國產(chǎn)SUV電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)性能測試研究

牛成勇,徐建勛，游國平，曾 杰，張儀棟

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

汽車電子穩(wěn)定性控制(簡稱ESC)是一項輔助駕駛員控制車輛維持穩(wěn)定狀態(tài)的主動安全技術(shù)，其通過對各傳感器實時采集的車輛行駛狀態(tài)信息進行綜合分析，并向ABS、ASR等執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出糾偏指令，對車身的不穩(wěn)定性狀態(tài)進行及時矯正以維持車輛動態(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，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)的車輛必須滿足標準法規(guī)要求的性能試驗以確保系統(tǒng)對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)向不足導致的前軸側(cè)滑趨勢有足夠的干預,及時使車輛進入穩(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，故在緊急避險工況下有可能會出現(xiàn)側(cè)翻，這相對于轎車突遇危險工況而出現(xiàn)的橫擺甩尾更加危險、難以控制。因此，對SUV電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)的避險性能進行研究與測評具有重要的現(xiàn)實意義。本文對3款進行出口認證的國產(chǎn)SUV匹配國外某生產(chǎn)廠家的ESC系統(tǒng)進行測試與評價，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、制動壓力傳感器，其負責實時采集車身狀態(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)進行計算，并將計算得出的車身狀態(tài)數(shù)據(jù)與存儲器中預先設(shè)定的數(shù)據(jù)進行比對。

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)瞬戎苿印?/p>

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

人機交互界面通過儀表盤上的ESC燈實現(xiàn)與駕駛?cè)说臏贤ǎ绫O(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。可以看出，ESC系統(tǒng)通過車載傳感器和相關(guān)運算邏輯來獲取、辨識駕駛員對汽車的期望運動狀態(tài)，同時測量并估算出汽車的實際運動狀態(tài)。當“兩種狀態(tài)”之間的控制誤差超過給定的閾值時，系統(tǒng)將按照設(shè)定的控制邏輯對車輪的縱向力和發(fā)動機扭矩進行相應的控制和調(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)動機的輸出扭矩。附加的橫擺力矩迫使汽車作相應的橫擺運動，使得汽車的實際運動狀態(tài)更接近于駕駛員對汽車的期望運動狀態(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的測評方法

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方面對ESC性能進行測評。

總體上來講，國外在ESC測試評價體系建設(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)當中均已形成了較為系統(tǒng)和完善的ESC產(chǎn)品性能評價體系，而國內(nèi)在ESC領(lǐng)域的測試研究工作起步相對較晚。在乘用車ESC性能測試評價方面，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)》，并附有試驗評價方法(正弦停滯測試)。

2)加拿大：針對一般的乘用車輛而言, 交通局按照表1的4項試驗評價ESC系統(tǒng)的性能。

表1 加拿大交通局ESC測試試驗項目

3)中國：首個ESC國家標準《輕型車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求與試驗方法》于2014年發(fā)布，其標準正文內(nèi)容與性能要求完全參照GTR8，但在標準的資料性附錄部分規(guī)定ESC冰雪道路試驗要求，彌補了GTR8轉(zhuǎn)向不足評價內(nèi)容的缺失。

4)其他國家及機構(gòu)：歐洲及博世等公司采用“麋鹿測試”,通過激發(fā)車輛的過度轉(zhuǎn)向趨勢來判斷ESC系統(tǒng)對過多轉(zhuǎn)向的干預性能。 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電子穩(wěn)定系統(tǒng)進行測評，但沒有驗證ESC對轉(zhuǎn)向不足的評價[7]。

3 國產(chǎn)SUV的ESC測試評價

3.1 測試方案

根據(jù)ECE R13H法規(guī)標準要求，將采用正弦停滯試驗、利用轉(zhuǎn)向機器人進行方向盤輸入對ESC的方向穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性能力進行準確、客觀評價。

正弦停滯試驗方法如下：(1)進行制動器預處理及輪胎的充分磨合；(2)進行慢增量轉(zhuǎn)向試驗以確定基準方向盤轉(zhuǎn)角，記作“A”(A值為試驗車的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度為0.3g時的方向盤轉(zhuǎn)角)；(3)以車速為 80±2 km/h開始正弦停滯試驗，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 評價標準

3.2.1 橫向穩(wěn)定性評價指標

正弦停滯試驗中的橫向穩(wěn)定性的性能標準是在轉(zhuǎn)向動作完成后的1 s和1.75 s時刻的橫擺角速度與試驗中方向盤轉(zhuǎn)角方向改變后的橫擺角速度最大值的比值分別不應超過35%和20%。圖2所示為試驗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 響應性能評價指標(僅限于方向盤轉(zhuǎn)角≥5A的測試)

響應性能評價指標旨在評價在ESC系統(tǒng)介入時，車輛對駕駛員輸入的響應能力。具體而言：在轉(zhuǎn)向起始點后的1.07 s時刻，對于設(shè)計總質(zhì)量大于3 500 kg的汽車，質(zhì)心相對于其初始直線行駛軌跡的側(cè)向位移至少為1.52 m；對于設(shè)計總質(zhì)量不超過3 500 kg的汽車，質(zhì)心相對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 干預過度轉(zhuǎn)向性能定性評價指標

在正弦停滯試驗過程中，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 測試設(shè)備設(shè)施及車輛條件

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

(a)轉(zhuǎn)向機器人 (b)制動油門組合機器人

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

英國ABD轉(zhuǎn)向機器人和GPS差分定位基站可實現(xiàn)對試驗車輛行駛路徑的精準控制，誤差在0.01～0.02 m。而且，轉(zhuǎn)向機器人控制精度高，試驗重復性好，解放了駕駛員的部分工作，提高了試驗的安全性和試驗結(jié)果的可靠性。制動油門組合機器人可實現(xiàn)對車輛行駛車速的準確控制，誤差在0.1 km/h。

由于SUV重心較高，經(jīng)計算，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過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定危險狀況。本次試驗采用的是進口的、鈦合金材料的防翻架，其重量、強度滿足法規(guī)要求。

測試車輛重要參數(shù)信息見表2(備注：整車參數(shù)均為實測值，并非法規(guī)公告值)。

圖4 測試車輛Fig.4 Test vehicles

表2 測試車輛重要參數(shù)信息

3.4 正弦停滯測試結(jié)果及分析

按照ECE R13H法規(guī)要求，進行ESC正弦停滯試驗，以5A測試結(jié)果為例，得到一個測試循環(huán)下的車輛橫擺角速度響應曲線(圖5)及橫向位移測試結(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 橫向位移測試結(jié)果Tab.3 Test results of lateral displacement

通過測試結(jié)果可以看出，ESC對車輛橫擺穩(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)的干預下均是回歸的、趨于穩(wěn)定的。

對于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已標明時刻點)，對應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到5A開始，側(cè)向位移為2.60 m，大于標準下限值要求的1.83 m。由此可見，該車的試驗結(jié)果滿足法規(guī)標準的性能要求。對于2#和3#國產(chǎn)SUV的測試結(jié)果，也均滿足法規(guī)要求，在此不再贅述。

值得注意的是，2#測試車輛在實際的測試過程中出現(xiàn)了明顯的側(cè)滑與甩尾，但按照ECE R13H法規(guī)要求，其測試結(jié)果滿足ESC性能指標。也就是說，3款SUV匹配的ESC，在同一標準的考核下無法區(qū)分優(yōu)劣。 進一步講，在實際的道路行駛工況下，倘若遇到危險情況或因駕駛員疏忽等造成SUV以較高車速進行類似于“正弦停滯”避障操作時，3款車的“避險性能”勢必不同。然而，這種極度危險工況在試驗場環(huán)境下是無法或者沒有能力進行測試評價的。因此，單純地依靠“橫擺角速度和側(cè)向位移”來評價乘用車的抗橫擺能力和防側(cè)翻能力是否合理，是否還有更好的評價指標來評價ESC系統(tǒng)的優(yōu)劣性，值得我們進一步考量。

3款國產(chǎn)SUV均匹配了同一廠家、同一型號的ESC系統(tǒng)，但測試結(jié)果卻不盡相同。究其原因，主要是因為不同車型的整車參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)及懸架特性存在差異，導致同一品牌型號的ESC會體現(xiàn)不同的控制能力。除此之外，ESC整車匹配主要由主動安全系統(tǒng)供應商完成，我國能進行ESC整車匹配的主動安全大型供應商主要有博世、天合、克諾爾、WABCO、大陸、德爾福等廠家。根據(jù)統(tǒng)計，新車型的ESC整車匹配大約持續(xù)8個月的時間，按照高附著系數(shù)鋪裝路面匹配試驗(夏季)、低附著系數(shù)鋪裝路面匹配試驗(冬季)、高附著系數(shù)鋪裝路面匹配試驗(夏季)3個閉環(huán)環(huán)節(jié)完成。除此之外，匹配過程中對場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匹配過程中未必嚴格按照實際的匹配要求來執(zhí)行。這一點，值得我們?nèi)ニ伎肌?/p>

(a)1#測試車 (b)2#測試車 (c)3#測試車圖5 方向盤轉(zhuǎn)角與橫擺角速度響應曲線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)標準對3款國產(chǎn)SUV匹配國外某生產(chǎn)廠家的ESC系統(tǒng)的性能進行了測試與評價。 因不同車型的整車參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)及懸架特性的差異導致同一品牌型號的ESC會體現(xiàn)不同的控制能力且國內(nèi)SUV的ESC系統(tǒng)匹配較差，同時指出了目前在乘用車ESC測試與評價方面存在的問題。鑒于此，建議提高標準法規(guī)中的汽車橫擺穩(wěn)定性評價指標以驅(qū)動ESC主動安全供應商的系統(tǒng)研發(fā)，保障車輛在實際道路工況下的避險能力；加強ESC道路匹配試驗，根據(jù)SUV車輛本身條件，嚴格按照“高附-低附-高附”鋪裝路面進行閉環(huán)標定以滿足實際道路工況的需要。