ESP 系统的发展及应用

徐涛

(武汉交通职业学院，湖北武汉430065)

1 ESP 系统简介

1.1 ESP 系统概念

电子稳定性程序(ESP)是改善汽车行驶性能的一种控制系统。该控制系统分成两个系统:一个系统在制动系统中;另一个系统在驱动传动系统中。利用与ABS 系统一起的综合控制可防止汽车在制动时车轮抱死;利用ASR 系统可阻止汽车在起步时驱动轮滑转(空转)。只要汽车在行驶时不超出物理极限，ESP 是兼有防止汽车转向时滑移、不稳定和侧向驶出车道的综合系统［1］。

1.2 ESP 系统的优点

ESP 系统可在以下几个方面改善汽车行驶安全性:

(1)扩大了汽车行驶稳定性范围。在汽车的各种行驶状况下，如全制动、部分制动、车轮空转、驱动、滑行和负载变化，仍可保持汽车在车道中行驶。

(2)扩大了汽车在极端情况时的行驶稳定性，如在恐惧和惊恐时要求的特别的转向技巧，从而降低了汽车横甩的危险。

(3)在各种路况下，通过ABS、ASR 系统和发动机倒拖转矩控制MSR (在发动机制动力矩过高时可自动提高发动机转速)，还可进一步利用轮胎与路面间的附着潜力。从而可缩短制动距离、增大牵引力、改善汽车的操控性和行驶稳定性［2］。

2 ESP 系统的组成

ESP 系统的发展过程如图1 所示，它是在4 个控制系统的基础上进行进一步的功能综合升级而形成的，这4 个控制系统分别是ABS (防车轮抱死系统)、REF (制动力电子分配系统，也简称EBD)、ASR (驱动轮防滑系统)、MSR (发动机制动防滑系统)。但是ESP 系统又不是这4 个系统的功能简单叠加，而是整体综合控制，并且增加了若干部件和1 个ESP 控制系统，它使这4 个系统的优势充分发挥利用，从而获得对车辆进行更高效精准的动态控制效果。

2.1 ABS 组件

ABS 如图2 所示，对于每个制动轮缸的控制只有两个电磁阀，能够防止汽车车轮抱死，从而防止出现抱死甩尾和前轮失去转向。在增加了EBD 系统的ABS 系统中，ABS 能够保障前后轴的制动力合理分配，并能够依据地面附着力的变化使车轮制动力达到最大值，且能够避免车轮抱死。但ABS+EBD 系统不能实现对汽车不足转向和过渡转向的动态调整，并且实现最短距离制动，必须将制动踏板迅速踩至最大行程。所以ABS +EBD 系统存在固有缺点。

2.2 ASR 组件

制动时防抱死制动系统(ABS)可降低车轮轮缸的制动压力防止车轮抱死。那么，在汽车驱动时驱动防滑转控制(ASR)可降低各个驱动轮上的驱动力矩，以防止车轮滑转或空转。ASR 是汽车在驱动状态下的ABS 的扩展。除了在加速时保证汽车的稳定性和可操控性以提高安全性外，ASR 还可调整“最佳的”滑转率改善汽车的牵引性。

ASR 可以解决驱动轮两侧附着力不相等的情况，从而避免附着力较大一侧车轮失去驱动力;可以避免由于车轮滑动而失去侧向附着力;可以实现最佳的车轮滑移率从而保证牵引力最大。ASR 控制可以采用ABS 来实现，通过对部分车轮的制动即可防止车轮滑移，但是在增加发动机制动防滑系统MSR 后，发动机通过减小输出转矩或者对传动系统进行阻力制动的情况下，可以有效地兼顾车轮防滑和汽车能耗降低。

2.3 转动率传感器

转动率传感器或偏转速度传感器也称陀螺测速仪，如图3所示。它用于检测配备有电子稳定程序ESP 的汽车在弯道行驶，或加速时绕其垂直轴的转动，即图中参数Ω，它是ESP 系统对汽车动态行驶状态进行调节的主要参数之一。

2.4 方向盘转角传感器

方向盘转角传感器如图4 所示，用于测量方向盘的实际转动角度，此参数用于判断驾驶员的转向“意图”。电控单元将转向盘调整角度和给定的制动压力与汽车实际的转向和行驶速度进行比较，必要时制动车轮。这样可保证汽车纵轴与汽车行驶的偏差，即“浮角”最小，并可防止不希望的过多转向，保证适度的不足转向［3］。

3 ESP 系统的综合控制原理分析

3.1 避免不足转向或过度转向

汽车转向稳定性可以采用不足转向、过度转向和中性转向来衡量，汽车在低速行驶时，无论受到侧向风力作用还是快速打方向盘，均不会出现不足转向或过度转向。但是，在高速行驶时，轻微的方向盘转动或者较小的外部侧向力作用均可导致汽车出现不足转向和过度转向，即此时的汽车转向轨迹已经不符合驾驶员意愿，而且一般驾驶员难以纠正这种危险倾向。汽车的重心也会随着车上乘员或者货物的变化而出现前移而导致不足转向，或者后移而导致过度转向。

在汽车转向的过程中，ESP 监测方向盘转角和横摆角速度，同时获得车速信号，计算出汽车转向过程中产生的浮角，如图5 所示的角β (汽车行驶方向偏移汽车纵轴角)，如果是此浮角导致汽车出现过度转向，那么对汽车采取外侧车轮制动，使汽车绕垂直于地面的轴线顺时针转动，从而减小浮角，使汽车趋于中性转向。同样，当汽车出现不足转向时，则对汽车内侧车轮制动，使汽车绕垂直于地面的轴线逆时针转动，同样减小浮角，使汽车趋于中性转向。

ESP 在防止汽车出现不足转向和过度转向过程中，驾驶员不需要对制动踏板采取任何操作，所以配备ESP 系统的轿车，在原有ABS 基础上增加了一些控制部件，如图6 所示的泵1、隔离电磁阀7、起动电磁阀8，它并不需要制动主缸工作也能够在制动轮缸处建立制动压力，隔离电磁阀7 将主动主缸和轮缸隔离后，泵1 处便能够运转，并建立压力，此压力再配合ABS 系统，对一侧车轮进行制动，而另外一侧车轮则不施加制动。

3.2 防止汽车超越转弯极限

在弯道加速时的汽车行驶性能可用转圈行驶试验得到。通过实验对比未配备和配备ESP 系统的车辆得出结论:ESP 系统可以有效地防止汽车超越转弯极限。此试验的条件是:在附着系数为1 的结实的硬道面上，车速缓慢增加至圆圈半径为100 m 的物理极限车速并保持，实验结果如下:

(1)未配备ESP 系统的汽车

在转圈行驶的行驶试验中，车速约超过95 km/h 就达到它的物理极限车速，所需的转向变得很困难，同时浮角也迅速增加，但驾驶员还能将汽车保持在圆形车道内行驶。到约98 km/h的车速时，未配备ESP 系统的汽车行驶变得不稳定，汽车尾部甩出，驾驶员必须反转向并驶出圆形车道。此述实验可以验证，汽车转向过程中会出现极限车速，并且此极限车速随附着系数和转弯半径的变化而变化。在上述实验中，汽车的极限车速为95 km/h。到98 km/h 时，汽车变得不稳定，并且在不减速的情况下，通过驾驶技术已经不能克服。

(2)配备ESP 系统的汽车

在配备ESP 系统的汽车车速到约95 km/h 时，其行驶性能与未配备ESP 系统的汽车在车速95 km/h 时的行驶性能完全一样。驾驶员想进一步提高车速已无法实现，因为汽车已处于稳定的极限，ESP 系统利用发动机干预限制汽车的驱动转矩。

3.3 减小制动距离

根据德国某数据库的一项研究表明:由于惊慌等原因，在接近一半的事故中驾驶者未能用足够的力量进行制动。但通过实验表明制动辅助系统允许普通驾驶者在以100 km/h 的行驶速度制动时，制动距离平均缩短7.6 m，如果行驶速度为50 km/h，制动距离将缩短0.7 m。但如果装配了ESP 系统，那么同样能够达到制动辅助系统的效果。ESP 系统装配的制动踏板位置传感器能够计算制动踏板的位置和踩下制动踏板的加速度，加速度很大表明需要紧急制动，即开始踩下制动踏板时制动力就必须达到最大值。如图6 中所示，一旦传感器收到制动踏板被踩下的加速度很大的时候，ESP 便进入干涉阶段，迅速启动泵1，将阀7 和6 关闭，将阀5 打开，使四个车轮的制动力迅速达到最大值，并且依然能够通过ABS 保证车辆不抱死。但是，若没有ESP 作用，制动力的上升随着制动踏板的行程的增加而增加，在车轮临近抱死阶段，制动力达到最大值，在这种情况下将丧失宝贵的制动时间。

4 结论

ESP 技术在系统上整合了ABS + EBD、ASR + MSR 系统，通过综合整体控制实现了汽车从低速起步到高速转弯、正常行车及紧急制动的安全性，ESP 系统在对汽车动态性能控制方面有不可替代的重要作用。其技术价值逐渐被消费者认同，同时该系统的普及率也快速提升，目前在标致408 车型已经成为标准配置［4］。虽然普及率不断提升，但从ESP 系统发展的趋势而言，在技术上未见更大的突破，技术完善及普及已成为主流趋势。

ESP 技术的发展受到以下几个方面的制约:

(1)城市道路越来越拥挤、平均车速在逐年降低，ESP 的技术应用远远不及混合动力的应用所带来的直接效益。

(2)ESP 系统与以电机驱动纯电动汽车尚没有进行匹配。

(3)智能控制的无人驾驶技术的出现将彻底改变ESP 的技术现状。

【1】李巍.汽车ABS/BAS/DSC/ESP 系统维修实例精选及剖析［M］.北京:机械工业出版社，1997:12-40.

【2】BOSCH 公司.汽车安全性与舒适性系统［M］.魏春源，译.北京:北京理工大学出版社，2007:78 -127.

【3】泛亚汽车技术中心.2009 林荫大道维修手册［Z］. 上海通用汽车有限公司，2009:755.

【4】ESP 从选配至标配国内力口紧步伐［J］.汽车零部件，2009(9):16.