商用车电子稳定系统研发及运用研究

陈海淼

（浙江正飞科技有限公司，浙江 绍兴 312366）

前言

随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车行驶速度不断加快，道路行车密度不断增大。在行驶过程中，因外界干扰，驾驶员在紧急状况下采取一些避让措施，但由于商用车重心高、重量大，往往致汽车进入不稳定行驶状态，即出现车辆折叠或完全滑出跑道等危险状态，极易引起交通事故。根据AUDI公司的统计数据，在所有发生的交通事故中，车速在80km/h到100km/h中有40%的交通事故与车辆失去稳定性有关，车速越高，比例越大。如何提高商用车制动稳定性、安全性和高效性正在成为公众和行业关注的焦点。与此相应，能够有效提升商用车安全和效率的控制技术和产品陆续被研发出来，如防抱死制动系统（ABS）、驱动防滑系统（ASR）、电控制动系统（EBS）、电子稳定系统（ESC）等。

1 电子稳定系统定义及组成

商用车电子稳定系统ESC（Electronic Stability Control）是电子稳定控制系统和行驶安全性补充系统，帮助避免发生危险。在快速转弯或变道时，通过车身传感器测量车身的实际状态（如偏移量，滑移量），控制车轮制动器或控制发动机扭矩，补偿车辆的稳定性。当车辆处于极不稳定状况时，ESC系统自动起作用。

ESC系统由电子控制单元模块、执行机构模块和传感器模块三大主要部分组成，ESC系统整车布置如图1所示。

图1 ESC 系统整车布置图

1.1 电子控制单元

电子控制单元（ECU）通过 CAN接口与传感器连接起来，接收处理传理感器信号、识别驾驶员的驾驶意图、控制和监视整个制动系统。ECU通过制动信号发送器接收到的信号和外部减速需求确定车辆减速，通过速度轮数传感器测量的减速作为控制系统输入信号，通过压力传感器测得压力计算前后桥阀等执行机构制动力，产生相应的制动减速度。其他汽车部件如发动机ECU，传动轴ECU 可以通过SAEJ1939定义地址来实现CAN 通讯。

ECU模块应安装在车辆重心附近。

1.2 执行机构

前后桥阀自带控制模块，其中前桥阀采用修正的独立控制，控制前桥左右轮制动压力；后桥阀控制模块与ECU连接，共同控制后桥左右轮的制动压力。当系统监测到车辆有侧倾或转向不足、过度的危险时，ESC系统通过前后桥阀模块对相应的车轮进行制动，改变车辆的制动力、驱动力、侧向力，保证车辆具有稳定的行驶状态。

1.3 转向角传感器

转向角传感器用来检测方向盘的转向角度和转向方向。转向角传感器会根据已知的转向传动比，换算成车轮转向角,为ESC系统提供绝对的转向角度。

转向角传感器需做防水防尘处理，应安装在方向盘下面。

1.4 横摆角速度/横向加速度传感器

横摆角速度/横向加速度传感器用于监测商用车质心处的横向加速度，判断车辆是否处于侧翻等不稳定状态，提前采取预防侧翻的措施。

横摆角速度/横向加速度传感器应安装在车架质心附近。

1.5 压力传感器

压力传感器用于监测控制管道的制动压力大小，并将相关数据传送给 ECU并计算出作用在车轮上的制动力和整车的纵向力大小。

1.6 轮速传感器

ESC 系统使用轮速传感器获取车辆速度。当车轮转动时，电磁式/数字式轮速传感器输出前后轴相应的脉冲信号，ECU通过脉冲数计算当前的车速。当两轴的车速不同，滑差不同时，ESC系统应用滑移控制调节每个轴上的动力以获得最佳制动力分布。

2 电子稳定系统工作原理

商用车电子控制单元通过传感器和运算逻辑来识别驾驶员期望的车辆运动状态，同时测量和估计出车辆的实际运动状态。当车辆的行驶轨迹与驾驶员输入不统一时，ESC系统通过智能化的电子控制方案找出汽车行驶状态不稳定的具体原因。在极短时间内，按一定的控制逻辑对车轮的纵向力大小进行相应的控制和调节，使车辆稳定减速，保证车辆安全，阻止潜在的危险情况的发生。

为计算驾驶员期待的车辆行驶状态，电子控制单元依靠简化的物理——数字模型（单车辙车辆模型），获得牵引车的设定横摆速度，在车辆装配最后，或在车辆行驶中利用专门的匹配算法（如卡尔曼滤波器或最小二乘法递归评估器）将车辆特征相适应的参数（特征车辆速度、桥距和转向传动比）输入到技术模型中。由于商用车的各种变形车和装载的变化远大于轿车的各种变形车和装载的变化，在线匹配车辆参数显得特别重要。同时，ESC 系统可从可用的测量参数：横摆率、横向加速度和车轮转速获得当前车辆的运动状态。当前的汽车运动和由驾驶员期待的运动明显偏差导致控制误差。控制误差由ECU本身的误差转换为修正的设定横摆力矩。商用车设定横摆力矩大小除了与调节误差有关外，还与当前的汽车配置（车桥距离、车桥数、有没有挂车等）和载荷状况（重量、在纵向方向的重心位置）有关。ESC系统要连续适应这些动态变化的参数，通过估算算法，得到载荷状况。估算算法可以从发动机控制信号（发动机转速和扭矩）和车辆的纵向运动（车轮转速）而不断识别当前车辆质量。

3 电子稳定系统工作过程

3.1 躲避前方突然出现的障碍物

图2 ESC对车辆运动的控制效应图

图2是配备ESC系统和未配备ESC系统的两车在避让障碍物时行驶动力学比较。车辆在行驶过程中避让前方突然出现的障碍物而突然变道时，驾驶员试图紧急制动，猛打方向盘，车辆会有转向不足倾向，即车辆不再跟随驾驶员期望的行驶方向。ESC系统识别出汽车不稳定的行驶趋势，自动介入油门与制动的操作，控制发动机功率输出，增加左后轮制动压力，使作用在车辆上的横摆力矩发生变化，修正车辆的动态。在恢复到原行驶路线时，车辆又会有转向过度的倾向，ESC系统通过在左前轮施加制动力保证车辆稳定，顺利通过障碍物。

3.2 转向不足或过度

汽车在转弯时，转向角传感器检测预定行驶方向，横摆角速度/横向加速度传感器检测转向过程中产生的横向加速度，ESC系统接收信号后对比分析计算两者航偏力矩，当两者出现偏差，如拐弯不足时（如图3所示），ESC系统对汽车的每个轮子施加一个合适制动力，并对后内轮额外施加一个制动力，汽车会产生一个横摆回正力矩，作用在此车轮上的侧向力也相应减小，产生另一个横摆回正力矩，汽车在两个回正力矩的作用下回到驾驶员所期望的轨道上来。此外，ESC系统减小发动机输出转矩，汽车作减速运动，此时前轴的法向力和侧向力增大，后轴的法向力和侧向力减小，加剧汽车的横摆运动，使汽车的实际运动状态更接近驾驶员的期望值，提高了汽车的方向稳定性。

当汽车出现转向过度时，通过上述方法，对外弧线前部车轮施加相应的制动，对发动机系统施加控制，阻止车辆向内滑移，转向过度的实例见图3。

4 电子稳定系统特点

（1）实时监控:ESC系统实时监控驾驶员的操作（转向、制动和油门等）、路面信息、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令；

（2）主动干预:ABS／EBS等系统在起作用时，系统对驾驶员的操控起一定干预作用，但它不能调控发动机，而ESC则是主动调控发动机的转速并可调整每个车轮的制动力，以修正汽车的过度转向和转向不足；

（3）事先提醒:ESC系统具有实时警示功能，当驾驶者操作不当或路面异常时，它会在主动干预的同时用警告灯警示驾驶者。

5 电子稳定系统不足

电子稳定系统是车辆新型的主动安全系统，它替驾驶员完成很多不可能的动作，让车能够更易于控制。但是任何东西都不是万能的，ESC系统也逃脱不了物理定律的束缚。当车身出现轻微失控时，ESC系统可以通过制动系统修正车身姿态，但当车辆过弯速度太快，轮胎的抓地力抵不过离心力时，再高级的ESC 系统也无法挽回车辆侧翻的结局。

6 电子稳定系统发展方向

ESC系统通过车载网络与其他控制单元实现数据信号共享，集成其它先进的系统功能，比如ABS系统、ASR系统。在 ESC 系统的基础上，也可以拓展其它的主动安全技术，如：自适应性巡航控制系统（ACC），自动紧急制动系统（AEB），先进的驾驶系统(ADAS）等。商用车主动安全技术未来的发展趋势朝着智能网联汽车方向发展，最终实现自动驾驶。

7 结论

随着汽车电子制动产品的快速发展，消费者对安全性、舒适性要求的提高及市场的认同，ESC市场前景广阔。而商用车ESC 系统在国外已批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。但我国也在适应时代要求，逐步对ESC 系统提出要求，GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》已经将ESC、AEBS等主动安全技术作为某些商用车型的标准配置。因此，我国必须抓住市场发展时机，用最快的速度研发、掌握和应用ESC技术。