商用車電子穩定控制系統測試技術

朱紅巖，游國平

（重慶車輛檢測研究院國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

一直以來，由于車輛失穩、失控造成的重大交通事故頻有發生。現已廣泛運用的汽車底盤系統主動安全控制技術——ABS 和ASR，雖然能在制動和加速工況下保證車輛的縱向穩定性，而在其他更為常見的諸如超車、避障、轉彎等由于橫向干擾使車輛更容易失去操控性的狀況下，ABS 和ASR 對車輛的穩定性控制則顯得無能為力，此時，沒有裝備車輛橫向穩定控制系統的車輛，更容易由于側滑、側翻等引發重大交通事故[1]。因此，近年來適用于全工況的汽車電子穩定控制（ESC）系統成為現代汽車主動安全控制技術研究的焦點[2]。雖然目前在乘用車領域已有較多的合資或自主品牌車輛已經廣泛配備了ESC，甚至在少數高檔豪華客車亦有配備，但我國ESC 自主研發能力尚弱，其研究領域主要集中于控制器、控制方法的理論研究階段，暫未見相關成熟產品問世，而且在測試技術方面，亦僅處于起步探索階段[3]。為此，本文結合現有ESC 測試法規重點闡述WABCO 公司的商用車ESC 測試方法，并指出其不足。希望對國內商用車ESC 的測試技術的研究有所借鑒。

1 國內外汽車ESC 測試法規現狀

汽車ESC 是在整合ABS 和ASR 基礎上于上世紀90 年代中后期推出市場的汽車新型主動安全系統。各大汽車廠家運用的車輛穩定控制系統其控制原理和方法亦有差別，故在測試方法和匹配評價指標上也難于形成統一的測試評價標準。

ESC 在美國、歐洲的轎車和SUV 等輕型車上已逐步普及，并強制安裝；而在商用車上，甚至是安全性要求更高的客車上，美國暫時沒有強制執行，歐洲則搶先一步，明確了需要在商用車上安裝ESC。

在美國FMVSS 126 中首次規定了總質量在4 536 kg 以內輕型汽車（轎車、SUV 和皮卡等）的ESC 測試方法，而對該質量以上的車輛暫未作規定[4]。隨后，歐盟在2009 年11 月，針對M1和N1類的制動法規ECE R13H進行修訂，增加了附件9——《關于就車輛安全方面裝備復合電子穩定控制系統車輛的特殊要求》[5]，其測試方法和要求與FMVSS 126 基本相同。而商用車制動法規ECE R13 于2008 年8 月在其新增加的附件21——《裝備電子穩定系統車輛的特殊要求》中首次規定了ESC的試驗要求，并規定了商用車強制認證ESC 的時間表，具體見表1。

但至今，標準中僅列出了試驗項目，未明確具體的測試方法。有關測試項目如下[6]：

表1 新車安裝ESC 進行型式認證的執行時間

1）方向控制（Directional Control），包括轉向半徑減少試驗、階躍轉向輸入試驗、正弦延遲試驗、J-轉向、單移線試驗、雙移線試驗、反轉試驗或“魚鉤”試驗、半周期正弦輸入或者脈沖轉向輸入試驗。

2）翻滾控制（Roll-Over Control），包括穩態回轉試驗、J-轉向。

可見，在ECE R13 附件21 中，規定了ESC 應具有兩種功能：方向控制（Directional Control）和翻滾控制（Roll-Over Control），同時分別給出了相應的測試項目。其中方向性控制要求具備：基于對車輛的實際狀態和駕駛員控制意圖的評估，通過選擇性的制動，能夠自動、單獨地控制每軸或并裝軸上的左右輪胎的速度；翻滾性控制功能則要求具備：基于對車輛實際狀態可能導致翻滾的評估，通過選擇性制動或自動控制制動，從而控制每軸或并裝軸上的左右車輪的速度。

ECE R13 還明確，在統一的試驗方法確定之前，ESC具體的認證測試項目由認證機構和車輛生產廠共同確定。所以，現在歐洲認證機構是與ESC 生產廠家共同商討確定最終的ESC 測試項目。

美國公路交通安全管理局（NHTSA）已建議制定FMVSS 136《重型車電子穩定控制系統》，并建議ESC 的評價應包含兩項符合性評價和四項性能性評價指標[7]。

我國ESC 的測試方法研究始于近兩年，目前還處于試驗驗證階段，未形成公開的測試評價方法。

總之，由于汽車ESC 的監控參量多、控制復雜，其控制原理、策略和方法也略有不同，導致其測試程序多、試驗周期長、評價指標等未完全形成統一，因而有一定的可選性和自主性。

2 威伯克商用車ESC 測試方法

威伯克（WABCO）公司在結合ESC 通用測試項目的基礎上，制定了ESC 測試的具體方法，該方法為目前大多數廠家或認證機構在進行ESC 匹配和認證測試時所引用，具有較強的代表性[8]。由于ESC 是在車輛極限行駛工況下控制車輛的穩定性，因此，ESC 的測試是一個非常危險的過程，在車輛試驗之前，應在車輛兩側安裝防止車輛翻滾的保護裝置（支撐輪或支撐架）。

2.1 轉向半徑減少試驗

轉向半徑減少試驗（Increasing Curvature Test），雖然不是一個ISO 定義的測試程序，但被廣泛用來評估高動態狀態下車輛的側向響應，主要用于車輛ESC 翻滾控制功能的評估。圖1 為半徑減少測試的車輛行駛圖。其測試要求如下。

1）測試路面。干燥平整路面（附著系數約為0.8）。

2）測試方法。測試車輛由直線行駛狀態進入如圖1所示擺放好的路線軌跡，過程中逐漸增加方向盤轉角，車速保持勻速。車速從較低車速開始進入，之后逐次增加，直至車速達到極限狀態（車輛即將側翻且保護裝置即將觸地）。

3）ESC 狀態。車輛在ESC 失效和正常兩種狀態下分別進行，且ESC 正常狀態時，應記錄發動機的輸出扭矩和各輪制動氣室（或制動輪缸）壓力，以判斷發動機控制和制動控制功能是否激活。

4）結果評價。ESC 正常狀態時的車輛通過極限速度高于ESC 失效時車輛的極限通過車速。

2.2 雙移線試驗

雙移線試驗（Double Lane Change Test）如圖2 所示，一般用于評價ESC 對車輛的方向控制（不足轉向或過度轉向）和翻滾控制的能力，亦被廣泛用來評估高動態狀態下車輛的側向響應。試驗路面為高附著系數路面和低附著系數路面。

1）高附著系數路面。在高附著系數路面（附著系數約為0.8）進行本項試驗，主要用于評價ESC 的防側翻控制能力。測試分別在ESC 裝置開啟和關閉的情況下進行。每種狀態均保證車輛穩定且保證保護裝置未起作用的狀態下開始進入如圖2 所示的路段，之后逐次增加車速，直至車輛穩定通過測試路段的車速達到極限為止。同前，在ESC 開啟時，應記錄發動機的輸出扭矩和各輪制動氣室（或制動輪缸）壓力，以判斷ESC 系統是否正常工作。

2）低附著系數路面。在低附著系數路面（附著系數約為0.3）進行本項試驗，主要用于評價ESC 的方向性控制能力，測試方法同前。

3）結果評價。對高低附著系數路面，ESC 正常狀態時的車輛穩定通過極限速度都應高于ESC 失效時車輛的穩定極限通過車速。

2.3 單移線試驗

單移線試驗（Single Lane Change Test）主要評價ESC的過度轉向控制能力，分高附變低附路面和低附變高附路面測試工況，分別在車輛ESC 失效和正常情況下進行，試驗車速從保證車輛穩定實現移線時足夠低的車速開始，之后逐次增加移線車速，直至達到極限為止，具體測試工況如下。

1）測試工況一。高附至低附路的移線試驗（Test Jeversen）。如圖3 所示，兩車道分別為附著系數為0.7 左右瀝青路面和附著系數為0.22 左右的濕玄武巖路面，變線距離20 m，車道寬3 m。移線試驗過程中，駕駛員不進行制動。

2）測試工況二。高附至超低附路的移線試驗（Test Rovaniemi）。如圖4 所示，試驗道路分別為附著系數為0.8 的路面和附著系數為0.1 左右的結冰路面，變線距離15 m，車道寬3 m。移線試驗過程中，駕駛員不能進行制動。試驗車速從保證車輛穩定實現移線時足夠低的車速開始，之后逐次增加移線車速，直至達到極限為止。

3）低附至高附測試工況。如圖5 所示，試驗過程為從低附移線至高附路面，并且在試驗過程中，駕駛員需進行全行程制動，并使車輛右前輪制動力突變，從而使由于右前輪制動而車輛產生的橫擺角速度方向與駕駛員轉向時車輛橫擺角速度方向一致，便于車輛實現轉向移線。

4）結果評價。單移線測試時，ESC 正常狀態時的車輛通過極限速度都應高于ESC 失效時車輛的極限通過車速。

2.4 J-轉向試驗

J-轉向試驗（J-turn Test）主要用來測試ESC 對方向控制的能力。這里所說的J-轉向試驗并不是ISO 7401 中所定義的J 轉向試驗。試驗方法有兩種：Jeversen試驗和Rovaniemi 試驗。每種方法均在ESC 正常和失效兩種狀態下，試驗車輛以足夠低的穩定通過速度開始，之后逐次提高入線初速度，直至達到極限狀態（車輛失穩或脫離試車道）。

1）Jeversen 試驗。試驗道路為圖6 中淺色的玄武巖路面，路面附著系數約為0.22。試驗車輛由直線行駛狀態進入內半徑為100 m 的圓形環道。

2）Rovaniemi 測試。如圖7 所示，試驗路面為雪地路面（附著系數約為0.3），試驗車輛由直線行駛狀態進入內半徑為80 m 的圓形環道。

3）結果評價。J 轉向時，ESC 正常狀態時的車輛通過極限車速都應高于ESC 失效時車輛的極限通過車速。

2.5 調頻正弦掃描試驗

1）調頻正弦掃描試驗（Slalom Test）。在ESC 正常情況下進行，廣泛用于車輛動態工況下側向反應評估動態情況下車輛的橫向反應，也可用來優化車輛ESC 性能仿真工具SIMBA 軟件中參數的設置。如圖8 所示，為變頻正弦掃描試驗的方向盤轉角輸入，從頻率為0.1 Hz 開始逐漸增大到1.5 Hz。但是，由于實際測試條件的限制，在很多情況下不太可能實現。

2）結果評價。ESC 正常狀態時的車輛通過極限速度高于ESC 失效時車輛的極限通過車速。

2.6 正弦延遲試驗

正弦延遲試驗（Sine with Dwell），一般需要轉向機器人來完成。該項試驗在歐盟ECE R13H、FMVSS 126 和GTR 8 中均采用此測試項目。如圖9 所示，正弦波頻率采用為0.2 Hz～0.5 Hz（該頻率范圍與整車自然頻率范圍接近，故該頻率范圍對于評價商用車ESC 性能最為理想，而在ECE R13H 和FMVSS 126 和GTR 8 中正弦波頻率為0.7 Hz）。經過前半周期的正常正弦波，進入后半周期的波峰有500 ms 的延遲。

2.7 威伯克ESC 測試方法分析

判斷所設計的試驗方法是否能夠很好地評價ESC系統的性能，美國公路交通安全管理局（NHTSA）認為該試驗應具有如下三個特征[9]：

1）試驗必須具有足夠的強度，以激發ESC 系統對過度轉向或不足轉向的干預。

2）有高度的可重復性和可操作性。

3）可以對ESC 系統的橫向穩定性能和響應進行評價。

從威伯克（WABCO）公司提供ESC 的六項測試中，其中前4 項屬于“閉環”類試驗，后2 項為“開環”類試驗。對于“閉環”試驗，由于駕駛員的反應和操作對試驗車輛穩定性的控制和試驗結果的評價有很大的影響，不同的駕駛員對同一行駛工況和車輛的控制有較大的差別，故不能較好地保證試驗結果的重復性和一致性，且僅通過比較ESC 失效和正常兩種狀態下車輛的極限通過車速作為評價標準，而對其他ESC 性能評價方面的指標未作明確說明。因此，前4 項方法運用于ESC 的符合性評價，即ESC 的定性評價；后2 項方法的試驗運用轉向機器人對試驗車輛的方向盤進行轉向輸入，排除了駕駛員因素的影響，可通過監控試驗過程中車輛的橫擺角速度、側向加速度和橫向位移等車輛狀態參量評價ESC 的性能，即適用于ESC 性能的定量評價。

同時，WABCO 公司提供的試驗項目并未能與ECE R13 中項目能夠一一對應；缺乏“階躍轉向輸入試驗”、“反轉試驗”或“魚鉤試驗”和“半周期正弦輸入或者脈沖轉向輸入試驗”以及“穩態回轉試驗”的測試方法，且在J-轉向（J-turn）中與ISO 7401 規定的階躍輸入（J 轉向）試驗方法并不一致[10]。

3 結束語

從各國ESC 測試技術的研究進程和以上WABCO公司的測試程序可以看出，ESC 試驗不僅對試驗場地條件的要求很高，而且試驗危險系數很大。目前國內汽車試驗場對ESC 場地的要求還遠未成熟，僅能開展部分項目的測試。同時，由于試驗方法的不統一、評價指標不完善，從一定程度上限制了我國ESC 自主產品的研發和裝車使用。我國應加快ESC 測試技術的研究和試驗場地的建設。

[1]劉建宏.商用車輛防抱死制動系統的電子控制單元研究與開發[D].長春：吉林大學，2008.

[2]網易汽車.汽車電子穩定控制系統（ESP/ESC）歷史解析[EB/OL].（2012-02-10）[2012-08-03].http：//auto.163.com/12/0210/11/79T7NRHJ00084TUS.html

[3]王德平，郭孔輝.車輛動力學穩定性控制的控制原理與控制策略研究[J].機械工程學報，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.汽車裝備電子穩定性程序后的性能評價方法[J].拖拉機與農用運輸車，2008，（8）

[10]謝伯元，朱西產，朱贇，等.ESC 試驗方法研究[J].天津汽車，2007,（6）