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第四章汽车电子稳定系统

第一节电子稳定系统概述

一、概述

随着现代汽车技术的发展，车辆的主动安全性大大提高。为了防止车轮抱死，避免车辆在紧急制动时因车轮抱死而失控，1978年博世公司开发了世界首套ABS，并在1985年投产。据统计，在2004年欧洲生产的新车ABS装备率已达到85%，而欧洲生产协会规定2004年7月起生产的新车100%装备ABS。在我国生产的新车中装备ABS的也达到了66%。

由于ABS不能解决车辆在湿滑路面上起步或加速出现的车轮打滑问题，更不能避免车辆发生侧滑。因此，在ABS的基础上，进一步推出牵引力控制系统（TCS）。在车辆起步或加速时，如果某个车轮出现了打滑现象（车轮轮速传感器不断监视着每一个车轮），TCS系统会迅速干预制动系统和发动机工作，使车辆能够安全地起步或加速（防止车轮打滑保证车辆具有良好的牵引性能，同时照顾其稳定性和操纵性）。

1995年博世公司又推出了ESP。ESP是Electronic Stability Program的缩写，中文常译成“电子稳定程序”或“电子稳定系统”，它是德国博世公司的发明专利和专用注册商标。ESP属于汽车主动安全系统，又称为行驶动力控制系统。它是ABS和ASR两种系统功能的延伸。它通过对从各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。ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。从某种意义上来说，ESP也是一种牵引力控制系统，但是与其他牵引力控制系统比较，ESP不但控制驱动轮，而且可控制从动轮。如后轮驱动汽车出现转向过度时，ESP便会通过控制外侧的前轮制动力来稳定车辆，防止后轮失控而发生甩尾现象。在转向不足时，为了校正行驶方向，ESP则会通过控制内侧的后轮制动力，从而实现校正行驶方向的目的。

有了ESP，车辆在湿滑路面失去控制的几率大大降低了，整车的主动安全性也更高。无论是晴天还是雨天，驾驶人都能放心大胆地操纵加速踏板，因为在ESP的辅助作用下一切都会得心应手。但要注意ESP也不是万能的，它只是一套辅助设备。千万不要因为有了ESP就可以随意将加速踏板踩到底或者高速转弯。如果盲目开快车，任何安全装置都难以保证其安全性。ESP可以称得上是当前汽车防滑系统的最高级形式。

ESP在不同的车型，往往赋予其不同的名称，如奔驰、奥迪称其为ESP，宝马称其为DSC，丰田、雷克萨斯称其为VSC，三菱称其为ASC/AYC，本田称其为VSA，而沃尔沃称其为DSTC，但其原理和作用基本相同，详细情况见表4-1。

表4-1 各厂商类似ESP系统基本情况

二、ESP在国外和国内应用现状

据统计，在欧洲每年有5万人死于车祸，190万人受伤。另据德国保险业工会前些年的研究表明，在涉及严重人身伤害的车祸中，其中25%由汽车侧滑引发，且60%的致命车祸都起因于汽车侧滑导致的侧面撞击。在国内，这一数字可能更高。引起侧滑的主因是：路况突变，使轮胎失去侧向力从而失去操控；路面突现险情，驾驶人紧急避让时猛打转向盘过度等。

按照“欧洲道路安全宪章”计划的目标，到2010年，要将交通事故死亡人数减半，如何实现此目标？推广应用ESP被认为是最重要的措施之一。许多著名汽车生产商的研究表明：ESP能改善在湿滑路面及紧急避让时的操纵稳定性与行驶安全性，可将严重车祸的数量显著减少50%，它是主动安全技术的一项突破。据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的一项报告称，在配备了ESP的车辆中，客车单车碰撞事故减少了30%，而轿车致命的单车碰撞事故也减少了30%。就运动型多用途车（SUV）而言，该事故下降率甚至更高，单车碰撞事故减少了67%，而致命事故则减少了63%。大量研究和分析都已证实ESP在增强道路安全方面的有效性，目前汽车厂商对ESP高度重视，例如：美国通用、福特和克莱斯勒之前联合宣布在2006年前将其作为大部分SUV的标准安全配置，其中通用雪佛兰新款SUV科帕奇（CAPTIVA）和克莱斯勒2007年款Jeep大切诺基都已经把ESP作为标准配置，科帕奇于2007年11月6日在杭州宣布在国内上市。另外，美国运输部（DOT）与国家公路交通安全管理局，于2007年4月纽约车展时宣布：自2011年9月开始，所有在美销售的2012年款新车，必须配备电子车身稳定系统，才能获准于美国市场销售。

目前，在欧洲大约40%的新车配备了ESP系统，在高档车上已成为标准配置，中档车上的装配率也迅速提高，但在紧凑型车上装配率还较低。在北美和日本，ESP装配率也快速上升，美国甚至已讨论过是否应在新车下线时强制装配该系统。目前ESP系统正在向一般的商用车及重型载货汽车普及，多家商用车和重型载货汽车生产厂商正在推出带ESP的车型。现在正是欧、美、日汽车工业界推广应用ESP的高潮期，国内也正酝酿迅速推广。

但是，目前国内ESP的装配率还很低，新车装配率仅为4%，已配有ESP的车型有：东风雪铁龙的凯旋，一汽大众的速腾、奥迪A6/A4、宝来（选装ESP），上海通用的君越、荣御，上海大众的帕萨特领驭等。

在研发生产方面，全球主要有6家汽车零部件厂商生产该系统，即：德国博世、日本电装、德国大陆、美国德尔福、日本爱信精工和美国TRW公司。德国博世公司一直是该领域的领先者，无论是ABS/ASR，还是更先进的ESP，技术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应该套系统。博世于1995年第一个把ESP系统投入量产，并不断优化其设计，到2002年已发展到第8代，至今已生产了超过2000万套ESP系统。2005年，它还在苏州投资生产ESP 8.0系统。博世注重中国市场，认为ESP将成为国内汽车的新卖点，而其他ESP供应商也在积极拓展中国市场。

国内对ESP的研究还处在起步阶段，只有少数单位和学者在从事控制方法的仿真研究，如吉林大学、清华大学、上海交通大学、西北工业大学等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车等企业。由于缺乏良好的试验条件，研究还不够深入。

三、ESP与其他系统的关系

1.电控制动系统的功能及关系

ESP是一项综合控制技术，整合了下列多项电控制动技术，通过对制动系统、发动机管理系统和自动变速器施加控制，防止车辆滑移。

（1）防抱死制动系统防止制动时车轮出现抱死，使车辆具有方向性和稳定性，并缩短制动距离，减少轮胎的磨损。

（2）电子制动力分配自动调节前、后轴的制动力的分配比例，提高制动效能，提高车辆的制动稳定性。EBD是防止ABS起作用以前，或者由于特定的故障导致ABS失效后，后轮出现过度制动。

（3）电子差速锁是防抱死制动系统的一种功能扩展，用于汽车的加速打滑控制。在汽车加速过程中，当电子控制单元根据轮速信号判断出某一侧驱动轮打滑时，EDS功能就会自动开始作用，通过液压控制单元对该车轮进行适当强度的制动，从而提高另一侧驱动轮的附着利用率，提高车辆的通过能力。当车辆的行驶状况恢复正常后，电子差速锁即停止作用。同普通车辆相比，带有EDS的车辆可以更好地利用地面附着力，从而提高了车辆的通过性。电子差速锁除了在软件上有变化之外，在ABS系统控制单元上新增加了专用的电磁阀及其他电子元件。

当行驶中车辆的左右驱动车轮处在不同附着系统路面上，尤其是当一侧车轮在光滑的冰面上时，这一侧的车轮可能出现打滑现象，在车辆起步，加速或上坡时这种趋势更明显。

此时，电子控制单元根据轮速传感器传来的信号，比较左右驱动轮的轮速，当轮速差值较大即一侧车轮出现打滑时，ECU将发出指令，对滑转车轮施加制动，这样，打滑车轮的速度降低，直到接近另一侧车轮的轮速，保证另一侧车轮有足够的驱动力。

装备EDS的车辆爬坡能力比没有装备该系统的车辆提高十几个百分点。

（4）发动机牵引力调节（MSR或EBC，Motor control Slide Retainer）MSR是德语Motor Schleppmomenten Regelung的缩写，意思为发动机牵引力控制，等同于EDTC（Engine Drag-Torque Control）。MSR的作用是降低牵引力矩，提高汽车在光滑路面上的转向能力。

MSR的功能在整个车速范围内均能起作用，它可以改善车辆在光滑路面上的行驶及制动性能。若驾驶人在光滑的路面上松开加速踏板，发动机对车辆将不再具有牵引作用，此时驱动轮通过传动系统带动发动机运转，使车轮轮速降低，有抱死倾向，即产生所谓发动机制动现象。这时，ABS控制单元接到轮速传感器的信号，判断出车轮有抱死趋势，便通过CAN总线向发动机控制单元发出指令，提高发动机的转速并降低牵引力矩，以提高车轮转速。于是，车轮不再呈现抱死趋势，车辆将继续保持稳定行驶状态。

MSR系统具有如下优点：

①车辆在低附着系数的路面滑行时，可以有良好的转向能力。

②车辆在低附着系数的路面滑行制动时，可以缩短制动距离。

（5）牵引力控制系统ASR功能可以提高车辆在加速过程中的稳定性和转向能力。在加速过程中，按照具体的行驶条件和道路状况，如果驾驶人操纵加速踏板过度，这时ASR控制单元将接到轮速传感器的信号，并判断车轮有打滑趋势，便通过CAN总线向发动机控制单元发出指令，降低发动机的转速和牵引力矩，使车轮不再呈现滑转趋势，车辆将继续保持稳定加速状态，发动机的转速和牵引力矩此时将不依赖于对加速踏板的控制。例如在沙石及冰面上起步及加速时会出现上述状况。ASR在所有的变速器档位均可以发挥作用。驾驶人可以通过仪表板上的ASR警告灯的状态确定ASR是否起作用。

ASR与MSR一样通过CAN-BUS与发动机管理系统进行通信。采用ASR具有以下优点：

①车辆在低附着系数的路面加速时，可以有良好的稳定性和转向能力。

②车辆在曲线行驶时，ASR可以避免车辆因加大节气门而冲出跑道。

2.电子稳定程序的原理

汽车技术进步的一个主要任务就是提高主动安全性以避免发生事故，并充分发挥车辆的动力性能。电子稳定程序通过有选择性的分缸制动及发动机管理系统干预，防止车辆滑移，提高在所有条件下的车辆稳定性，纠正各种行驶条件下的过度转向和不足转向。ESP是建立在其他牵引控制系统之上的一个非独立的系统，也称之为动态驾驶控制系统，简单地说它是一个防滑系统。ESP能够识别车辆不稳定状态，并通过对制动系统、发动机管理系统和变速器管理系统实施控制，从而有针对性地弥补车辆滑动。ESP在主动安全性方面，可以防止车辆侧滑而发生意外事故；ESP在被动安全性方面，可以在事故中减少侧面碰撞发生的几率。

ABS/TCS就是要防止在车辆加速或制动时出现我们所不期望的纵向滑移。而EDC/ESP就是要控制横向滑移，它是各种工况下的一个主动安全系统，处理各种异常情况，减轻驾驶人的精神紧张及身体疲劳。只要ESP识别出驾驶人的操纵与车辆的实际运动不一致，它就马上通过有选择的制动或发动机干预来稳定车辆。

ESP是一种以高车辆曲线行驶稳定性的主动安全系统，它通过制动和干预发动机工作来实现让车辆按理想轨迹行进的目的，同时保持车辆的可操纵性。

ESP具有如下特点：

①ESP并不是一套独立的系统，实际上它是建立在ASR基础之上的，这也是ESP总是包含ASR功能的原因。

②ESP不完全依赖于驾驶人的操纵产生纠正行驶轨迹作用，这样可以减轻驾驶人的负担。

③ESP保证车辆在复杂行驶条件下始终保持可操纵性。

3.ESP与各项电子制动系统的包含关系

装备ESP和ASR的系统，则同时具有EDS、EBD和ABS的功能，如图4-1所示。ESP是一种主动安全系统。它建立在ABS及ASR之上，是这两种系统功能上的延伸。因此，ESP称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式，是一个非独立的系统，其功能及作用如图4-2所示。

图4-1 ESP与各项电子制动系统的包含关系

图4-2 ESP在当前汽车防滑装置中的位置

4.ESP的工作范围

丰田公司对能起到控制汽车稳定性作用的各个系统提出各自有效工作范围，如图4-3所示。由图可知，四轮转向（4WS）的有效工作区在轮胎附着圆的中心部位即侧向力、纵向力较小的轮胎线性区内；牵引力控制（TCS）的有效工作区是最大驱动力附近的极限区域；防抱死制动系统（ABS）的有效工作区是最大制动力附近的极限区域；车辆稳定控制系统（ESP/VSC）的有效工作区是最大侧偏力附近的极限区域；TCS、ABS、VSC均工作在较大地面反作用力的轮胎特性非线性工作区内。

四、制动力与侧向力的关系

图4-3 丰田车系控制汽车稳定性各系统的工作范围

1.受力分析

物体上作用着各种力和力矩，当这些力和力矩的总和为零时，物体就处于静止状态；如果不为零，那么物体就沿合力方向运动。我们最熟悉的力就是重力，它的方向是指向地心的。除重力外，作用在车上的力还有：驱动力，方向与汽车行驶方向相同；克服驱动力的制动力，与汽车行驶方向相反；保持车辆转向性能的侧向力，与转向的方向相同；以及由摩擦力和重力产生的附着力。各力的方向如图4-4所示。在车上作用的还有以下的力和力矩：偏转力矩，该力矩试图使汽车沿垂直轴线转动；车轮转矩及惯性矩，该力矩试图使汽车保持原来的运动方向。另外在行驶的汽车上还存在其他的力，如空气阻力，一般分析时可忽略不计，如图4-5所示。