第四章 汽車電子穩定系統

第一節 電子穩定系統概述

一、概述

隨著現代汽車技術的發展，車輛的主動安全性大大提高。為了防止車輪抱死，避免車輛在緊急制動時因車輪抱死而失控，1978年博世公司開發了世界首套ABS，并在1985年投產。據統計，在2004年歐洲生產的新車ABS裝備率已達到85%，而歐洲生產協會規定2004年7月起生產的新車100%裝備ABS。在我國生產的新車中裝備ABS的也達到了66%。

由于ABS不能解決車輛在濕滑路面上起步或加速出現的車輪打滑問題，更不能避免車輛發生側滑。因此，在ABS的基礎上，進一步推出牽引力控制系統（TCS）。在車輛起步或加速時，如果某個車輪出現了打滑現象（車輪輪速傳感器不斷監視著每一個車輪），TCS系統會迅速干預制動系統和發動機工作，使車輛能夠安全地起步或加速（防止車輪打滑保證車輛具有良好的牽引性能，同時照顧其穩定性和操縱性）。

1995年博世公司又推出了ESP。ESP是Electronic Stability Program的縮寫，中文常譯成“電子穩定程序”或“電子穩定系統”，它是德國博世公司的發明專利和專用注冊商標。ESP屬于汽車主動安全系統，又稱為行駛動力控制系統。它是ABS和ASR兩種系統功能的延伸。它通過對從各傳感器傳來的車輛行駛狀態信息進行分析，然后向ABS、ASR發出糾偏指令，來幫助車輛維持動態平衡。ESP可以使車輛在各種狀況下保持最佳的穩定性，在轉向過度或轉向不足的情形下效果更加明顯。從某種意義上來說，ESP也是一種牽引力控制系統，但是與其他牽引力控制系統比較，ESP不但控制驅動輪，而且可控制從動輪。如后輪驅動汽車出現轉向過度時，ESP便會通過控制外側的前輪制動力來穩定車輛，防止后輪失控而發生甩尾現象。在轉向不足時，為了校正行駛方向，ESP則會通過控制內側的后輪制動力，從而實現校正行駛方向的目的。

有了ESP，車輛在濕滑路面失去控制的幾率大大降低了，整車的主動安全性也更高。無論是晴天還是雨天，駕駛人都能放心大膽地操縱加速踏板，因為在ESP的輔助作用下一切都會得心應手。但要注意ESP也不是萬能的，它只是一套輔助設備。千萬不要因為有了ESP就可以隨意將加速踏板踩到底或者高速轉彎。如果盲目開快車，任何安全裝置都難以保證其安全性。ESP可以稱得上是當前汽車防滑系統的最高級形式。

ESP在不同的車型，往往賦予其不同的名稱，如奔馳、奧迪稱其為ESP，寶馬稱其為DSC，豐田、雷克薩斯稱其為VSC，三菱稱其為ASC/AYC，本田稱其為VSA，而沃爾沃稱其為DSTC，但其原理和作用基本相同，詳細情況見表4-1。

表4-1 各廠商類似ESP系統基本情況

二、ESP在國外和國內應用現狀

據統計，在歐洲每年有5萬人死于車禍，190萬人受傷。另據德國保險業工會前些年的研究表明，在涉及嚴重人身傷害的車禍中，其中25%由汽車側滑引發，且60%的致命車禍都起因于汽車側滑導致的側面撞擊。在國內，這一數字可能更高。引起側滑的主因是：路況突變，使輪胎失去側向力從而失去操控；路面突現險情，駕駛人緊急避讓時猛打轉向盤過度等。

按照“歐洲道路安全憲章”計劃的目標，到2010年，要將交通事故死亡人數減半，如何實現此目標？推廣應用ESP被認為是最重要的措施之一。許多著名汽車生產商的研究表明：ESP能改善在濕滑路面及緊急避讓時的操縱穩定性與行駛安全性，可將嚴重車禍的數量顯著減少50%，它是主動安全技術的一項突破。據美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）的一項報告稱，在配備了ESP的車輛中，客車單車碰撞事故減少了30%，而轎車致命的單車碰撞事故也減少了30%。就運動型多用途車（SUV）而言，該事故下降率甚至更高，單車碰撞事故減少了67%，而致命事故則減少了63%。大量研究和分析都已證實ESP在增強道路安全方面的有效性，目前汽車廠商對ESP高度重視，例如：美國通用、福特和克萊斯勒之前聯合宣布在2006年前將其作為大部分SUV的標準安全配置，其中通用雪佛蘭新款SUV科帕奇（CAPTIVA）和克萊斯勒2007年款Jeep大切諾基都已經把ESP作為標準配置，科帕奇于2007年11月6日在杭州宣布在國內上市。另外，美國運輸部（DOT）與國家公路交通安全管理局，于2007年4月紐約車展時宣布：自2011年9月開始，所有在美銷售的2012年款新車，必須配備電子車身穩定系統，才能獲準于美國市場銷售。

目前，在歐洲大約40%的新車配備了ESP系統，在高檔車上已成為標準配置，中檔車上的裝配率也迅速提高，但在緊湊型車上裝配率還較低。在北美和日本，ESP裝配率也快速上升，美國甚至已討論過是否應在新車下線時強制裝配該系統。目前ESP系統正在向一般的商用車及重型載貨汽車普及，多家商用車和重型載貨汽車生產廠商正在推出帶ESP的車型。現在正是歐、美、日汽車工業界推廣應用ESP的高潮期，國內也正醞釀迅速推廣。

但是，目前國內ESP的裝配率還很低，新車裝配率僅為4%，已配有ESP的車型有：東風雪鐵龍的凱旋，一汽大眾的速騰、奧迪A6/A4、寶來（選裝ESP），上海通用的君越、榮御，上海大眾的帕薩特領馭等。

在研發生產方面，全球主要有6家汽車零部件廠商生產該系統，即：德國博世、日本電裝、德國大陸、美國德爾福、日本愛信精工和美國TRW公司。德國博世公司一直是該領域的領先者，無論是ABS/ASR，還是更先進的ESP，技術上都一直處于領先地位，為國際大多數汽車廠商供應該套系統。博世于1995年第一個把ESP系統投入量產，并不斷優化其設計，到2002年已發展到第8代，至今已生產了超過2000萬套ESP系統。2005年，它還在蘇州投資生產ESP 8.0系統。博世注重中國市場，認為ESP將成為國內汽車的新賣點，而其他ESP供應商也在積極拓展中國市場。

國內對ESP的研究還處在起步階段，只有少數單位和學者在從事控制方法的仿真研究，如吉林大學、清華大學、上海交通大學、西北工業大學等高校和中國重汽集團、上海匯眾汽車等企業。由于缺乏良好的試驗條件，研究還不夠深入。

三、ESP與其他系統的關系

1.電控制動系統的功能及關系

ESP是一項綜合控制技術，整合了下列多項電控制動技術，通過對制動系統、發動機管理系統和自動變速器施加控制，防止車輛滑移。

（1）防抱死制動系統 防止制動時車輪出現抱死，使車輛具有方向性和穩定性，并縮短制動距離，減少輪胎的磨損。

（2）電子制動力分配 自動調節前、后軸的制動力的分配比例，提高制動效能，提高車輛的制動穩定性。EBD是防止ABS起作用以前，或者由于特定的故障導致ABS失效后，后輪出現過度制動。

（3）電子差速鎖 是防抱死制動系統的一種功能擴展，用于汽車的加速打滑控制。在汽車加速過程中，當電子控制單元根據輪速信號判斷出某一側驅動輪打滑時，EDS功能就會自動開始作用，通過液壓控制單元對該車輪進行適當強度的制動，從而提高另一側驅動輪的附著利用率，提高車輛的通過能力。當車輛的行駛狀況恢復正常后，電子差速鎖即停止作用。同普通車輛相比，帶有EDS的車輛可以更好地利用地面附著力，從而提高了車輛的通過性。電子差速鎖除了在軟件上有變化之外，在ABS系統控制單元上新增加了專用的電磁閥及其他電子元件。

當行駛中車輛的左右驅動車輪處在不同附著系統路面上，尤其是當一側車輪在光滑的冰面上時，這一側的車輪可能出現打滑現象，在車輛起步，加速或上坡時這種趨勢更明顯。

此時，電子控制單元根據輪速傳感器傳來的信號，比較左右驅動輪的輪速，當輪速差值較大即一側車輪出現打滑時，ECU將發出指令，對滑轉車輪施加制動，這樣，打滑車輪的速度降低，直到接近另一側車輪的輪速，保證另一側車輪有足夠的驅動力。

裝備EDS的車輛爬坡能力比沒有裝備該系統的車輛提高十幾個百分點。

（4）發動機牽引力調節（MSR或EBC，Motor control Slide Retainer）MSR是德語Motor Schleppmomenten Regelung的縮寫，意思為發動機牽引力控制，等同于EDTC（Engine Drag-Torque Control）。MSR的作用是降低牽引力矩，提高汽車在光滑路面上的轉向能力。

MSR的功能在整個車速范圍內均能起作用，它可以改善車輛在光滑路面上的行駛及制動性能。若駕駛人在光滑的路面上松開加速踏板，發動機對車輛將不再具有牽引作用，此時驅動輪通過傳動系統帶動發動機運轉，使車輪輪速降低，有抱死傾向，即產生所謂發動機制動現象。這時，ABS控制單元接到輪速傳感器的信號，判斷出車輪有抱死趨勢，便通過CAN總線向發動機控制單元發出指令，提高發動機的轉速并降低牽引力矩，以提高車輪轉速。于是，車輪不再呈現抱死趨勢，車輛將繼續保持穩定行駛狀態。

MSR系統具有如下優點：

①車輛在低附著系數的路面滑行時，可以有良好的轉向能力。

②車輛在低附著系數的路面滑行制動時，可以縮短制動距離。

（5）牽引力控制系統ASR功能可以提高車輛在加速過程中的穩定性和轉向能力。在加速過程中，按照具體的行駛條件和道路狀況，如果駕駛人操縱加速踏板過度，這時ASR控制單元將接到輪速傳感器的信號，并判斷車輪有打滑趨勢，便通過CAN總線向發動機控制單元發出指令，降低發動機的轉速和牽引力矩，使車輪不再呈現滑轉趨勢，車輛將繼續保持穩定加速狀態，發動機的轉速和牽引力矩此時將不依賴于對加速踏板的控制。例如在沙石及冰面上起步及加速時會出現上述狀況。ASR在所有的變速器檔位均可以發揮作用。駕駛人可以通過儀表板上的ASR警告燈的狀態確定ASR是否起作用。

ASR與MSR一樣通過CAN-BUS與發動機管理系統進行通信。采用ASR具有以下優點：

①車輛在低附著系數的路面加速時，可以有良好的穩定性和轉向能力。

②車輛在曲線行駛時，ASR可以避免車輛因加大節氣門而沖出跑道。

2.電子穩定程序的原理

汽車技術進步的一個主要任務就是提高主動安全性以避免發生事故，并充分發揮車輛的動力性能。電子穩定程序通過有選擇性的分缸制動及發動機管理系統干預，防止車輛滑移，提高在所有條件下的車輛穩定性，糾正各種行駛條件下的過度轉向和不足轉向。ESP是建立在其他牽引控制系統之上的一個非獨立的系統，也稱之為動態駕駛控制系統，簡單地說它是一個防滑系統。ESP能夠識別車輛不穩定狀態，并通過對制動系統、發動機管理系統和變速器管理系統實施控制，從而有針對性地彌補車輛滑動。ESP在主動安全性方面，可以防止車輛側滑而發生意外事故；ESP在被動安全性方面，可以在事故中減少側面碰撞發生的幾率。

ABS/TCS就是要防止在車輛加速或制動時出現我們所不期望的縱向滑移。而EDC/ESP就是要控制橫向滑移，它是各種工況下的一個主動安全系統，處理各種異常情況，減輕駕駛人的精神緊張及身體疲勞。只要ESP識別出駕駛人的操縱與車輛的實際運動不一致，它就馬上通過有選擇的制動或發動機干預來穩定車輛。

ESP是一種以高車輛曲線行駛穩定性的主動安全系統，它通過制動和干預發動機工作來實現讓車輛按理想軌跡行進的目的，同時保持車輛的可操縱性。

ESP具有如下特點：

①ESP并不是一套獨立的系統，實際上它是建立在ASR基礎之上的，這也是ESP總是包含ASR功能的原因。

②ESP不完全依賴于駕駛人的操縱產生糾正行駛軌跡作用，這樣可以減輕駕駛人的負擔。

③ESP保證車輛在復雜行駛條件下始終保持可操縱性。

3.ESP與各項電子制動系統的包含關系

裝備ESP和ASR的系統，則同時具有EDS、EBD和ABS的功能，如圖4-1所示。ESP是一種主動安全系統。它建立在ABS及ASR之上，是這兩種系統功能上的延伸。因此，ESP稱得上是當前汽車防滑裝置的最高級形式，是一個非獨立的系統，其功能及作用如圖4-2所示。

圖4-1 ESP與各項電子制動系統的包含關系

圖4-2 ESP在當前汽車防滑裝置中的位置

4.ESP的工作范圍

豐田公司對能起到控制汽車穩定性作用的各個系統提出各自有效工作范圍，如圖4-3所示。由圖可知，四輪轉向（4WS）的有效工作區在輪胎附著圓的中心部位即側向力、縱向力較小的輪胎線性區內；牽引力控制（TCS）的有效工作區是最大驅動力附近的極限區域；防抱死制動系統（ABS）的有效工作區是最大制動力附近的極限區域；車輛穩定控制系統（ESP/VSC）的有效工作區是最大側偏力附近的極限區域；TCS、ABS、VSC均工作在較大地面反作用力的輪胎特性非線性工作區內。

四、制動力與側向力的關系

圖4-3 豐田車系控制汽車穩定性各系統的工作范圍

1.受力分析

物體上作用著各種力和力矩，當這些力和力矩的總和為零時，物體就處于靜止狀態；如果不為零，那么物體就沿合力方向運動。我們最熟悉的力就是重力，它的方向是指向地心的。除重力外，作用在車上的力還有：驅動力，方向與汽車行駛方向相同；克服驅動力的制動力，與汽車行駛方向相反；保持車輛轉向性能的側向力，與轉向的方向相同；以及由摩擦力和重力產生的附著力。各力的方向如圖4-4所示。在車上作用的還有以下的力和力矩：偏轉力矩，該力矩試圖使汽車沿垂直軸線轉動；車輪轉矩及慣性矩，該力矩試圖使汽車保持原來的運動方向。另外在行駛的汽車上還存在其他的力，如空氣阻力，一般分析時可忽略不計，如圖4-5所示。

圖4-4 車輪的受力分析

1—驅動力 2—克服驅動力的制動力 3—保持車輛轉向性能的側導向力 4—由摩擦力和重力產生的附著力

圖4-5 車輛的受力分析

Ⅰ—偏轉力矩 Ⅱ—車輪轉矩及慣性矩

2.用Kamm摩擦圓進行車輪狀態分析

用Kamm摩擦圓分析上述幾個力共同作用的情況。摩擦圓的半徑大小由路面與輪胎之間的附著力決定，也就是說：附著力小，那么這個半徑就小（a）；附著力大，這個半徑就大（b）。如圖4-6a所示。

摩擦圓的基本原理就是力的平行四邊形，這些力有側導向力（S），制動及驅動力（B）及合力（G）。只要總力在這個圓內，車輛就處于穩定狀態，如圖4-6a所示。如果總力超出此圓的范圍，車輛就處于不可控狀態，如圖4-6b所示。

車輪受力與車輪運動的關系有如下幾種情況：

①制動力和側導向力的合力處于圓內，這時車輛可自由轉向，如圖4-6a所示。

②增大制動力，側導向力就變小了，如圖4-6b所示。

③當合力等于制動力時車輪抱死，由于無側向力，車輛就處于無法控制狀態，如圖4-7所示。

圖4-6 車輪的受力分析

圖4-7 合力等于制動力時的情況

驅動力與側向力之間也存在類似情況。當驅動力都用上的時候，側導向力就變為零了，這時驅動輪就開始打滑空轉。