底盘系统对电网稳定性的影响研究

李 军

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 引言

汽车在行驶的过程中，当紧急转向或者紧急制动时，可能会出现如下情况：用电器突然中断，舒适系统受到影响，如前照灯闪烁、仪表闪烁、导航系统抖动等；或者在急转向及制动极端情况下时，安全系统受到影响，如ABS失效、无法正常转向、发动机突然熄火，驾驶员无法控制车辆，导致事故发生。

分析以上现象，是由于整车电网不稳定性引起的。在紧急转向或者紧急制动时，底盘系统中的转向系统或者制动系统需要消耗较大的脉冲电流，导致了整个电网的电压不稳定性，使电压上升或者下降到用电器的正常工作电压范围，从而引起了舒适系统用电器的不稳定工作。在极端情况下，整车系统仅由发电机或者蓄电池供电时，可能导致电子稳定系统ESC不能工作，当电压低于极限值，发动机可能会直接熄火。电网稳定性的影响因素包括整车能量系统、转向系统及制动系统。整车能量系统包括蓄电池和发电机，转向系统为电动助力转向系统EPS，制动系统包括电子稳定系统ESC。

因此，分析底盘系统对整车电网稳定性的影响，对提高整车的舒适性及特殊工况下的安全性具有重要作用。

2 电网稳定性影响因子

整车电网稳定性是检查当瞬态大电流产生的情况下，整车电网是否能够满足要求。其主要影响因子包括发电机、蓄电池、电子稳定系统ESC和电子助力转向系统EPS。发电机和蓄电池提供整车电网的电源，电子稳定系统ESC和电子助力转向系统EPS是产生瞬态大电流的主要部件。

发电机是汽车电器系统的主要电源，由汽车发动机驱动，它在正常工作时，对除起动机以外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电以补充蓄电池在使用中所消耗的电能。

蓄电池作为车用直流电源，是汽车必不可少的一部分，其功能为：启动发动机时，给起动机提供强大的启动电流；当汽车发电机不供电时 （发动机不运转或转速过低），为车内用电器如音响系统、照明系统等提供电源；发电机输出电量不足时，可以辅助向用电设备供电；当发电机端电压高于蓄电池的电动势时，将一部分电能储存起来。蓄电池还是一个大容量电容器，可以吸收汽车电路中出现的瞬时过电压，保护汽车的电子元件和各类电器。

电子稳定系统ESC的基本工作原理如下：通过比较驾驶员意图，即驾驶员通过给定转向盘转角而设定的行驶轨迹和车辆实际行驶轨迹之间的差异，计算出设定和实际状态的偏差，然后通过制动干预选择性制动，对某个车轮制动器单独建压或减压，使车辆实际行驶轨迹得到修正并与驾驶员意图尽可能保持一致。驾驶员意图由转向盘转角、车速及制动压力等参数计算得到，实际行驶轨迹由ESC传感器 （包括横摆角速度、侧向加速度，通常还有纵向加速度传感器）和轮速传感器等提供的测量参数计算得到。

ESC的控制器结构如图1所示，执行装置是泵电机控制的4个车轮制动单元，如图2所示。

图1 ESC控制器单元

图2 制动单元

在车上的传感器感知到车身有明显的侧滑、跑偏等动作，或者一个，或者几个车轮明显与其它车轮转速不一样，甚至打滑空转时，如横向加速度过大、路面附着系数低、制动时加油门、转向角度大等，ESC启动，分别控制每个车轮的制动力度，通过在极短的时间内，不停地调节每个车轮的制动力度，从而达到尽量稳定车身状态的目的，使车辆尽量平稳行驶，不至于不受控而发生危险。

电子助力转向系统EPS利用电动机产生的动力协助驾车员进行动力转向，不同的车虽然结构部件不一样，但大体是相同的，一般是由转向传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器组成。

EPS是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，在需要转向时才启动电机产生助力，能减少发动机燃油消耗，能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力转向系的扰动，改善汽车的转向特性，提高汽车的主动安全性。

3 底盘系统的电流特性

整车电网受到干扰时，会对安全性及舒适性产生影响，在发电机、蓄电池电源系统能提供给整车安全电源时，需要分析瞬态大电流用电器工作时，是否能保证整车电网满足正常工作范围。

ESC工作瞬态电流会频繁振荡，如图3所示，当紧急转向时，横向加速度增加，ESC工作，执行机构泵电机及电子液压控制单元会产生瞬态大电流，并且ESC的电流也会频繁振荡。

图3 ESC-转向盘急转曲线

当急加减速转角状态，EPS转向电动机会产生瞬态大电流，如图4所示。当转角速度越大，EPS的电流会越大；当转角速度平缓，EPS的电流会较低。由此可见，EPS的电流变化与转向角的大小无关，而与转角速度相关。

图4 EPS-转向盘急转曲线

瞬态大电流产生时，会对整车电网的电压带来干扰，当整车电网电压低于各电器零件设定的最小工作电压时，用电器将不能正常工作，包括ESC和EPS及舒适系统，如导航、仪表、空调、前照灯等，会影响整车舒适性和安全性，所以需要进行蓄电池、发电机、ESC和EPS的整车电网稳定性分析。

4 试验方法

试验过程需要检测的数据包括：蓄电池电流及电压，发电机电流及电压，电子助力转向系统转角、转角速度及转向助力及电流，电子稳定系统ESC的电流，驱动CAN数据等。电网稳定性测试框图如图5所示。

图5 电网稳定性测试框图

试验中，测试设备使用imc公司提供的测试设备，该设备能同时进行CAN网络、LIN网络，电压模拟通道的测量。将ESC和EPS的电流信号通过电流传感器连接到imc设备，再将蓄电池和发电机的电流和电压信号连接到imc设备，imc设备与测试电脑连接，通过测试电脑进行数据记录。

5 试验结果及分析

通过分析用户使用的极限路况，制定了相应的试验路线及工况，即高速情况下的紧急避让，需急踩制动及急转转向盘的操作。

试验时，需要将整车电器打开至最大功率状态，进行如下设置：空调除霜或者最大制冷，座椅加热，后风窗加热，打开前照灯、车内阅读灯、前后雾灯等。

下面分别列举两组不同的试验数据，一组为满足测试要求的正常结果测试数据，另一组为非正常结果的测试数据。

5.1 正常结果的试验数据

按照高速紧急避让路线，通过imc设备记录，得出一组正常数据的测试曲线，如图6所示。图6中，分别对以下信号进行分析：ESP_v_Signal——车速，Drehzahl——发动机转速，UBat——蓄电池电压，IESC——ESC电流，IEPS——EPS电流。

图6 正常结果的测试曲线

图6 中，当EPS和ESC极限工作时，ESC的最大电流为89.31A，EPS的最大电流为60.72A，整车电压的范围为：11.5～12.29V，整车电流和电压的变化值满足整车电网稳定试验要求。EPS的电流信号显示能够提供稳定的转向助力，ESC的电流为频繁振荡，处于正常工作状态，测试结果正常。

5.2 非正常结果的试验数据

当与电网稳定性相关零件选型或者匹配参数出现问题时，会产生非正常的测试结果，如图7所示。

图7中，在横坐标79s处，EPS和ESC工作的情况下，发动机转速信号逐渐降为0r／min，发动机出现了熄火，无转向助力。对于用户来说，这种情形非常危险，即在紧急避让后，车辆失控了，无法转向及继续行驶，容易造成追尾等事故，因此，测试结果不合格。经过驱动CAN数据分析，发动机控制器优化了相关匹配参数，该问题得到了解决。

图7 非正常结果的测试曲线

6 结语

通过试验研究，发现车辆在高速行驶，在紧急避让或者大力制动时，出现车辆失控或者发动机熄火的情况，从而引入了电网稳定性研究的概念。该研究对传统燃油车、混合动力车及纯电动车均有实际意义，混合动力车及纯电动车主要考虑低压侧电网稳定性影响。

模拟用户高速紧急避让极限工况，使ESC和EPS系统工作时触发瞬态大电流，分析了该过程对整车电网的稳定性影响。该分析对整车能源系统蓄电池和发电机选型提供了依据，对优化整车系统包括转向、制动和发动机系统给出了指导，确保了整车的用电器能工作在正常范围内，满足了整车的安全性与舒适性要求。