国产SUV电子稳定控制系统性能测试研究

牛成勇,徐建勋，游国平，曾 杰，张仪栋

(重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心， 重庆 401122)

汽车电子稳定性控制(简称ESC)是一项辅助驾驶员控制车辆维持稳定状态的主动安全技术，其通过对各传感器实时采集的车辆行驶状态信息进行综合分析，并向ABS、ASR等执行机构发出纠偏指令，对车身的不稳定性状态进行及时矫正以维持车辆动态平衡，有助于防止交通事故的发生。ESC系统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。根据美国高速公路交通安全局(NHTSA)的不完全估计，使用 ESC将有效减少59%的SUV 和34%的轿车单车碰撞事故；还可有效地预防71%的轿车和84%的SUV翻车事故[1-2]。

鉴于ESC控制策略因生产厂家的不同而带来其系统性能的优劣性，故装备ESC系统的车辆必须满足标准法规要求的性能试验以确保系统对车辆在极限工况下出现的因转向过度引起的后轴侧滑(甚至侧翻)、因转向不足导致的前轴侧滑趋势有足够的干预,及时使车辆进入稳定工况。与轿车相比，SUV重心较高，静态稳定性系数较低，故在紧急避险工况下有可能会出现侧翻，这相对于轿车突遇危险工况而出现的横摆甩尾更加危险、难以控制。因此，对SUV电子稳定控制系统的避险性能进行研究与测评具有重要的现实意义。本文对3款进行出口认证的国产SUV匹配国外某生产厂家的ESC系统进行测试与评价，以期为国内汽车ESC系统的研发提供技术参考。

1 ESC系统的组成及工作原理

1.1 ESC系统的组成

一般来讲，ESC系统主要由传感器、控制器、执行器、人机交互界面部分组成。

ESC系统的传感器主要包括转向角度传感器、侧加速传感器、轮速传感器、横摆率传感器、制动压力传感器，其负责实时采集车身状态信息，并传送给ESC控制器[3]。

ESC控制器为ESC电控液压(气压)单元，其将传感器采集到的数据进行计算，并将计算得出的车身状态数据与存储器中预先设定的数据进行比对。

ESC的执行器主要为ABS(防抱死系统)、ASR(牵引力控制系统)、BAS(制动辅助系统)、ETC(电子节气门系统)。本质上，ESC是帮驾驶人踩制动。

值得一提的是，ETC和巡航控制系统的功能都包含在发动机控制模块中。ESC系统的ECU与发动机、传动系的ECU通过CAN(Controller Area Network)互联，使其能更好地发挥控制功能。

人机交互界面通过仪表盘上的ESC灯实现与驾驶人的沟通，如监视器/警示灯、ESC开关等。

1.2 ESC系统的工作原理

ESC控制的基本原理简图如图1所示。可以看出，ESC系统通过车载传感器和相关运算逻辑来获取、辨识驾驶员对汽车的期望运动状态，同时测量并估算出汽车的实际运动状态。当“两种状态”之间的控制误差超过给定的阈值时，系统将按照设定的控制逻辑对车轮的纵向力和发动机扭矩进行相应的控制和调节以使作用在汽车上的横摆力矩发生变化并降低发动机的输出扭矩。附加的横摆力矩迫使汽车作相应的横摆运动，使得汽车的实际运动状态更接近于驾驶员对汽车的期望运动状态[4-6]。

图1 ESC系统控制策略简图Fig.1 The sketch of ESC control strategy

2 国内外汽车ESC的测评方法

ESC的主要功能是保证车辆的侧倾稳定性和横摆稳定性(即方向稳定性)，因此目前主要从这两个方面对ESC性能进行测评。

总体上来讲，国外在ESC测试评价体系建设方面比较完善，如威伯克和克诺尔公司在其产品开发当中均已形成了较为系统和完善的ESC产品性能评价体系，而国内在ESC领域的测试研究工作起步相对较晚。在乘用车ESC性能测试评价方面，国内外发展现状如下：

1)美国：2006年，美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)颁布国际上公认的、最早以法规形式明确轻型车辆ESC安装与性能要求的FMVSS 126《汽车电子稳定性系统》，并附有试验评价方法(正弦停滞测试)。

2)加拿大：针对一般的乘用车辆而言, 交通局按照表1的4项试验评价ESC系统的性能。

表1 加拿大交通局ESC测试试验项目

3)中国：首个ESC国家标准《轻型车电子稳定性控制系统性能要求与试验方法》于2014年发布，其标准正文内容与性能要求完全参照GTR8，但在标准的资料性附录部分规定ESC冰雪道路试验要求，弥补了GTR8转向不足评价内容的缺失。

4)其他国家及机构：欧洲及博世等公司采用“麋鹿测试”,通过激发车辆的过度转向趋势来判断ESC系统对过多转向的干预性能。 JNCAP、韩国及其他组织采用GTR 8或北美FMVSS126，使用正弦停滞方法对电子稳定系统进行测评，但没有验证ESC对转向不足的评价[7]。

3 国产SUV的ESC测试评价

3.1 测试方案

根据ECE R13H法规标准要求，将采用正弦停滞试验、利用转向机器人进行方向盘输入对ESC的方向稳定性和侧倾稳定性能力进行准确、客观评价。

正弦停滞试验方法如下：(1)进行制动器预处理及轮胎的充分磨合；(2)进行慢增量转向试验以确定基准方向盘转角，记作“A”(A值为试验车的稳态侧向加速度为0.3g时的方向盘转角)；(3)以车速为 80±2 km/h开始正弦停滞试验，方向盘以如图2所示的转角输入，其起始振幅为1.5A，以0.5A的幅度逐次增加，直到正弦曲线的振幅增加到6.5A或270°(两者取较大值)。

3.2 评价标准

3.2.1 横向稳定性评价指标

正弦停滞试验中的横向稳定性的性能标准是在转向动作完成后的1 s和1.75 s时刻的横摆角速度与试验中方向盘转角方向改变后的横摆角速度最大值的比值分别不应超过35%和20%。图2所示为试验过程中车辆方向盘转角与横摆角速度的示意图。

图2 方向盘转角与横摆角速度曲线Fig.2 Curve for steering wheel angle and yaw rate

3.2.2 响应性能评价指标(仅限于方向盘转角≥5A的测试)

响应性能评价指标旨在评价在ESC系统介入时，车辆对驾驶员输入的响应能力。具体而言：在转向起始点后的1.07 s时刻，对于设计总质量大于3 500 kg的汽车，质心相对于其初始直线行驶轨迹的侧向位移至少为1.52 m；对于设计总质量不超过3 500 kg的汽车，质心相对于其初始直线行驶轨迹的侧向位移至少为1.83 m[8-9]。

3.2.3 干预过度转向性能定性评价指标

在正弦停滞试验过程中，ESC系统必须具备防止车辆过度转向或激转的能力[10]。

3.3 测试设备设施及车辆条件

测试设备包括英国 ABD SR60 驾驶机器人(包括转向、制动油门组合机器人)，牛津RT 3002+RT base差分基站，测试车辆及试验设备如图3和图4所示。

(a)转向机器人 (b)制动油门组合机器人

(c)高精度陀螺仪 (d)GPS差分基站图3 ESC测试设备Fig.3 Test equipment of ESC

英国ABD转向机器人和GPS差分定位基站可实现对试验车辆行驶路径的精准控制，误差在0.01～0.02 m。而且，转向机器人控制精度高，试验重复性好，解放了驾驶员的部分工作，提高了试验的安全性和试验结果的可靠性。制动油门组合机器人可实现对车辆行驶车速的准确控制，误差在0.1 km/h。

由于SUV重心较高，经计算，静态稳定性系数均低于1.25，故需安装轻型防翻架以防止正弦停滞试验过程中出现的不稳定危险状况。本次试验采用的是进口的、钛合金材料的防翻架，其重量、强度满足法规要求。

测试车辆重要参数信息见表2(备注：整车参数均为实测值，并非法规公告值)。

图4 测试车辆Fig.4 Test vehicles

表2 测试车辆重要参数信息

3.4 正弦停滞测试结果及分析

按照ECE R13H法规要求，进行ESC正弦停滞试验，以5A测试结果为例，得到一个测试循环下的车辆横摆角速度响应曲线(图5)及横向位移测试结果(表3)。其中，3辆国产SUV的“A”值为:1#：36.1°；2#：38.3°；3#：30.7°。

表3 横向位移测试结果Tab.3 Test results of lateral displacement

通过测试结果可以看出，ESC对车辆横摆稳定性具有“积极”的修正作用。由图 5和表3可以看出，在正弦停滞转向输入后，车辆的横摆角速度在ESC 系统的干预下均是回归的、趋于稳定的。

对于1#国产SUV而言，在方向盘以幅值5A作正弦停滞输入后的1 s、1.75 s(图5已标明时刻点)，对应的横摆角速度分别为0.81(°)/s和0.94(°)/s,没有超过横摆角速度峰值42.3(°)/s的35%和20%,且从正弦停滞输入幅值达到5A开始，侧向位移为2.60 m，大于标准下限值要求的1.83 m。由此可见，该车的试验结果满足法规标准的性能要求。对于2#和3#国产SUV的测试结果，也均满足法规要求，在此不再赘述。

值得注意的是，2#测试车辆在实际的测试过程中出现了明显的侧滑与甩尾，但按照ECE R13H法规要求，其测试结果满足ESC性能指标。也就是说，3款SUV匹配的ESC，在同一标准的考核下无法区分优劣。 进一步讲，在实际的道路行驶工况下，倘若遇到危险情况或因驾驶员疏忽等造成SUV以较高车速进行类似于“正弦停滞”避障操作时，3款车的“避险性能”势必不同。然而，这种极度危险工况在试验场环境下是无法或者没有能力进行测试评价的。因此，单纯地依靠“横摆角速度和侧向位移”来评价乘用车的抗横摆能力和防侧翻能力是否合理，是否还有更好的评价指标来评价ESC系统的优劣性，值得我们进一步考量。

3款国产SUV均匹配了同一厂家、同一型号的ESC系统，但测试结果却不尽相同。究其原因，主要是因为不同车型的整车参数、发动机参数及悬架特性存在差异，导致同一品牌型号的ESC会体现不同的控制能力。除此之外，ESC整车匹配主要由主动安全系统供应商完成，我国能进行ESC整车匹配的主动安全大型供应商主要有博世、天合、克诺尔、WABCO、大陆、德尔福等厂家。根据统计，新车型的ESC整车匹配大约持续8个月的时间，按照高附着系数铺装路面匹配试验(夏季)、低附着系数铺装路面匹配试验(冬季)、高附着系数铺装路面匹配试验(夏季)3个闭环环节完成。除此之外，匹配过程中对场地的要求及气候的要求都很苛刻。所以，结合中国国情，该3款国产SUV在ESC匹配过程中未必严格按照实际的匹配要求来执行。这一点，值得我们去思考。

(a)1#测试车 (b)2#测试车 (c)3#测试车图5 方向盘转角与横摆角速度响应曲线Fig.5 Response curve for steering wheel angle and yaw rate

4 结束语

本文依据ECE R13H法规标准对3款国产SUV匹配国外某生产厂家的ESC系统的性能进行了测试与评价。 因不同车型的整车参数、发动机参数及悬架特性的差异导致同一品牌型号的ESC会体现不同的控制能力且国内SUV的ESC系统匹配较差，同时指出了目前在乘用车ESC测试与评价方面存在的问题。鉴于此，建议提高标准法规中的汽车横摆稳定性评价指标以驱动ESC主动安全供应商的系统研发，保障车辆在实际道路工况下的避险能力；加强ESC道路匹配试验，根据SUV车辆本身条件，严格按照“高附-低附-高附”铺装路面进行闭环标定以满足实际道路工况的需要。