ESP功能模块+技术开发流程+性能测试全面解析(技术版)


发布时间:2016-12-13     编辑:admin     来源:车界动力精英圈     热度:741

车界导读:

车辆电子稳定系统(ESP)是继车辆防抱死系统(ABS)和牵引力控制系统(TCS)之后车辆主动安全控制技术方面的一次里程碑式的跨越提升。

ESP系统利用各种传感器对车辆的动态状况和驾驶员指令进行监控,评价车辆实际行驶状态与驾驶员意图的误差,根据评价结果发出调整指令,通过脉冲调整车轮制动力及发动机输出转矩对车辆由于转向过多或转向不足导致的车辆失控危险工况进行自动干预,对车辆横摆力矩进行适当调整,使车辆按照驾驶员的意图行驶,改善车辆的转向响应性及侧向稳定性。

 

1.主要零件及功能模块:

1.1零件:

ESP一般由转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器等组成,它通过对这些传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析,然后向ABS、ASR发出纠偏指令,来帮助车辆维持动态平衡,它可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性,尤其在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。

 

ESP系统最基本的组成原件


1.2零件主要功能模块:

1.实现左右车轮制动力按需发配

自动对各车轴或各车桥组的某个车轴左右两侧车轮的制动力矩进行单独控制,使车辆产生横摆力矩以改善车辆的方向稳定性


2.限制过度转向和不足转向:

在对车辆实际状态与驾驶员希望达到的车辆状态进行对比评估的基础上,通过计算机闭环控制来限制车辆过度转向和不足转向。


3.估算侧偏角以及变化率

汽车转弯时,前后轮都会产生侧偏角。前后轮的侧偏角如果不同,会出现转向不足或者过度的现象。该系统能够直接测定车辆横摆角速度,并估算侧偏角或侧偏角随时间的变化率。


4.调整车辆的驱动力矩

能够监控驾驶员的转向输入;其算法应能够判断是否需要并能够在必要时调整车辆的驱动力矩,辅助驾驶员保持对车辆的控制


 




2.影响ESP效果主要因素

 

  首先ESP的控制效果不单纯是电子系统的因素,而是受到车辆本身综合作用的影响:不同的车型、不同的重心高度、不同的轮胎、不同的前后配重以及不同的悬挂调校都会对ESC的效果产生巨大影响。但单纯就ESP系统本身而言最主要的因素只有两点:介入时机与制动力度。

 

  从ESC系统本身来看,现在的ESP所集成的功能已经达到让人眼花缭乱的程度:例如新迈腾采用的TRW-450M型ESP就有多达14项不同的功能,而博世Bosch 9.0版ESP的扩展功能包括ACC、夜视系统、车道偏离、紧急制动辅助、动态转向等。但归根结底ESC诞生的“本职”是对车辆失控的有效干预和抑制,无论ESP装置再先进、再复杂都会优先考虑这方面的性能。

2.1 关键因素之一:干预时机

  相信对高性能汽车有了解的人都知道,跑车和运动轿车的ESP装置除了常见的“开启/关闭”状态外还有多阶段调整的功能以适应不同的驾驶需求。这种多阶段调节其实改变的就是ESP装置介入的时机。

 

  即便采用相同的ESP模块,但不同车型、不同品牌在ESP装置介入时机的调整上都是存在一定差异的。通常普通轿车ESC装置的介入时机较为中性,SUV车型的介入时机较早,而跑车的介入时机较晚甚至只要车子不发生严重失控都“懒得管你”。

2.2 关键因素之二:制动力度

 

  在遇到危险的情况下光限制发动机的动力输出显然不能起到阻止车辆失控的目的,只能防止车辆的失控进一步加剧,因此ESP还需要依靠车身上的转角传感器、轮速传感器、加速度传感器和偏航率传感器来侦测车辆的状态,在出现失控或将要出现失控时并通过对某一或某几个车轮实施制动达到稳定车身的目的——这才是ESP装置挽救车辆于失控边缘最关键的一步。

 

  根据以往多次测试的实际经验,制动力度是比介入时机更为重要的指标。我们曾经测试过的大部分自主品牌车型,ESP装置早早便介入切断发动机动力,却始终没有明显的制动控制来修正车辆,导致车身非但没有得到良好控制,还让整个驾驶的流畅性被完全打乱了。因此如果制动力度不足,那即便ESP介入时机再早也毫无意义,就好比车辆在高速公路上发现前方有障碍物便早早制动(时机早),但制动力度却极其轻微(制动力度小)时还是会撞上障碍物一样。

  在之前的文章中我们已经提到过,美国天合生产的EBC460版本ESP分为Standard“标准版”、High“高级版”和Premium“顶级版”,但前两个版本只能提供最大0.6g的制动G值,只有顶级版可以实现1.0g、也就是基本相当于全力制动的减速度。我相信如果你是车主,一定希望自己车上装配的是制动力度更高的那个。

2.3 除了版本不同,需对比厂家调校

  人们往往认为装备Bosch 8.1或9.0版本ESP的控制一定会优于Bosch 8.0版本的车型,但其实并非如此。例如奥迪与奔驰当前普遍采用博世8.1或9.0版本的ESP,但两个厂家对各自ESP系统从介入时机到制动力度的设定都不同,而即便同是奔驰品牌的一般车型与AMG车型,其ESP的从介入时机到扩展功能也都是有着很大区别的,因此决定车辆控制能力好坏的不只是版本而是看各厂家的调校功底。

 

  这也反映出一个基本问题,就是ESP的生产厂家提供的只是“硬件”。而“软件”如何匹配,例如介入的时机、四轮之间制动幅度的匹配等,则是由各个品牌根据不同车型来决定的。加上ESP装置不同版本间的复杂性犹如Windows操作系统一般,因此切莫以为使用相同版本的ESP后,大家的表现也大体一致。

  正是由于ESP装置的复杂性,以及不同车辆之间操控的明显差异,因此使得车辆ESP效果的评价成为一个高度综合而复杂的问题。为了相对公正、有效的评价不同车辆ESP装置的效果,欧洲著名安全评价组织Euro NCAP从2009年起开始对车辆的ESC装置效果进行评估,至今已经成为全世界最有效的ESP装置评价标准。

 

  对与ESC装置还是有一个心得要与大家分享:无论何时何车,安全驾驶的主动权应永远掌握在自己手中,而不是把它交给电子系统。

4.ESP测试视

4.1 制动力度是关键

  前面我们已经提到过制动力度和介入时机,是影响ESP效果的两个最直观因素。我们以2012年欧洲NCAP测试的两款反差巨大的SUV车型:新森林人和新揽胜作为例子。

  在新揽胜的ESP测试中,明显可以看到在ESP介入后直接将相应的车轮锁死从而将新揽胜牢牢地“拽”住,作用之强甚至让轮胎冒起了阵阵青烟,新揽胜ESP的制动力度之猛烈相当少见!如此猛烈的制动效果自然很好的控制了车辆的偏移程度,车辆在方向回正后依旧保持非常平直的线路。


  新森林人的ESP装置(斯巴鲁自己将其称为VDC)在这项测试中表现得就有些不尽如人意了,整个过程中我们没有看到任何车轮因为ESP装置的介入而出现锁止的状况,使得新森林人的侧滑并没有得到有效控制,行驶轨迹偏移非常明显。

4.2 “方向盘转动角度”有玄机

  虽然方向盘转动角度在车内镜头是再容易观察不过的内容,但它蕴含的信息绝非看起来那么直观!

  在欧洲NCAP的ESP测试中,测试仪器逐步加大方向盘转动角度进行多次试验,直至侧向稳定性和转向响应指标超出限定值(方向盘最大270度)。因此观察到的转向角度越大,说明车辆受到的突然转向的力度越大,而这台车的ESP可以承受的极限也越高。目前大部分新车在ESP测试中,都能达到或接近方向盘转动270°的这一极限。

  那是否说明大部分车辆在ESP测试中突然的转向程度都基本一致?完全不是。

 

  最简单的一点就是,不同车辆的方向盘总圈数是完全不同的——例如福克斯ST只有1.9圈,宝马大部分车型在2圈左右,而丰田Collora是3.5圈!因此,在不同车辆上270°的固定转角产生的转向效果是完全不同的——例如宝马的某款车型在ESP测试中能达到270°,那它大概相当于丰田Collora的方向盘转动473°!

 

  说这个内容只是为了希望各位在今后观看ESP测试视频时,不要被方向盘转动角度这个“表象”所疑惑,而错误判断某款车型的真实表现。

4.3、车身姿态不容忽视::

 

  新森林人在ESP测试中由于前悬挂偏软、后悬挂行程不足而出现了明显的横向跳动,甚至还出现了后轮离地的状况——这是我们在ESP测试中非常容易观察到的车身姿态。我想,不用说你也知道这样的车辆如果在高速公路上发生应急情况可能会出现什么状况。

  “车身姿态”与车辆的极限操控性能有很大关系。也就是说,操控出色的车辆在这样的状况下,通常其车身姿态也能保持的更为出色,相应的失控可能性也越小,ESP出来干预的机会也会大幅减少。而相反操控一般,或重心偏高、轴距偏短的车型在应急状况下就非常依赖ESP的控制(例如1997年著名的梅赛德斯•奔驰A-Class“麋鹿事件”)。

 

  车辆重心高低、悬挂调校甚至前后配重不同,都会使得不同车辆在ESP测试中的车身姿态有非常大的区别。还是以新森林人为例,它的重心高度、前后配重均衡程度得益于斯巴鲁的“水平对置+全时四驱”技术相信都是不容置疑的,而在ESP测试中出现的主要姿态问题还是由于悬挂的调校所导致的。这也是偏向公路性能设定的SUV常见的状况。


5、新车进行ESP匹配流程:

ESC整车匹配主要由主动安全系统供应商完成,在我国能进行ESC整车匹配的主动安全供应商主要由博世、大陆、天合、WABCO、德尔福等厂家。

主动安全供应商对新车型进行ESP匹配大约持续8个月的时间,按照夏季高附着系数铺装路面匹配试验--冬季低附着系数铺装路面匹配试验--夏季高附着系数铺装路面匹配试验三个环节闭环完成。

 

一般在每年10月份整车企业配送样车给主动安全供应商,主动安全供应商首先接样并对样车的主动安全系统进行技术参数检查,并根据检查结果针对该型号主动安全系统进行各类车载道路试验用传感器、数据采集系统、电控操作系统等专业硬件和软件的安装和调试,随后在内部试验场高附着系数路面路面上按照内部匹配测试方法进行初期的匹配测试,其内部的匹配测试方法主要围绕制动、转向、操稳、ABS等项目开展,其限值要比国标、欧标及美标苛刻的多,大约持续1-2个月的时间;


初期高附着匹配试验完成以后,匹配工程师跟随试验样车奔赴冬季汽车试验场进行为期3-4个月的低附着系数路面的匹配试验,大约在年前12月持续到年后3月份,针对匹配试验过程中出现的各种工况进行多次ESC电控系统软件参数的调试,直至满足内部匹配要求,在冬季低附着匹配试验完毕之前,样车整车生产企业会进行现场按照内部匹配规程、国标及欧标、美标进行验收;


冬季匹配试验验收以后匹配工程师再次跟随试验样车返回夏季试验场进行为期1-2个月的高附着系数路面的匹配试验,随后整车生产企业进行高附着系数匹配试验的验收,至此整套主动安全系统的匹配完成。


6、新车进行ESC匹配需求

6.1 试验场要求

ESC针对车辆高速转向不足或转向过多导致的非线性失控危险进行主动干预,对测试场地包括冬季低附路面和夏季高附路面都有严格的要求。要求试验场地设置有足够的加速路段,并有至少为直径150米的动态广场,夏季高附着测试路面必须干燥、均匀、坚实、平整的沥青路面或者混凝土路面。如果路面表面具有不规则的凸起或其它不平整,如比较大的裂纹等,则判定该路面不符合试验要求,路面坡度<1%。冬季低附路面包括表面做过拉丝处理的抛光冰面、铺设有加热装置的ABS路以及冰雪环路。

6.2 气候条件要求

ESC夏季高附着匹配的气候条件要求环境温度为7℃~40℃,最大阵风风速小于5m/s,冬季低附着匹配环境温度为-10℃~- 40℃,最大阵风风速小于5m/s。

6.3  车况技术条件要求

进行ESC匹配试验之前必须保证整车技术状况良好,试验车辆的轮胎为新车销售时的轮胎,轮胎气压为汽车制造商推荐的冷胎充气压力,由于在进行夏季高附着匹配试验时各种非线性极限试验工况导致轮胎与地面磨损严重,轮胎应配备充足,同时各种匹配试验所需配备的载荷及测试设备均应可靠放置,避免在试验过程中发生移动。

为保证试验过程的安全性,要求试验车辆包括卡车、MPV、客车等前、后保险杠位置都必须安装防翻滚支架,根据试验车辆的基准质量选择"标准型"或"重型"防翻滚支架,如下图所示。

ESC匹配试验及测评试验中的方向盘转向模拟程序主要由自动转向机器人完成,如下图所示。转向机器人的转向机安装在转向盘上或者拆掉转向盘安装在转向机构的凸缘上,为保证实验过程中意外原因导致驾驶员前气囊误开启对乘员及转向机的损害,试验之前必须将驾驶员安全气囊拆掉,并将喇叭保险关闭。


一款车型的ESC匹配试验完成以后,主动安全供应商会对与该款车型配套的所有的ESC电控单元进行系统刷新,无需进行重复性试验。


7、在车上匹配完成时,检查ESC匹配检测方法:

ESC整车匹配试验完成以后,整车生产企业会对其进行验收,主要分为冬季低附着路面验收和夏季高附着路面验收。

首先验收根据主动安全供应商内部的一整套匹配测试方法进行,可是否满足匹配限值的要求,其次根据整车入市以后的销售地域及其潜在的市场进行相关地域法规标准的测试,比如改款车型下线以后准备出口欧洲或者北美,则需要根据GTR8或者FMVSS126进行相关的符合性验证试验。

ESC测试评价方法

世界各大整车测评机构普遍采用正弦停滞试验方法对ESC进行符合性测试。

 

转向输入、横摆角速度及行驶路径随时间历程曲线如下图所示,通过自动转向机器人进行正弦停滞转向模拟程序的施加,试验方法如下:

试验车辆以80±2 km/h 车速沿直线方向最高档滑行,待车速稳定以后试验驾驶员启动转向机器人工作程序;

转向机器人以0.7Hz的频率以正弦停滞模式(停滞时间为500ms)进行转向输入;

初次正弦停滞试验的方向盘转角峰值为1.5A,以0.5A峰值梯度逐次增加试验次数直至方向盘转角峰值为6.5A或者270°(取较大者),如果6.5A>300°时,方向盘转角最大峰值取300°。

评价指标主要包括侧向稳定性和转向机动性两个方面。

侧向稳定性评价指标:

车辆横摆角速度在正弦停滞转向输入完成后的1秒钟时刻(T0+1)不能超过方向盘转角换向后第一个横摆角速度峰值的35%;

车辆横摆角速度在正弦停滞转向输入后的1.75秒时刻,不能超过方向盘转角换向后的第一个横摆角速度峰值的20%。

转向响应性评价指标:

对于整备质量小于3.5吨的车辆,在转向开始后的1.07秒时刻车辆重心位置与初始直线路径的侧向位移量至少应为1.83米;

对于整备质量大于3.5吨的车辆,侧向位移至少应为1.52米。

 

 

  而用于衡量侧向稳定性和转向响应的三个参数包括:

  1. 在正弦停滞转向输入完成后的1秒钟时刻车辆横摆角速度。此参数不得超过方向盘转角换向后第一个横摆角速度峰值的35%。

  2. 在正弦停滞转向输入完成后的1.75秒钟时刻车辆横摆角速度。此参数不得超过方向盘转角换向后第一个横摆角速度峰值的20%。

  3. 在转向开始后的1.07秒时刻车辆重心位置与初始直线路径的侧向位移量。对于整备质量小于3.5吨的车辆,此参数应至少为1.83米。

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