深度解读ESC系统

cengjili

本文系统通过五个部分给大家详细介绍了ESC的系统、ESC的附加功能、ABS工作原理、TCS和VDC工作原理和ESC液压工作原理。
汽车电子稳定控制系统ESC（Electronic StabilityController）是一个主动安全控制系统，通过传感器监控车辆自身行驶状态，在车辆紧急躲避障碍物、转弯等容易出现不稳定状况时，以及在转向过度或转向不足情况下，利用动力系统干预及制动系统干预，帮助车辆克服偏离理想轨迹的倾向，为车辆行驶提供更好的安全性。
博世是世界上第一家实现ESC量产的公司，博世将自己的ESC产品称为ESP（Electronic Stability Program），本系列文章将主要依据博世ESP的产品特性介绍ESC的相关知识。

Part1: ESC系统介绍

一

ESC硬件组成

ESC系统的硬件包括ESC控制器、轮速传感器、齿圈（集成在轮毂轴承或驱动轴上）、转向角传感器、YG传感器、线束和ESP仪表警告灯等，见下图1。


1 – ESC控制器；2 – 轮速传感器；3 – 转向角传感器；4 – YG传感器图 1  ESC硬件组成
1.ESC控制器
ESC控制器总成由ECU电子控制单元、HCU液压控制单元、马达等部分组成，具体见图2。


图 2  ESC控制器
随着ESC系统功能的不断扩展，同一家供应商的ESC控制器往往存在多个不同功能版本。
2.轮速传感器
轮速传感器通过与齿圈配合，采集车轮的转动速度转化为电信号，输入到ESC电子控制单元进行处理。常用的轮速传感器分为两类：被动式轮速传感器和主动式轮速传感器。

被动式轮速传感器又称为电磁式，利用电磁感应原理，产生的是正弦波信号，见图12.1-5。而主动式轮速传感器目前主要使用霍尔式，利用霍尔原理，产生的是方形波信号，见图12.1-6。由于主动式轮速传感器具有抗干扰能力强、工作气隙范围宽及可零速输出等优点，已成为当前应用的主流产品。


图3  被动式轮速传感器


图4  主动式轮速传感器
3.YG传感器
YG传感器分为集成式和独立式：集成式是将传感器集成到ESC控制器内部，独立式是将传感器单独安装在整车质心附近。目前，集成式YG传感器已逐步成为趋势。

4.转角传感器
在以往的车型中，转角传感器通常集成在方向盘组合开关上，为一个单独零件。但目前出于成本等方面考虑，电动助力转向系统EPS直接外发转角信号给ESC使用，整车取消单独转角传感器已成为趋势。

二

ESC基本功能

对于传统ESC，其必须具备的四大基本功能为防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）、牵引力控制系统（TCS）、车辆动态控制系统（VDC）


图 5  ESC基本功能

1.EBD (Electronic Brake Distribution)
电子控制单元根据轮速信号计算车轮的转速及滑移率，如果后轮有抱死倾向，则由液压控制单元调节后轮制动压力，使后轮制动力降低，以保证后轮不会先于前轮抱死。
同传统制动力分配方式（如比例阀、感载阀）相比，EBD功能保证了较高的车轮附着力及合理的制动力分配。尤其在汽车制动时，根据轴荷转移的不同，自动调节前后轴制动力比例，提高制动效能。
EBD主要功能包括：

在制动过程中保持稳定性；

提供与机械液压比例阀同样的功能；

防止后轮比前轮先抱死；

当汽车载荷变化，利用EBD对汽车平衡进行改良。

2.ABS(Anti-lock Brake System)

当车轮制动时，由装在车轮上的轮速传感器采集四个车轮的转速信号，送到电子控制单元计算出车辆的减速度及车轮的滑移率。电子控制单元根据计算结果调节车轮制动力，让车轮达到一个最佳制动状态（滑移率处于最理想状态），防止车轮抱死，使汽车在制动状态下仍能转向。

ABS主要功能包括：

保持车辆稳定性——防止后轮抱死；

保持转向功能——防止前轮抱死；

减小制动距离；

减少驾驶员工作量。

当ABS起作用时，EBD即停止工作，ABS与EBD的调节过程对比如下：

ABS是前后桥控制，EBD是后桥控制；

ABS在紧急制动情况下作用，EBD在普通制动情况下作用；

ABS工作时调节方式频繁，EBD的调节比较缓和。

3.TCS (Traction Control System)

汽车在光滑路面制动时，车轮会打滑，甚至使方向失控。同样，汽车在起步或急加速时，驱动轮也有可能打滑，在冰雪等光滑路面上还会使方向失控而出危险。TCS依靠轮速传感器监测到从动轮速度低于驱动轮时（打滑特征），就会降低驱动轮上的有效驱动力，使驱动轮不再打滑。TCS主要功能包括：

保持稳定性；

保持转向性；

改进易打滑路面的车辆加速性；

减少驾驶员的工作量。

4.VDC (Vehicle Dynamics Control)
当车辆出现非预期的过多或不足转向时，通过采集到的信号判断理论与实际的差异，进行主动对某个车轮施加制动力，使车辆运行状态符合驾驶员的期望，避免车辆的不稳定状态。VDC主要功能包括：

维持车辆行驶稳定性；

消除避让动作和路况改变所产生的险情；

过弯时保持正确的路线；

提供最佳驾驶条件，提供高程度驾驶安全。

Part 2： ESC附加功能

ESC经过多年发展，硬件、软件不断升级，其控制功能早已超出EBD、ABS、TCS和VDC四大基本功能的范围。本文将主要介绍ESC的附加功能。

一

ESC附加功能清单

表 1  ESC附加功能

ESC系统功能		关联配置
HBA	液压制动辅助	/
HHC	坡道起步辅助
HAZ	紧急制动双闪
HBB	液压制动助力
DTC	发动机拖滞扭矩控制	非EV、PHEV
HDC	陡坡缓降	SUV
RMI	防侧翻控制
RBS	再生制动系统	EV、PHEV
EPB	电子驻车	EPB+AutoHold
AVH	自动驻车
CDP	动态驻车
ABP	制动器自动预充压	AEB
ABA	自适应制动辅助
AEB	自动紧急制动
AWB	驾驶员预警系统
CDD	驾驶员辅助加速控制	ACC
VLC	车辆纵向控制
TCH	偏航轨迹引导	APA
VMC	车辆运动控制	自动驾驶

二

ESC附加功能介绍

1HBA (Hydraulic Brake Assistanty)
ESC系统通过压力传感器判断压力上升梯度，判别是否是紧急制动，一旦确认为紧急制动，ESC系统会主动增压，让车辆达到最大减速度。HBA主要功能包括：

监测紧急制动工况；

自动使车辆达到减速度极限；

普通驾驶员能达到专业驾驶员水平；

紧急制动后对车辆减速度准确控制；

2HHC (Hill Hold Control)
在上坡路面上起步时，通过维持制动系统压力，保证在驾驶员松开制动踏板2s内车辆不后溜，用户无需通过控制手刹即可实现坡道起步。HHC主要功能包括：

在驾驶员松开油门踏板时防止车辆向后溜车；

保持由驾驶员产生的制动压力（没有主动增压）；

驾驶员可以在2s内从制动踏板移到加速踏板，2s后制动释放；

监测驾驶员离位的安全理念；

如果车辆四轮抱死并且滑动，轮缸压力将释放以保持转向性能。

3DTC (Drag Torque Control)
在低附路面上，尤其是冰面上制动时，若进入ABS控制，由于传动系统的拖滞力，驱动轮的轮速恢复非常缓慢，此时ESC系统会发指令给动力总成，要求增加输出扭矩，以便尽快恢复轮速，提高车辆的稳定性。DTC主要功能包括：

减少从动轮上的制动打滑，并通过增加动力总成输出扭矩保证车辆的稳定性；

当动力总成输出扭矩在诸如低附或ABS制动工况下使车轮打滑时，控制动力总成输出扭矩。

4HDC (Hill Descent Control)
一种巡航控制功能，能帮助驾驶员低速下坡（最大50%坡度），车辆速度的控制是通过ESC主动增压来完成，不需要驾驶员主动的制动干预。HDC主要功能包括：

低速工况下的巡航控制；

为越野工况设计；

帮助驾驶员缓慢而安全的下陡坡；

无需使用任何踏板控制；

如果制动滑移率过大，ABS会自动启动；

系统仅使用制动干预，不使用驱动干预。

5VLC(Vehicle Longitudinal Control)
VLC功能为ESC系统提供了一个加速接口，可负责对安装ADAS的车辆进行纵向控制。ADAS根据驾驶情况提供加速度请求，VLC通过主动控制发动机和制动来实现对加速度的调节。
VLC一般用于ACC及APA功能。
6CDD(Controlled Decelerationfor Driver assistant Systems)
CDD是一项能够实现主动增压的附加功能，该功能时为了实现ADAS功能中的制动执行部分。CDD一般作为VLC的下级功能，接受VLC的减速命令，控制车辆进行主动制动。
CDD能够完成整车制动到静止，保持车辆静止并且舒适地起步。
7VMC(Vehicle Motion Control)
VMC提供了完整的车辆横纵向运动控制功能，一般用于L3级及以上的自动驾驶。VMC从上层控制器接收横纵向运动控制命令，协调管理下属各驱动、制动、转向执行器实现车辆的横纵向运动。 目前车辆上安装的、反应自身运动状态的传感器包括轮速、纵向/横向加速度、横摆角速度和方向盘转角。其中除方向盘转角外，其它传感器通常由ESC系统供应商供货，属于ESC产品的一部分，这就意味着ESC系统事实上掌握着车辆运动状态的“第一手信息”。
正是由于这些“第一手信息”，ESC有条件发展出越来越多的车辆动态控制附加功能，逐渐成为车辆底盘控制的核心控制器。

Part3： ABS工作原理

ABS为ESC系统基本功能之一，也是ESC系统最初的前身，本文主要介绍ABS的工作原理。

一

动力学原理

在车辆运行过程中，轮胎与路面之间的附着特性决定了汽车的动力性、制动性和操纵稳定性。轮胎与路面之间的纵向附着特性决定汽车的加速和制动能力，轮胎与路面之间的侧向附着特性决定汽车的转向操纵能力。轮胎与路面间纵向、横向附着系数与滑移率的关系见图5，当轮胎轻微滑移时，纵向、横向附着系数均处于较高的范围，轮胎拥有最好的附着特性。



图 5 干燥硬实路面附着系数与滑移率的关系
ABS通过控制轮胎滑移率，最大限度的利用车轮和路面间的附着系数，获得行驶稳定性和操纵性。


图 6  带ABS与不带ABS的对比

二

ABS液压工作原理

ABS系统液压回路见图7，可以看出整个系统为X型回路，左后轮和右前轮为一回路，右后轮和左前轮为一回路。


图 7  ABS系统液压回路NO – 常开阀；NC – 常闭阀；LPA – 低压蓄能器
ABS系统调节包括建压、保压、减压、增压四个阶段，各阶段工作过程如下：

建压

制动时，通过助力器和总泵建立制动压力。此时常开阀打开，常闭阀关闭，制动压力进入车轮制动器，车轮转速迅速降低，直到ABS电子控制单元通过转速传感器得到识别出车轮有抱死的倾向为止。减压阶段液压回路工作状态见图3

保压

当ABS电子控制单元识别出车轮有抱死倾向时，控制常开阀关闭，此时常闭阀仍然关闭，见图8。


图8  ABS保压阶段

减压

如果施加的制动压力过大，车轮比车辆更快的减速，将有可能发生车轮抱死现象。这种情况下ECU 会向HCU 传达降低车轮压力的指令，即：常开阀关闭，常闭阀的开启，降低车轮分泵的压力。此时车轮分泵放出的制动液临时储存到低压蓄能器 (LPA)，储存于低压蓄能器 (LPA)内的制动油被随马达旋转而启动的油泵抽回到总泵。见图9。


图9  ABS减压阶段

增压

实施减压时，如果排出过量的制动液或者车轮与路面间的摩擦系数增加，则需要增加各车轮的压力。这种状态下ECU 向HCU 传达增加车轮压力的指令，即：常开阀开启，常闭阀关闭，增加车轮分泵的压力。减压时储存于低压蓄能器(LPA)内的制动液在增压状态下也继续转动马达排出制动液，此时的制动液通过总泵及常开阀供应到各车轮分泵。见图10。


图10  ABS增压阶段

Part 4：TCS与VDC工作原理

TCS和VDC均属于ESC的基本功能，本文将主要介绍着这两项功能的工作原理。

一

TCS工作原理

在硬实路面上，轮胎与路面间的附着系数与滑移率的关系见图11。



图11  附着系数与滑移率关系
当车轮转速＜车速时，滑移率为负，车轮处于滑移状态，滑移率=-100%时，车轮为纯滑移状态（抱死）；当车轮转速＞车速时，滑移率为正，车轮处于滑转状态，滑移率=100%时，车轮为纯滑转状态（打滑）。
ABS在滑移率为负时起作用，通过降低车轮制动压力来防止车轮抱死。TCS在滑移率为正时其作用，通过降低驱动轮上的有效驱动力矩来阻止车轮在驱动情况下的打滑，TCS可以看做是ABS在驱动状态下扩展。除保证汽车的加速稳定性和操纵性外，TCS还能通过“最优”打滑的调节来改善牵引特性。
TCS主要包括驱动扭矩控制、横向锁止调节及纵向锁止调节三项控制功能：
驱动扭矩控制
对于燃油车，可通过控制①发动机节气门、②点火装置、③喷射装置等不同方式实现。其中方式①的反应速度较慢，但工作方式平稳，能够与其它控制方式联合使用；方式②、方式③反应迅速，但可能会影响发动机性能。
横向锁止调节
当差速器两侧的驱动轮出现较大转速差时，可对两侧驱动轮进行非对称制动力调节，改变有效驱动力矩，模拟差速锁功能。
纵向锁止调节
该功能仅应用于四驱车型中央差速器（扭矩管理器、智能分动器），当中央差速器两侧传动轴出现较大转速差时，改变前后轴扭矩分配比例。

二

VDC工作原理

当汽车进行快速转向或反转向时（快速通过狭窄弯道、躲避迎面突然出现的障碍物、高速公路上突然超车等工况），汽车将可能处于不再安全可控的临界范围，因为此时作用在汽车上的横向加速度力有可能达到驾驶员无法控制的值。
VDC通过控制车轮制动，帮助汽车实现快速转向或反转向状态下的稳定性：在不足转向时，对弯道内侧的后轮施加额外制动力，增加横摆力矩；在过度转向时，对外道外侧的前轮施加额外制动力，减小横摆力矩。
下表1以躲避迎面突然出现的障碍物工况具体说明VDC控制原理。
表 2 躲避障碍物工况下的VDC功能

阶段	图示	说明
阶段一		车辆前面突然出现障碍物时，驾驶员必须快速向左转弯，此时转角传感器将此信号传递到ESC控制总成，YG传感器发出汽车转向不足的信号，这就意味着汽车将会直接冲向障碍物。
阶段二		SC控制单元通过传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令：将会将左后轮紧急制动，产生转向需要的反作用力，使汽车按照转向意图行驶。

阶段	图示	说明
阶段三		车绕过障碍物进行反向转向时，汽车发生转向过度，向右的横摆力矩过大，以至于汽车向左发生甩尾。
阶段四		SC控制单元识别多度转向情况后，控制左前轮紧急制动，产生反方向横摆力矩，是汽车稳定。

总结VDC的控制流程，见下图12：


图12  VDCi控制流程

Part 5： ESC液压工作原理

ESC系统液压回路见图13，整个回路为X形回路，左后轮与右前轮为一回路，右后轮与左前轮为一回路。
整个回路中包括12个电磁阀，其中6个是常开阀（增压阀和限压阀），6个是常闭阀（减压阀和吸入阀），通过这12个电磁阀的不同通断组合，即可实现ESC系统的各项控制功能。对称布置的两个柱塞泵由同一个电机驱动，在ABS功能时用于使制动液回流，被称为回油泵；在TCS、VDC功能时用于主动增压。在柱塞泵前后的蓄能器和阻尼器的功能主要是吸收油压脉动，蓄能器的功能还包括在ABS减压功能时，暂时储存从轮缸回流的制动液，达到迅速降低轮缸压力的作用。
除此之外，还有电动机、单向阀和压力传感器，分别起到动力输出、控制液压管路流动方向和检测压力的作用。


图 13  ESC系统液压回路阀1、阀2 – 限压阀；阀3、阀4 – 吸入阀；阀5~阀8 – 增压阀；阀9~阀12 – 减压阀。
实现不同功能时，ESC系统液压回路的工作原理如下：

一

ABS功能

如图1所示，当驾驶人踩下制动踏板，ESC进入ABS功能时，在增压阶段，各个电磁阀均保持断电状态，制动液通过主缸，经过限压阀、增压阀直接进入到各个轮缸。
当ABS功能需要保压时，将增压阀通电关闭，这时轮缸和主缸之间的液压回路完全被隔断，轮缸内的压力也就保持一致。
当车轮压力过高，有抱死趋势时，会要求车轮压力降低，这时将减压阀通电打开，增压阀通电关闭，电动机通电驱动柱塞泵运动，制动液从轮缸经过减压阀迅速回流到基本不存在压力的低压蓄能器中，柱塞泵通过往复运动，将蓄能器中的制动液泵回压力较高的制动主缸。在这一过程中，液压回路是轮缸、减压阀、蓄能器、柱塞泵、阻尼器、限压阀、制动主缸。减压时的主要目标是减压速度迅速，同时在车轮中不存在残余应力，因此在设计中必须保证蓄能器的容积能够储存两个轮缸内的所有制动液，还需要保证柱塞泵能够把蓄能器中的所有制动液泵回制动主缸，在轮缸和蓄能器中不存在残余制动液，导致残余压力。

二

ESC主动增压

在主动增压阶段，驾驶人并没有踩下制动踏板，制动主缸没有压力，而是通过柱塞泵使得车轮轮缸中建立起压力，实现主动制动功能，为ESC液压执行单元设计的关键，液压工作原理见图14。
图中左后轮为主动增压的车轮，这一回路的增压阀（阀8）保持断电打开状态，X形回路中同侧的另外一个车轮（右前轮）的增压阀（阀7）通电关闭，左后/右前轮一侧的限压阀（阀2）通电关闭，吸入阀（阀4）通电打开，X形回路另一侧的限压阀（阀1）通电关闭，电动机通电驱动柱塞泵（泵2）工作。制动液从主缸、吸入阀、柱塞泵、增压阀到轮缸，实现右后轮内的压力增长。


图14  ESC主动增压时液压系统工作原理

三

ESC保压

当主动增压的压力增长到一定程度之后，需要对车轮的压力进行保持，进入保压阶段，液压工作原理见图15。此时两侧的限压阀（阀1、阀2）通电关闭，吸入阀（阀4）断电关闭，使得主缸和轮缸之间的液压回路完全切断，车轮内的压力保持不变。
值得注意的是，电动机在保压阶段，仍然处于通电状态，驱动柱塞泵往返运动，但是由于柱塞泵入口和制动主缸的液压回路已经被吸入阀隔离，因此无法吸入制动液。


图15  ESC保压时液压系统工作原理

四

ESC减压

当主动增压的压力需要减少时，进入减压阶段，液压工作原理见图16。在减压过程中，所有电磁阀保持断电初始状态，电动机也断电不再驱动柱塞泵工作。由于此时制动踏板并没有踩下，制动主缸不存在压力，轮缸的压力高于制动主缸，在压力的作用下，直接通过增压阀、限压阀返回主缸，实现减压过程。
值得注意的是，在ESC减压阶段，并不像ABS减压阶段时，需要利用柱塞泵的回流功能，将制动液从轮缸泵回主缸。这是由于ABS工作时，制动踏板已经踩下，制动主缸存在制动压力，而且是不低于制动轮缸的压力，因此制动液没有办法直接从轮缸回到主缸，必须借助柱塞泵的回流功能。而在ESC减压时，由于轮缸压力高于主缸压力，制动液会从轮缸直接回流到制动主缸。


图16  ESC减压时液压系统工作原理

来源：新管理思维

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