第二節 車輛穩定控制技術簡史

一、歷史狀況

當車輛在濕滑路面上突遇緊急情況而緊急制動時，車輛會側滑或甩尾；當左右側車輪分別行駛于不同附著系數的路面上時，車輛制動會側滑或甩尾，很多事故便由此產生；彎道制動遇到上述情況，事故會更嚴重。理想制動系統的特性應當是，當車輛制動時，將車輪滑移率S控制在峰值系數滑移率（即S=20%）附近，這樣既能使車輛有高制動效能，又可保證車輛穩定性。車輛穩定控制系統（簡稱穩控系統）是隨時監控車輛動力學特性、調節動力學性能、保證穩定性、實施主動安全控制、避免事故并延長車輛使用壽命的裝置；也是為了消除在各種工況中出現非穩定因素，避免出現由此引發的各種事故而專門設置的系統。

當緊急制動時，防抱死制動系統（Anti-Lock Brake System，ABS）可防止車輪抱死；當車輪打滑時，牽引力控制系統（Traction Control System，TCS）控制發動機輸出，并對車輪進行制動，可防止車輪打滑；當過度轉向或轉向不足時，電子穩定程序（Electronic Stability Program，ESP）控制車輛保持穩定性。穩控系統可在上述三種情況發揮作用，保持車輛動力學穩定性；另外，穩控系統還可在在車輛閃避突然出現的障礙物時，車輛因轉向不足而向外側滑移、或轉向過度而使車輛橫越路中心線及原地自轉時，控制發動機輸出并對車輪進行控制，以消除失穩狀態，提高車輛動態穩定性。

20世紀初，原始的ABS用在鐵路機車上，借此來避免機車車輪因制動導致的“平面現象”和鋼軌早期損壞；1936年博世公司取得ABS專利權；1940年ABS應用于飛機，防止著陸時偏離航道及輪胎破損；1954年福特公司將ABS用于林肯轎車，拉開車輛采用ABS的序幕。隨著電子技術及精密液壓元件制造技術的進步，逐步奠定了復雜而精確的控制技術基礎，1978年奔馳公司推出四輪控制式ABS。隨著電子技術進步和器件價格的降低，20世紀90年代迄今，ABS在車輛上普及，并逐漸成為車輛的標準裝備。

從ABS出現到今天的廣泛應用，ABS技術趨于成熟，今后發展將體現為，實時跟蹤路面特性變化，采用更有效控制算法，實現真正意義的優化控制，以彌補現今邏輯控制的不足，提高關鍵元件性能指標和可靠性，消除ABS控制過程不平滑、易振動、噪聲大的缺陷；由單一控制目標轉向多目標綜合控制，全面提高車輛整體動力學水平；進一步降低裝車成本。

帶有ABS的制動系統由基本系統和壓力調節系統兩部分組成，前者是制動主缸、制動輪缸和制動管路等構成的基本系統，用來實現車輛的常規制動，而后者是由傳感器、控制器。執行器等組成的壓力調節系統，用來確保車輪不抱死，滑移率處于合理范圍。傳感器承擔感受行駛狀態參數，將運動物理量轉換成為電信號；電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）根據傳感器信號及其存儲信號，經過計算、比較和判斷后，向執行器發出控制指令，同時監控系統工作狀況；而執行器（壓力調節器）則根據ECU的指令，依靠由電磁閥及液壓控制閥組成的液壓系統對系統實施增壓、保壓或減壓的操作，讓車輪始終處于理想狀態。

在車輛行駛中時常出現車輪轉動而車身不動，或車輛移動速度低于驅動輪輪緣速度的情況，這意味著輪胎接地點與地面之間出現相對滑動。這種滑動稱為驅動輪的“滑轉”，區別于車輛制動時車輪抱死而產生的車輪“滑移”。驅動車輪滑轉，同樣會使車輪與地面的縱向附著力下降，從而使得驅動輪上可獲得的極限驅動力減小，最終導致車輛的起步、加速性能和在濕滑路面上通過性能的下降。同時，還會由于橫向摩擦系數幾乎完全喪失，使驅動輪上出現橫向滑動，隨之產生車輛行駛過程中失穩。

TCS是繼ABS之后，設置在車輛上用來防止驅動輪起步、加速和濕滑路面的滑轉的驅動力調節系統。在驅動狀態下，TCS實現對車輪運動方式的控制，在驅動輪上獲得盡可能大的驅動力，保持車輛驅動時的穩定控制能力，改善燃油經濟性，減少輪胎磨損；TCS控制器（ECU）根據轉速傳感器信號，適時計算出車輪滑移率S。當S值超過預先設定的界限值時，控制器就會向TCS執行裝置輸出控制信號，抑制或消除驅動車輪上的滑轉。TCS的控制策略如下：

1.輸出功率控制

當車輛起步、加速時，若加速踏板踩得過猛，時常會因驅動力超出輪胎和地面的附著極限，出現驅動輪短時間的滑轉。TCS控制器將根據加速踏板行程大小發出控制指令，既可通過發動機的副節氣門驅動裝置，適當調節節氣門開度，也可以直接控制發動機ECU，改變點火時刻或燃油噴射量，限制功率輸出，達到抑制驅動輪滑轉的目的。

2.驅動輪控制

在單側驅動輪打滑時，TCS控制器將發出指令，通過壓力調節器，對滑轉的車輪施加制動并減速，其滑移率逐漸下降。當滑移率降到預定范圍，ECU發出指令，減少制動，若車輪又開始滑轉，則繼續下一輪控制，將驅動輪滑移率控制在理想范圍。在控制期間，另一側非滑轉車輪仍然保持著正常驅動力，這類似于差速鎖，即當一側驅動輪陷入泥坑中，部分或完全喪失驅動力時，若制動該車輪，另一側驅動輪仍有足夠驅動力，維持車輛正常行駛。當兩側驅動輪均出現滑轉，但滑移率不同時，可通過對兩邊驅動輪施加不同制動力，分別抑制滑轉，提高車輛在濕滑路面上的起步、加速和行駛穩定性。

3.綜合控制

為了達到更理想的控制效果，可采用上述控制相結合的控制系統。在行駛路面濕滑程度不相同時，驅動力狀態也隨時變化，綜合控制系統將根據發動機工況和車輪滑轉的實際情況采取相應控制措施。如在發動機輸出大轉矩時車輪滑轉的主要原因是路面濕滑所致，采用對滑轉車輪施加制動比較有效；而當發動機輸出大功率時車輪滑轉則以減小發動機輸出功率的方法更有效；在更復雜工況下，綜合控制能更好控制驅動輪的滑轉。

TCS轉速傳感器用來檢測各車輪的轉速，節氣門位置傳感器檢測主、副節氣門位置，ECU根據轉速信號、節氣門開度信號等判斷車輛行駛狀況，向制動執行器和副節氣門執行裝置發出控制指令，并可在系統出現故障時，記錄故障碼，點亮故障警告燈；制動主繼電器向制動執行裝置和泵電動機繼電器提供電流，節氣門繼電器向副節氣門執行器提供電流，副節氣門執行器接受ECU信號，控制副節氣門開啟角度，液壓調節裝置接受ECU信號，控制制動壓力。

TCS許多傳感器和執行器與ABS共用，轉速傳感器將轉速轉為電信號，輸入控制器計算出滑移率，若滑移率超出范圍，ECU依據節氣門開度信號、發動機轉速信號、轉向盤轉向信號等選定控制方式，向各執行器發出控制指令，將驅動輪滑移率控制在目標范圍。TCS和ABS結為一體，處于待命狀態，不干預常規行駛，僅當車輪滑轉時開始工作。

從20世紀90年代以來，利用穩控系統來控制車輛操縱穩定性受到各大公司重視，研發了很多穩控系統，雖然名稱不同，結構有差異，但其主要功用及原理一致，如ESP：奔馳、奧迪、大眾及標致等采用；DSC（Dynamic Stability Con-trol）：寶馬等采用；VSC（Vehicle Stability Control）：豐田等采用。

由于國內外技術水平與研究模式差異，穩定控制技術在國外和國內是兩種截然不同的發展道路。在國外，穩控系統在車輛上應用已有十多年的歷史，穩定控制關鍵技術集中在知名企業，包括博世、天合、德爾福、電裝、萬都等，這些企業都有很大規模、很強實力和豐富的經驗。以博世為例，作為世界最大供應商，其應用技術水平高，產品歷經多次升級換代，在目前市場上共存有5.3、8.0、8.1、8.3、9.0等多個版本，HCU、ECU、軟件算法、匹配技術均有較大變化；在國內，由于起步晚，廠商技術有限，穩控系統研究主要依靠國家資金扶持，以高校為中心，并通過校企合作進行研發。

二、發展現狀

穩控系統是底盤技術的重要組成部分，能顯著改善車輛穩定性，提高安全性。隨著產業發展，穩控系統有著廣闊的應用前景，一方面，國內市場規模穩步增長，產量逐年提高，一舉超過美、日兩國總產量之和躍居世界第一；另一方面，車輛安全深入民心，國家制定多項標準來控制質量，消費者普遍關注安全配置，使得作為主動安全裝置的穩控系統裝車率不斷提高。市場需求對該產品推廣提出了更高要求，國內有規模的研發和制造企業很少，外資品牌主導穩控系統市場的配套與生產，占有市場份額90%，國產品牌只在中低端市場上具有競爭力。國內企業存在的問題是規模小，技術不成熟。隨著產業化規模擴大，國內供應商面臨一個難題，即如何保證產品的質量，提高競爭力。保證質量不僅是在設計、制造階段保證硬件合格率，更重要的是在硬件合格基礎上，根據車型參數選擇合適的硬件，調整控制策略和控制參數，使穩控系統在車輛上發揮控制效果。由于穩控系統與整車的匹配是質量核心環節，為確保匹配成功，匹配流程及標定技術十分重要，規范的匹配流程和標定技術保證匹配全面有序進行，提高有效性，減少反復和遺漏，縮短周期。在穩定控制匹配與標定過程中，針對不斷出現的需求，還需要穩定控制算法來擴充和完善穩定控制功能。標定技術包括標定實驗方法和標定工具軟件。標定實驗方法的研究能夠增強實驗規范性和數據有效性，便于分析與優化，有助于提高產品性能；工具軟件則能方便標定工作，提高效率。由于匹配是一個系統工程，在穩定控制實驗中，先建立系統模型，而后調整模型的參數來逼近實驗結果，如圖1-11所示。

圖1-11 車輛穩控系統邏輯框架

1—ABS/TCS/ESP控制單元 2—帶預壓泵的液壓單元 3—制動壓力傳感器 4—橫向加速度傳感器 5—偏轉率傳感器 6—TCS/ESP按鍵 7—轉向角傳感器 8—制動燈開關 9、10、11、12—車輪轉速傳感器 13—自診斷線 14—制動裝置指示燈 15—ABS指示燈 16—TCS/ESP指示燈 17—車輛及駕駛人狀況 18—發動機管理系統 19—變速器管理系統