國產SUV電子穩定控制系統性能測試研究

牛成勇,徐建勛，游國平，曾 杰，張儀棟

(重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監督檢驗中心， 重慶 401122)

汽車電子穩定性控制(簡稱ESC)是一項輔助駕駛員控制車輛維持穩定狀態的主動安全技術，其通過對各傳感器實時采集的車輛行駛狀態信息進行綜合分析，并向ABS、ASR等執行機構發出糾偏指令，對車身的不穩定性狀態進行及時矯正以維持車輛動態平衡，有助于防止交通事故的發生。ESC系統使車輛在各種狀況下保持最佳的穩定性，尤其在轉向過度或轉向不足的情形下效果更加明顯。根據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控制策略因生產廠家的不同而帶來其系統性能的優劣性，故裝備ESC系統的車輛必須滿足標準法規要求的性能試驗以確保系統對車輛在極限工況下出現的因轉向過度引起的后軸側滑(甚至側翻)、因轉向不足導致的前軸側滑趨勢有足夠的干預,及時使車輛進入穩定工況。與轎車相比，SUV重心較高，靜態穩定性系數較低，故在緊急避險工況下有可能會出現側翻，這相對于轎車突遇危險工況而出現的橫擺甩尾更加危險、難以控制。因此，對SUV電子穩定控制系統的避險性能進行研究與測評具有重要的現實意義。本文對3款進行出口認證的國產SUV匹配國外某生產廠家的ESC系統進行測試與評價，以期為國內汽車ESC系統的研發提供技術參考。

1 ESC系統的組成及工作原理

1.1 ESC系統的組成

一般來講，ESC系統主要由傳感器、控制器、執行器、人機交互界面部分組成。

ESC系統的傳感器主要包括轉向角度傳感器、側加速傳感器、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據進行計算，并將計算得出的車身狀態數據與存儲器中預先設定的數據進行比對。

ESC的執行器主要為ABS(防抱死系統)、ASR(牽引力控制系統)、BAS(制動輔助系統)、ETC(電子節氣門系統)。本質上，ESC是幫駕駛人踩制動。

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

人機交互界面通過儀表盤上的ESC燈實現與駕駛人的溝通，如監視器/警示燈、ESC開關等。

1.2 ESC系統的工作原理

ESC控制的基本原理簡圖如圖1所示。可以看出，ESC系統通過車載傳感器和相關運算邏輯來獲取、辨識駕駛員對汽車的期望運動狀態，同時測量并估算出汽車的實際運動狀態。當“兩種狀態”之間的控制誤差超過給定的閾值時，系統將按照設定的控制邏輯對車輪的縱向力和發動機扭矩進行相應的控制和調節以使作用在汽車上的橫擺力矩發生變化并降低發動機的輸出扭矩。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更接近于駕駛員對汽車的期望運動狀態[4-6]。

圖1 ESC系統控制策略簡圖Fig.1 The sketch of ESC control strategy

2 國內外汽車ESC的測評方法

ESC的主要功能是保證車輛的側傾穩定性和橫擺穩定性(即方向穩定性)，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測試評價體系建設方面比較完善，如威伯克和克諾爾公司在其產品開發當中均已形成了較為系統和完善的ESC產品性能評價體系，而國內在ESC領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，國內外發展現狀如下：

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、最早以法規形式明確輕型車輛ESC安裝與性能要求的FMVSS 126《汽車電子穩定性系統》，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《輕型車電子穩定性控制系統性能要求與試驗方法》于2014年發布，其標準正文內容與性能要求完全參照GTR8，但在標準的資料性附錄部分規定ESC冰雪道路試驗要求，彌補了GTR8轉向不足評價內容的缺失。

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

3 國產SUV的ESC測試評價

3.1 測試方案

根據ECE R13H法規標準要求，將采用正弦停滯試驗、利用轉向機器人進行方向盤輸入對ESC的方向穩定性和側傾穩定性能力進行準確、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)進行慢增量轉向試驗以確定基準方向盤轉角，記作“A”(A值為試驗車的穩態側向加速度為0.3g時的方向盤轉角)；(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 橫向穩定性評價指標

正弦停滯試驗中的橫向穩定性的性能標準是在轉向動作完成后的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角與橫擺角速度的示意圖。

圖2 方向盤轉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(僅限于方向盤轉角≥5A的測試)

響應性能評價指標旨在評價在ESC系統介入時，車輛對駕駛員輸入的響應能力。具體而言：在轉向起始點后的1.07 s時刻，對于設計總質量大于3 500 kg的汽車，質心相對于其初始直線行駛軌跡的側向位移至少為1.52 m；對于設計總質量不超過3 500 kg的汽車，質心相對于其初始直線行駛軌跡的側向位移至少為1.83 m[8-9]。

3.2.3 干預過度轉向性能定性評價指標

在正弦停滯試驗過程中，ESC系統必須具備防止車輛過度轉向或激轉的能力[10]。

3.3 測試設備設施及車輛條件

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

(a)轉向機器人 (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測試設備Fig.3 Test equipment of ESC

英國ABD轉向機器人和GPS差分定位基站可實現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果的可靠性。制動油門組合機器人可實現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，經計算，靜態穩定性系數均低于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的不穩定危險狀況。本次試驗采用的是進口的、鈦合金材料的防翻架，其重量、強度滿足法規要求。

測試車輛重要參數信息見表2(備注：整車參數均為實測值，并非法規公告值)。

圖4 測試車輛Fig.4 Test vehicles

表2 測試車輛重要參數信息

3.4 正弦停滯測試結果及分析

按照ECE R13H法規要求，進行ESC正弦停滯試驗，以5A測試結果為例，得到一個測試循環下的車輛橫擺角速度響應曲線(圖5)及橫向位移測試結果(表3)。其中，3輛國產SUV的“A”值為:1#：36.1°；2#：38.3°；3#：30.7°。

表3 橫向位移測試結果Tab.3 Test results of lateral displacement

通過測試結果可以看出，ESC對車輛橫擺穩定性具有“積極”的修正作用。由圖 5和表3可以看出，在正弦停滯轉向輸入后，車輛的橫擺角速度在ESC 系統的干預下均是回歸的、趨于穩定的。

對于1#國產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，該車的試驗結果滿足法規標準的性能要求。對于2#和3#國產SUV的測試結果，也均滿足法規要求，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了明顯的側滑與甩尾，但按照ECE R13H法規要求，其測試結果滿足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分優劣。 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“橫擺角速度和側向位移”來評價乘用車的抗橫擺能力和防側翻能力是否合理，是否還有更好的評價指標來評價ESC系統的優劣性，值得我們進一步考量。

3款國產SUV均匹配了同一廠家、同一型號的ESC系統，但測試結果卻不盡相同。究其原因，主要是因為不同車型的整車參數、發動機參數及懸架特性存在差異，導致同一品牌型號的ESC會體現不同的控制能力。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。根據統計，新車型的ESC整車匹配大約持續8個月的時間，按照高附著系數鋪裝路面匹配試驗(夏季)、低附著系數鋪裝路面匹配試驗(冬季)、高附著系數鋪裝路面匹配試驗(夏季)3個閉環環節完成。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，結合中國國情，該3款國產SUV在ESC匹配過程中未必嚴格按照實際的匹配要求來執行。這一點，值得我們去思考。

(a)1#測試車 (b)2#測試車 (c)3#測試車圖5 方向盤轉角與橫擺角速度響應曲線Fig.5 Response curve for steering wheel angle and yaw rate

4 結束語

本文依據ECE R13H法規標準對3款國產SUV匹配國外某生產廠家的ESC系統的性能進行了測試與評價。 因不同車型的整車參數、發動機參數及懸架特性的差異導致同一品牌型號的ESC會體現不同的控制能力且國內SUV的ESC系統匹配較差，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，建議提高標準法規中的汽車橫擺穩定性評價指標以驅動ESC主動安全供應商的系統研發，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”鋪裝路面進行閉環標定以滿足實際道路工況的需要。