所示；方向盤轉(zhuǎn)角及有關整車運動學參數(shù)隨時間變化的曲線如圖5所示；車輛動態(tài)控制系統(tǒng)(VDC)、牽引力控制系統(tǒng)(TCS)、制動防抱死控制系統(tǒng)(ABS)等ESC子系統(tǒng)的激活狀態(tài)如圖6所示。其中：空油變道時，車輛進入變道區(qū)域后完全松開油門踏板讓汽車完成變道；全油變道時將油門踏板踩到底，使發(fā)動機發(fā)揮出最大功率完成變道過程，但變道過程中踏板的開度會有所減低；穩(wěn)油變道時駕駛員保持一定的油門踏板開度不變使車輛完成換道。

1)圖4結果顯示，空油變道時，踏板開度在8 s左右時迅速下降至0%。全油變道時，油門踏板在變道過程中會逐漸減小。穩(wěn)油變道時的油門踏板開度維持在進入變道區(qū)域前油門開度的位置波動。此外，只有空油變道結束后需要人為進行制動干預。

(a)空油變道

2)圖5結果顯示，空油變道時方向盤轉(zhuǎn)角比較大，全油變道時方向盤的可調(diào)整范圍較小。此外，全油變道時車輛橫擺角速度的波動幅度最小，為55(°)/s；空油變道時橫擺角速度的波動幅度最大，為62.54(°)/s。ESC應當減小空油換道時車輛的橫擺角速度，從而提升車輛的橫向穩(wěn)定性。

(a)空油變道

3)圖6結果顯示，對于空油、穩(wěn)油變道，TCS全程未被激活，只有VDC和ABS系統(tǒng)發(fā)揮作用；全油變道時，VDC和TCS一起發(fā)揮作用。結果表明，全油變道的側(cè)向穩(wěn)定性較差，需要TCS系統(tǒng)進一步發(fā)揮作用。

(a)空油變道

2.1.2 車輪轉(zhuǎn)速

1)不同油門方式下單變道的輪速變化曲線如圖7所示，在進入變道區(qū)域前四輪轉(zhuǎn)速差異不大，而進入變道區(qū)域后四輪的轉(zhuǎn)速差異增加。此外，空油變道時輪速差異較小，而全油變道時轉(zhuǎn)速差異明顯。說明全油變道時對ESC性能要求更高，應當減小后輪的與前輪的轉(zhuǎn)速差異。

(a)空油變道

2)從圖8所示的不同油門方式下單變道的左右輪速差異曲線可以看出，全油變道時兩側(cè)輪速較小，但前后輪速差異相對較大。此外，三種油門方式下，要完成換道過程，兩側(cè)輪速差異都較大，其中，穩(wěn)油單變道時前輪和后輪的轉(zhuǎn)速差最大，說明穩(wěn)油單變道時對前后輪速差的控制要求更高。

(a)空油變道

從上述可知，全油狀態(tài)即油門開度較大對車輛的側(cè)向穩(wěn)定性要求最高。發(fā)動機油門開度越大，越需要ESC進一步減小前后車輪的輪速差異。

2.1.3 動力性參數(shù)

1)圖9為不同油門方式下單變道的制動輪缸壓力變化曲線?？梢钥闯觯瑢τ诳沼?、全油的油門開度狀態(tài)，向左變道轉(zhuǎn)向時前右輪的制動壓力最大，而向右轉(zhuǎn)向回正時前左輪的制動壓力最大。對于穩(wěn)油狀態(tài)，向左轉(zhuǎn)向變道時前右輪的制動壓力最大，而向右轉(zhuǎn)向回正時后左輪的制動壓力最大。向右變道時制動輪缸壓力響應在向左變道的轉(zhuǎn)向回正過程中有所體現(xiàn)。制動輪缸壓力的增大說明變道時車輛ESC在發(fā)揮作用，并通過對車輪進行制動來維持車身穩(wěn)定性。

(a)空油變道

2)不同油門方式下單變道的發(fā)動機扭矩輸入曲線如圖10所示。當為空油時，輸出扭矩在進入變道區(qū)域時不再輸出，直至逐漸降低后被反向拖動到-50 N·m。當為全油時，進入變道區(qū)域后發(fā)動機輸出扭矩迅速增加至300 N·m左右，直到變道結束時急劇降低，最終被反向拖動到-50 N·m。對于穩(wěn)油狀態(tài)，發(fā)動機輸出扭矩由于變道時阻力作用，發(fā)動機扭矩會下降直到被反向拖動。三種油門變道方式均能夠體現(xiàn)ESC對駕駛狀態(tài)的監(jiān)測能力，但全油變道時發(fā)動機跟蹤期望輸出扭矩的性能較差。

(a)空油變道

綜上所述，ESC可以根據(jù)某種控制邏輯對所有車輪單獨施加制動力矩，以制動輪缸的制動壓力為控制參數(shù)，實現(xiàn)車輛實際運行狀態(tài)跟蹤上車輛期望運行狀態(tài)。但ESC對變道過程中發(fā)動機油門開度狀態(tài)的適應性差，需要進一步的優(yōu)化與提升。

2.2 蛇形繞樁測試結果及分析

2.2.1 ESC系統(tǒng)狀態(tài)

蛇形繞樁試驗的油門踏板開度及制動信號響應曲線如圖11所示。方向盤轉(zhuǎn)角及有關整車運動學參數(shù)隨時間的變化關系如圖12所示。車輛的ABS、TCS與VDC等ESC子系統(tǒng)激活狀態(tài)如圖13所示。

圖11 蛇形繞樁試驗油門踏板開度及制動信號曲線

圖12 蛇形繞樁試驗方向盤轉(zhuǎn)角及有關整車運動學參數(shù)曲線

圖13 蛇形繞樁試驗ESC子系統(tǒng)激活狀態(tài)

1)圖11的結果顯示，制動踏板在車輛經(jīng)過測試區(qū)域后的減速階段開始起作用，以保證車輛減速停車。此外，車輛在進行蛇形繞樁時的油門踏板開度有逐漸增大的趨勢，當車輛繞樁測試完成時才完全松開油門踏板。

2)圖12的結果顯示，車輛橫擺角速度的波動幅度均保持在±25(°)/s左右，車輛側(cè)向減速度維持在±8 m/s左右。車輛橫擺角速度與側(cè)向加速度作為評價車輛側(cè)向穩(wěn)定性的關鍵性指標，都被控制在一定的特征值以內(nèi)。因此，被測車輛的穩(wěn)定性在ESC系統(tǒng)的控制下具有一定的優(yōu)越性，能夠體現(xiàn)車輛的主動安全性能。

3)圖13的結果顯示，測試過程中車輛ABS一直沒有啟動，但TCS在車輛進入測試區(qū)域才開始啟動，而VDC在每一次繞樁過程中都會被連續(xù)啟動。說明VDC對車輛變道工況更加敏感，TCS全程啟動與VDC協(xié)同控制以維持車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。

綜上所述，ESC能通過VDC和TCS的協(xié)同作用提升車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。但在蛇形繞樁工況下ESC對車輛的側(cè)向穩(wěn)定性應當進一步提高。

2.2.2 車輪轉(zhuǎn)速

圖14為繞樁試驗過程中各輪速曲線。可見，進入繞樁區(qū)域和減速區(qū)域前4個車輪的轉(zhuǎn)速變化幾乎一致；但當車輛進入蛇形繞樁區(qū)域后，4個車輪的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定范圍的波動。

圖14 蛇形繞樁試驗各車輪輪速曲線

兩側(cè)車輪的左右轉(zhuǎn)速差隨時間的變化關系如圖15所示?？梢姡拜喓秃筝唭蓚?cè)轉(zhuǎn)速差值存在波動，且由于前輪作為驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪，前輪的轉(zhuǎn)速差小于后輪的轉(zhuǎn)速差。

圖15 蛇形繞樁試驗左右輪速差曲線

綜上所述，ESC能夠約束轉(zhuǎn)向換道過程中的輪速差來維持蛇形繞樁工況下的車輛穩(wěn)定性，但對輪速差的控制需進一步提升以提升車輛的穩(wěn)定性。

2.2.3 動力性參數(shù)

1)圖16為蛇形繞樁試驗時車輪制動輪缸壓力的變化曲線，可綜合體現(xiàn)車輛向左和向右變道時車輛動力性參數(shù)的響應特性。可以看出，主缸制動壓力在減速區(qū)的作用非常明顯，繞樁過程中的作用較弱。制動輪缸在繞樁過程中各輪的制動壓力較為明顯，且前右輪制動壓力最大，前左輪其次，后右輪缸的制動壓力變化很小。由于前輪作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪，在轉(zhuǎn)向的過程中制動器的制動作用更為明顯。

圖16 蛇形繞樁試驗制動輪缸壓力曲線

2)圖17為蛇形繞樁試驗時實際輸入與駕駛員期望扭矩輸入的發(fā)動機扭矩變化曲線?？梢钥闯?，當車輛的牽引力控制系統(tǒng)(TCS)在進入蛇形繞樁區(qū)域后被激活。實際輸出扭矩能有效跟蹤駕駛員期望扭矩，但振蕩幅度依舊很大。

圖17 蛇形繞樁試驗發(fā)動機扭矩曲線

因此，車載ESC控制策略在連續(xù)變道的綜合繞樁工況下，發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩對期望輸出轉(zhuǎn)矩的跟蹤能力需要進一步提高。

2.3 車載ESC優(yōu)化建議

1)在空油變道時，ESC應通過減小車輛的橫擺角速度來提升車輛穩(wěn)定性；穩(wěn)油變道時，ESC應結合子系統(tǒng)TCS的協(xié)同控制，以提升車輛的穩(wěn)定性。

2)車載ESC應隨著發(fā)動機油門開度增大進一步減小前后車輪的輪速差異；并結合車輪制動器的制動壓力，提升車輛操縱穩(wěn)定性。

3)在連續(xù)變道的蛇形繞樁工況下，車載ESC應結合TCS、VDC等子系統(tǒng)的協(xié)同控制，以提升發(fā)動機實際輸出扭矩對期望扭矩的跟蹤能力。

3 結束語

本文提出了考慮油門開度狀態(tài)的單變道與蛇形連續(xù)變道的繞樁測試方法，并以某車型為例進行ESC性能測試分析。結果表明，全油變道對車輛ESC性能的要求更高。車載ESC應當強化油門開度較大時對車輛的橫縱向穩(wěn)定性、操縱穩(wěn)定性的控制，以及連續(xù)變道時的對發(fā)動機期望輸出扭矩的跟蹤能力。