編輯 | 一驥絕塵
系列文章概述
說到電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)ESC（Electric Stability Controller）大家都不陌生，自1995年博世研發(fā)出第一代ESP系統(tǒng)（博世ESC系統(tǒng)的專有稱呼）并首次應用在奔馳S級轎車上以來，這個汽車發(fā)展史上劃時代的主動安全產(chǎn)品為降低交通事故做出了卓越的貢獻。
ESC的初衷是提高車輛動態(tài)穩(wěn)定性，同時也正是由于ESC有主動控制四個輪子制動力的能力，使得ESC的控制潛力又不限于穩(wěn)定性控制，于是乎衍生出了一系列的輔助功能，如坡道輔助、制動助力等；到了自動駕駛系統(tǒng)架構(gòu)日漸成熟的今天，ESC仍然發(fā)揮著它的價值，活躍在主流的自動駕駛的制動冗余方案中。
基于此，系列文章將分以下三期講解ESC在智能駕駛浪潮中的進化之路：
ESC與穩(wěn)定性控制 (上)
ESC與輔助功能 (中)
ESC與自動駕駛 (下)
本文即為系列文章的上篇，探討ESC穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的發(fā)展過程以及控制原理。
1. 前言
據(jù)對汽車安全性研究顯示，在道路交通事故中，大約10％的事故是由于車輛在制動瞬間偏離預定軌道或甩尾造成的。因此完善制動性能是減少交通事故和促進汽車工業(yè)發(fā)展的重要措施，而對制動進行主動干預是完善制動性能的關鍵。
目前ESC系統(tǒng)穩(wěn)定性控制主要包括三個能對制動進行主動干預的子功能：
制動防抱死系統(tǒng) (Anti-lock Brake System, ABS)
牽引力控制系統(tǒng)(Traction Control System, TCS)
車輛動態(tài)控制系統(tǒng) (Vehicle Dynamic Control, VDC)
這三個主動安全控制功能的陸續(xù)問世代表著ESC系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的發(fā)展過程中的三次里程碑，接下來將對這三個功能逐一進行介紹。
2. 制動防抱死系統(tǒng)ABS
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車速度的提高，汽車的制動性能越來越重要, 完善制動性能是減少交通事故和促進汽車工業(yè)發(fā)展的重要措施。在汽車上裝用ABS系統(tǒng)，其優(yōu)
越性表現(xiàn)在如下的幾個方面：
能有效地利用輪胎與路面間的附著能力，縮短制動距離，尤其是在冰雪路面上可縮短10%-15%；
制動過程中，車輪仍然可以滾動，保持了前輪的可操縱性，防止后輪的側(cè)滑，維持了行車方向的穩(wěn)定性；
由于制動防抱，車輪不會抱死拖滑，減少了輪胎的磨損，可以提高輪胎的使用壽命，減少空氣中的污染
早在30年代國外就開始了對ABS的研究。60年代末70年代初，第一代實用的車用ABS系統(tǒng)在美國面世，它們的典型代表是Ford的Sure-Track和Chrysler的Sure-Brake。其特點是控制單元采用模擬計算機，由真空壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)制動壓力，但控制效果不是很好，沒有推廣開來。到了70年代后期，由于數(shù)字電子計算機技術的發(fā)展，同時也得益于液壓控制技術的進步，德國博世公司推出基于液壓控制的ABS，控制效果相當理想，博世也與1978年正式量產(chǎn)。在這以后，Bosch、ITT Automotive、Kelesy-Hayes、Wabco等許多公司不斷加強對ABS的研究，各種新型的ABS層出不窮，性能不斷優(yōu)化而價格逐漸降低，使越來越多的轎車和商用車將ABS作為標準配置。
ABS控制的核心是滑移率控制。滑移率又稱為滑動率，當輪胎端作用制動力時，在輪胎與地面之間都會發(fā)生相對運動，車輪中滑動成分所占的比例稱為滑移率，用S表示。
滑移率對汽車車輪制動的附著系數(shù)影響很大。由下圖可以看出，當?shù)孛鎸囕喎ㄏ蚍醋饔昧σ欢〞r，滑移率大約在20%左右時制動縱向附著系數(shù)最大，車輪與路面之間的能產(chǎn)生的附著力就最大，此時的地面制動力也就最大，制動效果最佳，而當車輪完全抱死拖滑時，汽車制動穩(wěn)定性最差。
基于以上理論，當駕駛員遇到需要深踩制動的工況時，ABS時刻將車輪的滑移率保持在10%～30%的范圍內(nèi)，以保證車輪與路面有良好的縱向、側(cè)向附著力，從而有效防止制動時汽車側(cè)滑、甩尾、失去轉(zhuǎn)向等現(xiàn)象發(fā)生，提高了汽車制動時的方向穩(wěn)定性。
輪速傳感器：四個輪速傳感器實時監(jiān)控四個車輪輪速并提供給液壓控制單元ECU, 用以估算當前車速和各個車輪的滑移率
液壓控制單元：基于輪速信息判斷當前車速和車輪滑移率，實時計算對輪缸的目標壓力，并通過對液壓馬達和電磁閥的控制實現(xiàn)輪缸壓力控制
2. 輪速傳感器向ABS ECU提供輪速信息，ECU計算滑移率，如果超過設定的穩(wěn)定滑移率門限，ABS介入對輪缸壓力進行主動干預
3. ECU通過控制液壓模塊的電磁閥和液壓馬達調(diào)節(jié)輪缸液壓，避免車輪抱死
3. 牽引力控制系統(tǒng)TCS
通過上面的介紹可以看出，ABS激活的前提是駕駛員踩制動引起車輪有抱死傾向，因此ABS在非制動工況下的穩(wěn)定性控制就束手無策了。生活中常見兩類典型工況：
-
工況1：在冰面加速起步的時候無論油門踩多深都無法起步；
-
工況2：在分離路面（一邊輪胎在附著系數(shù)低的路面而另一邊輪胎在附著系數(shù)高的路面）加速起步的時候無論油門踩多深都無法起步。
對于工況1，其原因在于驅(qū)動力過大使得驅(qū)動輪打滑過量導致無法合理利用路面附著力。和制動相同，當輪胎端作用驅(qū)動力時，在輪胎與地面之間都會發(fā)生相對運動，車輪中滑動成分所占的比例稱為滑轉(zhuǎn)率（制動對應的通常稱為“滑移率”），也用S表示。從下圖可知，當滑轉(zhuǎn)率控制在一定范圍內(nèi)時才能保證車輪與路面有良好的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)，從而為車輛提供最佳驅(qū)動力。
驅(qū)動工況下滑轉(zhuǎn)率與驅(qū)動附著系數(shù)的關系
對于工況2，則是由于差速器的“副作用”造成的。汽車能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎依賴于差速器，轉(zhuǎn)彎時車輛的左右側(cè)車輪由于繞圓半徑不同，其轉(zhuǎn)速是不相等的，而如果左右側(cè)車輪剛性連接則無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速不相等。差速器是能夠使左、右驅(qū)動輪實現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的機構(gòu)。
差速器主要由左右半軸齒輪、兩個行星齒輪及齒輪架組成，這一機構(gòu)的特點是“差速不差扭”，即左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速雖然不同，但是傳遞到兩個驅(qū)動輪的驅(qū)動扭矩是相等的。
這樣一來，當車輛在分離路面起步時，低附著路面的驅(qū)動輪率先達到附著極限，從而使整個驅(qū)動軸的驅(qū)動力受到低附著路面的影響，導致所傳遞到高附側(cè)的驅(qū)動力矩受到限制(和低附側(cè)路面驅(qū)動力矩相等)，車輛因驅(qū)動力不足而無法起步。
為解決這兩個典型工況的穩(wěn)定性問題，1986年，博世公司推出了牽引力控制系統(tǒng)TCS，并將制動防抱死系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)集成到一起并應用于梅塞德斯S級轎車上，這標志著 ABS/TCS集成時代的來臨。
TCS控制系統(tǒng)的組成部分相對ABS要更多。除了執(zhí)行機構(gòu)增加了驅(qū)動力控制單元（發(fā)動機ECU或電機ECU）外，還增加了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和慣性傳感器。
④ 慣性傳感器 (橫擺角速度，縱向加速度，橫向加速度)
TCS對執(zhí)行器的控制可以按照這兩個典型的工況分類：
對于工況1，當兩個驅(qū)動輪的附著系數(shù)近似相同時，TCS僅控制驅(qū)動力，其閉環(huán)控制可以概括如下：
2. 傳感器向TCS ECU提供輪速、坡度等信息，ECU計算滑轉(zhuǎn)率，如果超過設定的穩(wěn)定門限，TCS介入對驅(qū)動力進行干預，降低驅(qū)動力并將目標發(fā)給驅(qū)動力控制系統(tǒng)ECU;
3. 驅(qū)動力控制系統(tǒng)ECU響應目標驅(qū)動力，使驅(qū)動輪的打滑量在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)， 保證車輛能有效地利用路面的附著力。
對于工況2，當兩側(cè)驅(qū)動輪附著系數(shù)差異較大時，由于整個驅(qū)動軸能提供的最大驅(qū)動力受到低附側(cè)的附著系數(shù)的限制，使得TCS對驅(qū)動力的控制范圍也受到了限制，導致無法將打滑量調(diào)到穩(wěn)定性區(qū)間。這種情況下TCS在控制驅(qū)動力的同時要對低附側(cè)的車輪施加制動力，這樣一來，由于制動力的抵消，即使驅(qū)動軸上的驅(qū)動力超過了低附側(cè)的附著極限，但實際作用在低附側(cè)的驅(qū)動力變小而不至于達到附著極限，從而擴大了TCS對高附側(cè)車輪的驅(qū)動力控制范圍，實現(xiàn)有效利用路面的附著力來起步的目標。
紅:制動力；綠:驅(qū)動力；黃:路面能提供的最大附著力
4. 車輛動態(tài)控制系統(tǒng)VDC
由于ABS只在制動時起作用，TCS只在驅(qū)動時起作用，因此ABS/TCS的集成只能解決車輛縱向穩(wěn)定性問題，無法解決車輛驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)向、高速轉(zhuǎn)向等極端工況下引起的側(cè)向穩(wěn)定性問題。博世公司于1992年在 ABS/TCS的基礎上開發(fā)了旨在解決車輛側(cè)向穩(wěn)定性問題的第一代穩(wěn)定性控制系統(tǒng)VDC，并將同時集成了ABS/TCS和VDC功能的產(chǎn)品命名為ESP (Electronic Stability Program) 。1995年ESP系統(tǒng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并首次應用在奔馳S級轎車上。
博世ESP的誕生是汽車發(fā)展史上劃時代的產(chǎn)品，后面其他廠家也陸續(xù)推出類似產(chǎn)品但是無法繼續(xù)使用ESP這個簡稱，因此命名五花八門，不過都統(tǒng)稱為電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)ESC（Electric Stability Controller）。
根據(jù)德國保險公司總協(xié)會GDV的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，25%的造成嚴重人身傷害的事故是由車輛打滑引起的，而60%的造成致命傷害的事故是由于高速時錯誤轉(zhuǎn)向造成的側(cè)面碰撞引起的。研究表明，VDC功能可以減少80%由側(cè)滑引起的交通事故，并將嚴重車禍的數(shù)量減少50%。因此繼承了VDC功能的ESC被多家世界著名汽車廠商和研究機構(gòu)稱之為“能拯救生命的ESC”。正因如此，2009年歐盟強制要求從2011年11月1日起，所有在歐盟地區(qū)銷售的新車都要強制裝備車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)，所以現(xiàn)在的歐洲新車都將會標配這一系統(tǒng)。今天在中國雖然沒有強制法規(guī)要求，但是10萬以上的車型幾乎都搭載了ESC作為賣點。
VDC控制系統(tǒng)的組成部分和上文提到的TCS的組成部分相同，其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。
轉(zhuǎn)向不當會造成的兩類典型的車輛動態(tài)問題：
前者會導致車輛偏離車道，而后者則易引起車輛甩尾甚至側(cè)翻。
轉(zhuǎn)向不足與轉(zhuǎn)向過度示意圖
當出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足時，橫擺角速度太小，導致車輛前軸滑向彎道外側(cè)，此時VDC通過對彎道內(nèi)側(cè)的車輪施加制動力而使車輛產(chǎn)生一個反向的橫擺角速度，從而將車輛穩(wěn)定在預期車道內(nèi)。
當出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度時，橫擺角速度太大，導致車輛后軸滑向彎道外側(cè)而引起甩尾，此時VDC通過對彎道外側(cè)的車輪施加制動力而使車輛產(chǎn)生一個反向的橫擺角速度，從而將車輛穩(wěn)定在預期車道內(nèi)。
5. 總結(jié)
本文對ESC系統(tǒng)的三個穩(wěn)定性控制子功能展開了介紹，這三個功能都是博世公司率先實現(xiàn)量產(chǎn)，因此從某種程度上來說ESC的發(fā)展史也是德國博世公司的發(fā)展史。
在下期文章中將分析由ESC系統(tǒng)衍生出的典型的輔助功能及其控制原理。
