ESC 电子稳定控制系统开发标定

韩厚禄

（奇瑞捷豹路虎汽车有限公司上海分公司， 上海 200335）

1 前言

近年来，随着汽车电子化和智能化的高速发展，车辆主动和被动安全技术得到了显著应用，为提升车辆运行安全、预防和减少道路交通事故、降低事故伤亡人数创造了有利的条件。仅从汽车底盘制动系统的主动安全技术发展看，继ABS （Anti-lock Brake System，防抱死制动系统） 成为标准配置外，ESC系统 （Electronic Stability Control System，电子稳定控制系统） 等主动安全系统已大规模在整车上装备应用。该系统是在ABS、TCS （牵引力控制系统） 等功能基础上发展起来的一种主动安全技术，能够纠正车辆偏离理想行驶轨迹的倾向，防止车辆出现转向不足或转向过度等失稳状态，改善车辆的转向响应性和侧向稳定性［1］。在北美、欧盟、日本等国家和地区已将其定义为新车必需配备的安全装置之一，中国目前也有GB/T推荐性标准规范了如何在车辆上搭载应用。

ESC系统的工作原理复杂，涉及的理论较多，近年来国内外学者、高校院所等展开了大量的研究，主要对稳定性的控制策略分析、CAE软件联合仿真、HIL硬件在环台架仿真等方面，做了大量且深入的研究。但对于主机厂、底盘相关零部件厂家的工程技术人员而言，在面向新项目新车型时，尤其在项目的实际操作层面，应该如何开展具体的ESC系统开发及标定业务，缺乏相关的文献资料作为参考。因此，结合工程实际对ESC系统的开发标定进行分析研究，具有重要的意义。

2 法规要求

2007年3月，美国高速公路交通安全管理局NHTSA率先颁布了全球第一部关于ESC 系统的汽车安全法规标准FMVSS126，对ESC系统做了明确的定义和要求，并且规定从2011年9月1日起，美国市场上销售的所有载荷低于4536kg（10000磅） 的车辆必需装备ESC系统。联合国欧洲经济委员会UN/ECE于2009年11月在ECER13H《乘用车制动系统技术要求及试验方法》第二次修订中将ESC及BAS纳入附录9，要求自2011年11月1日起所有缔约国将对没有安装ESC系统和未达到ECE R 13H附录9对ESC系统要求的车辆不能给与合格认证。随后，澳大利亚、加拿大、日本、巴西等也陆续推出了针对ESC强制安装的法规。国内也制定并发行了《GB/T 30677-2014 轻型车电子稳定性系统性能要求及试验方法》推荐性标准，在C-NCAP管理规则中也将车辆配备ESC系统作为加分项［2-5］。

ESC系统需要满足相应的法规见表1。

3 系统构成

3.1 系统组成

FMVSS 126法规首次定义了ESC系统需要具备的功能特征，ECE R13H、GB/T 30677等基本沿用了该法规的定义。即ESC系统需要实时监控车辆运行状态，根据需要调节制动力和发动机扭矩以改变车辆横摆力矩，使车辆按照驾驶员意图行驶的主动安全系统。系统基本特征如下：①至少能够在对车辆实际状态和驾驶员希望实现的车辆状态进行对比评价的基础上，自动对各车轴或各车桥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能够监控驾驶员的转向输入。⑤ESC系统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。

基于法规要求，ESC系统需要匹配相应的传感器、控制单元、执行器等，主要包括ESC液压控制单元、方向盘转角传感器、纵向及横向加速度传感器、横摆率传感器、轮速传感器，系统接收油门踏板、制动踏板信号，与EMS、TCU动力控制单元进行通信等［6］。具体的ESC系统构成如图1所示。

图1 ESC电子稳定系统构成示意图

3.2 原理框图

当前主流的ESC系统主要有两种式样。一种为未集成EPB （电子驻车制动系统） 的ESC系统，ECU接口常见的为38个PIN脚，EPB与ESC各自有相应的控制模块。另一种为集成EPB系统的ESCi结构，ESC ECU内部集成了EPB系统控制模块，接插件总成上预留了EPB开关和EPB电子卡钳的接口，共有46个PIN脚。系统原理框图如图2a、2b所示。

图2 ESC系统原理框图

3.3 ESC液压控制模块

ESC液压控制模块爆炸图及回路图如图3所示。ECU接收系统所需信号后，计算、判断车辆状态，发出控制指令，精确控制电磁阀线圈的通电断电，确保液压电磁阀及系统回路的打开和关闭，从而实现对4个卡钳轮缸进行加压、保压、降压的控制过程。

图3 ESC液压控制模块及系统回路图

3.4 工作原理

ESC系统的主要功能是在异常路面以及紧急情况下对车辆动态安全主动进行干预，该系统整合了ABS防抱死制动、TCS牵引力控制、HBx制动辅助等功能，提前识别车辆侧滑的风险，在车辆物理极限范围内，保持车辆的动态稳定性。各功能简单介绍如下。

ABS防抱死制动的功能主要为避免车辆出现前轮抱死失去转向能力，避免后轮抱死出现甩尾或侧滑。TCS牵引力控制，则是根据驱动轮和从动轮的轮速差异，监测驱动轮是否出现打滑现象，若发现打滑则向EMS系统发出信号，干预发动机电喷系统的喷油量、点火相位角、节气门开度等，抑制驱动轮轮速，避免驱动轮打滑，确保车辆平稳起步及加速［7］。

ESC系统通过方向盘转角信号、轮速信号等监测驾驶员的驾驶意图 （理想轨迹），通过横摆率传感器和横向加速度传感器信号识别车辆实际行驶状态，对比理想轨迹与实际状态的差别。根据输入信号和控制策略判断车辆失控状态，适时介入控制不利的横摆力矩和质心侧偏角。若出现转向过度，对转弯外侧前轮施加相应的制动力，必要时对牵引力进行控制，防止车辆继续向弯道内侧滑移。若出现转向不足，对转弯内侧后轮施加相应的制动力，必要时对牵引力进行控制，防止车辆驶出弯道［8］。转向过度及转向不足、控制策略示意图如图4所示。

图4 ESC系统应用场景及控制策略

HBx辅助功能包括HBA、HBB等，例如驾驶员在紧急状态下踩踏踏板但踏板力不足时，或者监测到真空助力系统的负压不足时，通过HBx的主动建压功能快速增加制动力，提高制动强度，减小紧急制动工况下的制动距离等。ROP防侧翻功能一般应用在质心较高的SUV车型中，在高附路面通过监控车辆状态，对车轮施加纵向制动力，减小侧向附着力，从而抑制侧翻倾向［9］。

3.5 ESC系统功能

ESC系统常见的功能见表2所示。

表2 ESC系统常见功能

4 ESC系统开发流程

4.1 标定计划

由于ESC系统在设计开发时会涉及多个部门的不同系统及零部件，设计开发时，任何其他相关的零部件的开发成熟度都会影响ESC系统的标定。因此，除了需要综合考虑整车的质量及前后轴荷分配、底盘悬架/转向/轮胎/基础制动等设计选型、ESC OFF开关、相关传感器等硬件的设计输入，也需要结合整车电子电气网络架构、CAN通信矩阵、诊断规范、通信协议、其他模块 （如EMS、TCU、仪表、PEPS、BCM） 的系统软件的开发进度，从整个项目的角度综合考虑，制定合理的开发周期，实施“两次高附一次低附”路面的整车标定［10］。

当前，国内主机厂在开发过程中基本委托供应商主导ESC系统的开发标定，主机厂的底盘电子工程师负责协调解决整车及对手系统及零部件的进度。ESC系统开发计划如图5样例所示。

图5 ESC系统开发计划

在第1轮高附夏季标定时，需要提供整车参数已经冻结的OTS样车。样车需要具备完整的CAN通信；发动机台架试验100%完成；完成油门踏板map图标定；扭矩响应按ESC系统要求完成；扭矩增降过滤速度按照ESC系统要求完成；完成发动机外特性曲线定义和粗略标定；完成转向系统、悬架系统的标定；样车搭载的ESC模块需要具备ABS功能软件。夏季标定涵盖路况包括干沥青、湿沥青、坏路、砾石路、砂石路、鹅卵石路、起伏路、比利时路、模拟分离路、高低模拟跳变路、动态操控路等。

在第1轮低附冬季标定时，EMS 完成冬季软件更新；完成100%的驾驶特性标定 （扭矩、怠速、低温性能和控制过渡状态标定）；完成冷启动、怠速性能标定；完成冬季驾驶特性、扭矩结构参数标定；开展ABS/ESC冬季功能和性能标定及验收。第1轮低附试验完成后，若整车某些系统及零部件变更且影响到ESC系统的功能和性能，则ESC系统的开发周期及计划需要重新研讨。对于冬季标定的时间，国内一般是在每年的12月初到次年3月份，试验匹配人员将奔赴-20℃到-50℃的中国极北之地呼伦贝尔或者黑河、满洲里等冬季试验场开展标定试验。冬季标定的路面主要是低附路面，路况有冰道、雪道、分离道、雪环、冰环、雪动态广场等。若项目时间紧急，也可考虑安排在南半球如澳大利亚、新西兰等试验场开展冬季标定，但相关成本较高，需要结合项目预算综合考量。

在第2轮高附夏季标定时，需要提供发动机、变速器、悬架、转向、基础制动等系统参数已经完全冻结且为OTS状态的样车。EMS最终驾驶性能测试完成，完成最终标定参数的更新，与驾驶性相关参数不再更改；开展第2轮ABS/ESC夏季功能和性能验收，软件冻结；整车VD动态性能部分进行ESC软件性能的最终试验，验收并释放最终版软件，为ESC模块的量产导入做准备。

简言之，ESC系统的匹配标定及软件开发时，应按项目的时间节点及实际的完成度，分阶段逐步开发、冻结、释放不同版本的软件。包括确认通信规范、网络管理协议、诊断规范等，结合ESC系统的硬件模块台架试验及软件台架测试结果、ESC系统的实车不同阶段及路面、工况条件下的标定结果等，逐步完善系统软件的标定参数，确保最终释放的量产版软件的品质可靠性和系统稳定性。

4.2 开发规模确认

对于部分局改或者年度改款项目车型，涉及到需要先行评估ESC系统是否需要全新开发，或者还是进行适应性试验验证，该开发规模将影响到整个项目的预算成本和开发车型的量产计划。结合以往的项目开发经验以及与ESC系统供应商的交流研讨，汇总整理的评估情况见表3。当然，具体的开发规模应以实车试验验证结果为准进行具体问题具体分析。

表3 与ESC系统强相关的系统及零部件校核变化量评估

5 ESC系统评价及验收

在实车标定及性能验收阶段，主要从系统的功能和性能两个方面进行试验评价及验收。首先对标定样车状态进行检查确认。按照前文的样车交付状态及需求的描述所示检查以下几个方面。

检查车辆硬件状态，原则上ESC性能相关的零部件需要接近量产状态，如制动系统、悬架系统、转向系统、动力总成、车轮、车身等；检查车辆信号状态，要求与ESC相关的CAN矩阵一致，如信号精度、周期、最大值、最小值等；检查车辆信息，确认其他ECU的软件状态，记录软件版本、车辆VIN代码；确认ESC OFF开关是否可以正常实现关闭或者开启ESC功能；确认ESC系统的辅助功能正常介入及退出，如HBA/HBB/HA/AVH等。

在对系统功能及性能目标进行验收及评价时，主要确认前文表2所示的各项功能的控制逻辑的设定及动作是否符合逻辑定义。本文以TCS、ESC功能为例，介绍性能考核的要求。TCS系统的性能要求见表4。整理出常见的系统功能要求见表5。

表4 TCS系统性能要求

表5 ESC系统功能要求

ESC系统的性能要求见表6。其中，ESC系统在冰雪道路的双变道、定圆路的试验方法一般按照《GB/T 30677-2014轻型车电子稳定性系统性能要求及试验方法》附录A冰雪道路试验的规定实施。

表6 ESC系统性能要求

6 结束语

ESC电子稳定控制系统是车辆主动安全系统之一，当前在不同级别及价位的乘用车及轻型商用车产品上已经广泛应用。在新项目新车型开发时，ESC系统也属于需要实施整车标定匹配的关键系统之一，直接影响到项目的开发日程。

对于主机厂及底盘零部件企业的工程师而言，在面对新车型新项目时如何开展ESC系统的开发业务，从实操层面应如何开展ESC系统的开发及标定，目前可供查阅的文献资料极少。本文结合项目经验，介绍了ESC系统的结构类型、系统零部件构成、系统基本功能等，举例分析了ESC系统软件的开发流程、系统标定用样车的需求、全新标定开发/适应性验证的规模区分等，以及在各个节点基于功能要求及性能要求如何进行评价验收，对于在开发过程中的实际操作方面，有一定的指导及参考意义。