商用车电子稳定控制系统测试技术

朱红岩，游国平

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

一直以来，由于车辆失稳、失控造成的重大交通事故频有发生。现已广泛运用的汽车底盘系统主动安全控制技术——ABS 和ASR，虽然能在制动和加速工况下保证车辆的纵向稳定性，而在其他更为常见的诸如超车、避障、转弯等由于横向干扰使车辆更容易失去操控性的状况下，ABS 和ASR 对车辆的稳定性控制则显得无能为力，此时，没有装备车辆横向稳定控制系统的车辆，更容易由于侧滑、侧翻等引发重大交通事故[1]。因此，近年来适用于全工况的汽车电子稳定控制（ESC）系统成为现代汽车主动安全控制技术研究的焦点[2]。虽然目前在乘用车领域已有较多的合资或自主品牌车辆已经广泛配备了ESC，甚至在少数高档豪华客车亦有配备，但我国ESC 自主研发能力尚弱，其研究领域主要集中于控制器、控制方法的理论研究阶段，暂未见相关成熟产品问世，而且在测试技术方面，亦仅处于起步探索阶段[3]。为此，本文结合现有ESC 测试法规重点阐述WABCO 公司的商用车ESC 测试方法，并指出其不足。希望对国内商用车ESC 的测试技术的研究有所借鉴。

1 国内外汽车ESC 测试法规现状

汽车ESC 是在整合ABS 和ASR 基础上于上世纪90 年代中后期推出市场的汽车新型主动安全系统。各大汽车厂家运用的车辆稳定控制系统其控制原理和方法亦有差别，故在测试方法和匹配评价指标上也难于形成统一的测试评价标准。

ESC 在美国、欧洲的轿车和SUV 等轻型车上已逐步普及，并强制安装；而在商用车上，甚至是安全性要求更高的客车上，美国暂时没有强制执行，欧洲则抢先一步，明确了需要在商用车上安装ESC。

在美国FMVSS 126 中首次规定了总质量在4 536 kg 以内轻型汽车（轿车、SUV 和皮卡等）的ESC 测试方法，而对该质量以上的车辆暂未作规定[4]。随后，欧盟在2009 年11 月，针对M1和N1类的制动法规ECE R13H进行修订，增加了附件9——《关于就车辆安全方面装备复合电子稳定控制系统车辆的特殊要求》[5]，其测试方法和要求与FMVSS 126 基本相同。而商用车制动法规ECE R13 于2008 年8 月在其新增加的附件21——《装备电子稳定系统车辆的特殊要求》中首次规定了ESC的试验要求，并规定了商用车强制认证ESC 的时间表，具体见表1。

但至今，标准中仅列出了试验项目，未明确具体的测试方法。有关测试项目如下[6]：

表1 新车安装ESC 进行型式认证的执行时间

1）方向控制（Directional Control），包括转向半径减少试验、阶跃转向输入试验、正弦延迟试验、J-转向、单移线试验、双移线试验、反转试验或“鱼钩”试验、半周期正弦输入或者脉冲转向输入试验。

2）翻滚控制（Roll-Over Control），包括稳态回转试验、J-转向。

可见，在ECE R13 附件21 中，规定了ESC 应具有两种功能：方向控制（Directional Control）和翻滚控制（Roll-Over Control），同时分别给出了相应的测试项目。其中方向性控制要求具备：基于对车辆的实际状态和驾驶员控制意图的评估，通过选择性的制动，能够自动、单独地控制每轴或并装轴上的左右轮胎的速度；翻滚性控制功能则要求具备：基于对车辆实际状态可能导致翻滚的评估，通过选择性制动或自动控制制动，从而控制每轴或并装轴上的左右车轮的速度。

ECE R13 还明确，在统一的试验方法确定之前，ESC具体的认证测试项目由认证机构和车辆生产厂共同确定。所以，现在欧洲认证机构是与ESC 生产厂家共同商讨确定最终的ESC 测试项目。

美国公路交通安全管理局（NHTSA）已建议制定FMVSS 136《重型车电子稳定控制系统》，并建议ESC 的评价应包含两项符合性评价和四项性能性评价指标[7]。

我国ESC 的测试方法研究始于近两年，目前还处于试验验证阶段，未形成公开的测试评价方法。

总之，由于汽车ESC 的监控参量多、控制复杂，其控制原理、策略和方法也略有不同，导致其测试程序多、试验周期长、评价指标等未完全形成统一，因而有一定的可选性和自主性。

2 威伯克商用车ESC 测试方法

威伯克（WABCO）公司在结合ESC 通用测试项目的基础上，制定了ESC 测试的具体方法，该方法为目前大多数厂家或认证机构在进行ESC 匹配和认证测试时所引用，具有较强的代表性[8]。由于ESC 是在车辆极限行驶工况下控制车辆的稳定性，因此，ESC 的测试是一个非常危险的过程，在车辆试验之前，应在车辆两侧安装防止车辆翻滚的保护装置（支撑轮或支撑架）。

2.1 转向半径减少试验

转向半径减少试验（Increasing Curvature Test），虽然不是一个ISO 定义的测试程序，但被广泛用来评估高动态状态下车辆的侧向响应，主要用于车辆ESC 翻滚控制功能的评估。图1 为半径减少测试的车辆行驶图。其测试要求如下。

1）测试路面。干燥平整路面（附着系数约为0.8）。

2）测试方法。测试车辆由直线行驶状态进入如图1所示摆放好的路线轨迹，过程中逐渐增加方向盘转角，车速保持匀速。车速从较低车速开始进入，之后逐次增加，直至车速达到极限状态（车辆即将侧翻且保护装置即将触地）。

3）ESC 状态。车辆在ESC 失效和正常两种状态下分别进行，且ESC 正常状态时，应记录发动机的输出扭矩和各轮制动气室（或制动轮缸）压力，以判断发动机控制和制动控制功能是否激活。

4）结果评价。ESC 正常状态时的车辆通过极限速度高于ESC 失效时车辆的极限通过车速。

2.2 双移线试验

双移线试验（Double Lane Change Test）如图2 所示，一般用于评价ESC 对车辆的方向控制（不足转向或过度转向）和翻滚控制的能力，亦被广泛用来评估高动态状态下车辆的侧向响应。试验路面为高附着系数路面和低附着系数路面。

1）高附着系数路面。在高附着系数路面（附着系数约为0.8）进行本项试验，主要用于评价ESC 的防侧翻控制能力。测试分别在ESC 装置开启和关闭的情况下进行。每种状态均保证车辆稳定且保证保护装置未起作用的状态下开始进入如图2 所示的路段，之后逐次增加车速，直至车辆稳定通过测试路段的车速达到极限为止。同前，在ESC 开启时，应记录发动机的输出扭矩和各轮制动气室（或制动轮缸）压力，以判断ESC 系统是否正常工作。

2）低附着系数路面。在低附着系数路面（附着系数约为0.3）进行本项试验，主要用于评价ESC 的方向性控制能力，测试方法同前。

3）结果评价。对高低附着系数路面，ESC 正常状态时的车辆稳定通过极限速度都应高于ESC 失效时车辆的稳定极限通过车速。

2.3 单移线试验

单移线试验（Single Lane Change Test）主要评价ESC的过度转向控制能力，分高附变低附路面和低附变高附路面测试工况，分别在车辆ESC 失效和正常情况下进行，试验车速从保证车辆稳定实现移线时足够低的车速开始，之后逐次增加移线车速，直至达到极限为止，具体测试工况如下。

1）测试工况一。高附至低附路的移线试验（Test Jeversen）。如图3 所示，两车道分别为附着系数为0.7 左右沥青路面和附着系数为0.22 左右的湿玄武岩路面，变线距离20 m，车道宽3 m。移线试验过程中，驾驶员不进行制动。

2）测试工况二。高附至超低附路的移线试验（Test Rovaniemi）。如图4 所示，试验道路分别为附着系数为0.8 的路面和附着系数为0.1 左右的结冰路面，变线距离15 m，车道宽3 m。移线试验过程中，驾驶员不能进行制动。试验车速从保证车辆稳定实现移线时足够低的车速开始，之后逐次增加移线车速，直至达到极限为止。

3）低附至高附测试工况。如图5 所示，试验过程为从低附移线至高附路面，并且在试验过程中，驾驶员需进行全行程制动，并使车辆右前轮制动力突变，从而使由于右前轮制动而车辆产生的横摆角速度方向与驾驶员转向时车辆横摆角速度方向一致，便于车辆实现转向移线。

4）结果评价。单移线测试时，ESC 正常状态时的车辆通过极限速度都应高于ESC 失效时车辆的极限通过车速。

2.4 J-转向试验

J-转向试验（J-turn Test）主要用来测试ESC 对方向控制的能力。这里所说的J-转向试验并不是ISO 7401 中所定义的J 转向试验。试验方法有两种：Jeversen试验和Rovaniemi 试验。每种方法均在ESC 正常和失效两种状态下，试验车辆以足够低的稳定通过速度开始，之后逐次提高入线初速度，直至达到极限状态（车辆失稳或脱离试车道）。

1）Jeversen 试验。试验道路为图6 中浅色的玄武岩路面，路面附着系数约为0.22。试验车辆由直线行驶状态进入内半径为100 m 的圆形环道。

2）Rovaniemi 测试。如图7 所示，试验路面为雪地路面（附着系数约为0.3），试验车辆由直线行驶状态进入内半径为80 m 的圆形环道。

3）结果评价。J 转向时，ESC 正常状态时的车辆通过极限车速都应高于ESC 失效时车辆的极限通过车速。

2.5 调频正弦扫描试验

1）调频正弦扫描试验（Slalom Test）。在ESC 正常情况下进行，广泛用于车辆动态工况下侧向反应评估动态情况下车辆的横向反应，也可用来优化车辆ESC 性能仿真工具SIMBA 软件中参数的设置。如图8 所示，为变频正弦扫描试验的方向盘转角输入，从频率为0.1 Hz 开始逐渐增大到1.5 Hz。但是，由于实际测试条件的限制，在很多情况下不太可能实现。

2）结果评价。ESC 正常状态时的车辆通过极限速度高于ESC 失效时车辆的极限通过车速。

2.6 正弦延迟试验

正弦延迟试验（Sine with Dwell），一般需要转向机器人来完成。该项试验在欧盟ECE R13H、FMVSS 126 和GTR 8 中均采用此测试项目。如图9 所示，正弦波频率采用为0.2 Hz～0.5 Hz（该频率范围与整车自然频率范围接近，故该频率范围对于评价商用车ESC 性能最为理想，而在ECE R13H 和FMVSS 126 和GTR 8 中正弦波频率为0.7 Hz）。经过前半周期的正常正弦波，进入后半周期的波峰有500 ms 的延迟。

2.7 威伯克ESC 测试方法分析

判断所设计的试验方法是否能够很好地评价ESC系统的性能，美国公路交通安全管理局（NHTSA）认为该试验应具有如下三个特征[9]：

1）试验必须具有足够的强度，以激发ESC 系统对过度转向或不足转向的干预。

2）有高度的可重复性和可操作性。

3）可以对ESC 系统的横向稳定性能和响应进行评价。

从威伯克（WABCO）公司提供ESC 的六项测试中，其中前4 项属于“闭环”类试验，后2 项为“开环”类试验。对于“闭环”试验，由于驾驶员的反应和操作对试验车辆稳定性的控制和试验结果的评价有很大的影响，不同的驾驶员对同一行驶工况和车辆的控制有较大的差别，故不能较好地保证试验结果的重复性和一致性，且仅通过比较ESC 失效和正常两种状态下车辆的极限通过车速作为评价标准，而对其他ESC 性能评价方面的指标未作明确说明。因此，前4 项方法运用于ESC 的符合性评价，即ESC 的定性评价；后2 项方法的试验运用转向机器人对试验车辆的方向盘进行转向输入，排除了驾驶员因素的影响，可通过监控试验过程中车辆的横摆角速度、侧向加速度和横向位移等车辆状态参量评价ESC 的性能，即适用于ESC 性能的定量评价。

同时，WABCO 公司提供的试验项目并未能与ECE R13 中项目能够一一对应；缺乏“阶跃转向输入试验”、“反转试验”或“鱼钩试验”和“半周期正弦输入或者脉冲转向输入试验”以及“稳态回转试验”的测试方法，且在J-转向（J-turn）中与ISO 7401 规定的阶跃输入（J 转向）试验方法并不一致[10]。

3 结束语

从各国ESC 测试技术的研究进程和以上WABCO公司的测试程序可以看出，ESC 试验不仅对试验场地条件的要求很高，而且试验危险系数很大。目前国内汽车试验场对ESC 场地的要求还远未成熟，仅能开展部分项目的测试。同时，由于试验方法的不统一、评价指标不完善，从一定程度上限制了我国ESC 自主产品的研发和装车使用。我国应加快ESC 测试技术的研究和试验场地的建设。

[1]刘建宏.商用车辆防抱死制动系统的电子控制单元研究与开发[D].长春：吉林大学，2008.

[2]网易汽车.汽车电子稳定控制系统（ESP/ESC）历史解析[EB/OL].（2012-02-10）[2012-08-03].http：//auto.163.com/12/0210/11/79T7NRHJ00084TUS.html

[3]王德平，郭孔辉.车辆动力学稳定性控制的控制原理与控制策略研究[J].机械工程学报，2000，（3）

[4]FMVSS Standard No.126 Electronic Stability Control Systems[S].

[5]ECE R13H Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars with Regard to Braking[S].

[6]ECE R13 Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles of Categories M,N AND O with Regard to Braking[S].

[7]Preliminary Regulatory Impact Analysis：FMVSS No.136 Electronic Stability Control Systems On Heavy Vehicles[R],National Highway Traffic Safety Administration,2012.5.

[8]WABCO，Description of Test Procedures for ESC[S].

[9]李向瑜，高振海，郭健，等.汽车装备电子稳定性程序后的性能评价方法[J].拖拉机与农用运输车，2008，（8）

[10]谢伯元，朱西产，朱贇，等.ESC 试验方法研究[J].天津汽车，2007,（6）