ESC系统在智能驾驶浪潮中的进化（上）

文章来源：焉知智能汽车发布时间：2021-08-16

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本文对ESC系统的三个稳定性控制子功能展开了介绍，这三个功能都是博世公司率先实现量产，因此从某种程度上来说ESC的发展史也是德国博世公司的发展史。

系列文章概述

说到电子稳定性控制系统ESC（Electric Stability Controller）大家都不陌生，自1995年博世研发出第一代ESP系统（博世ESC系统的专有称呼）并首次应用在奔驰S级轿车上以来，这个汽车发展史上划时代的主动安全产品为降低交通事故做出了卓越的贡献。

ESC的初衷是提高车辆动态稳定性，同时也正是由于ESC有主动控制四个轮子制动力的能力，使得ESC的控制潜力又不限于稳定性控制，于是乎衍生出了一系列的辅助功能，如坡道辅助、制动助力等；到了自动驾驶系统架构日渐成熟的今天，ESC仍然发挥着它的价值，活跃在主流的自动驾驶的制动冗余方案中。

基于此，系列文章将分以下三期讲解ESC在智能驾驶浪潮中的进化之路：

ESC与稳定性控制 (上)
ESC与辅助功能 (中)
ESC与自动驾驶 (下)

本文即为系列文章的上篇，探讨ESC稳定性控制系统的发展过程以及控制原理。

1. 前言

据对汽车安全性研究显示，在道路交通事故中，大约10％的事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或甩尾造成的。因此完善制动性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要措施，而对制动进行主动干预是完善制动性能的关键。

目前ESC系统稳定性控制主要包括三个能对制动进行主动干预的子功能：

制动防抱死系统 (Anti-lock Brake System, ABS)
牵引力控制系统(Traction Control System, TCS)
车辆动态控制系统 (Vehicle Dynamic Control, VDC)

这三个主动安全控制功能的陆续问世代表着ESC系统稳定性控制的发展过程中的三次里程碑，接下来将对这三个功能逐一进行介绍。

2. 制动防抱死系统ABS

随着汽车工业的发展，汽车速度的提高，汽车的制动性能越来越重要, 完善制动性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要措施。在汽车上装用ABS系统，其优越性表现在如下的几个方面：

能有效地利用轮胎与路面间的附着能力，缩短制动距离，尤其是在冰雪路面上可缩短10%-15%；
制动过程中，车轮仍然可以滚动，保持了前轮的可操纵性，防止后轮的侧滑，维持了行车方向的稳定性；
由于制动防抱，车轮不会抱死拖滑，减少了轮胎的磨损，可以提高轮胎的使用寿命，减少空气中的污染

早在30年代国外就开始了对ABS的研究。60年代末70年代初，第一代实用的车用ABS系统在美国面世，它们的典型代表是Ford的Sure-Track和Chrysler的Sure-Brake。其特点是控制单元采用模拟计算机，由真空压力调节器调节制动压力，但控制效果不是很好，没有推广开来。到了70年代后期，由于数字电子计算机技术的发展，同时也得益于液压控制技术的进步，德国博世公司推出基于液压控制的ABS，控制效果相当理想，博世也与1978年正式量产。在这以后，Bosch、ITT Automotive、Kelesy-Hayes、Wabco等许多公司不断加强对ABS的研究，各种新型的ABS层出不穷，性能不断优化而价格逐渐降低，使越来越多的轿车和商用车将ABS作为标准配置。

ABS控制的核心是滑移率控制。滑移率又称为滑动率，当轮胎端作用制动力时，在轮胎与地面之间都会发生相对运动，车轮中滑动成分所占的比例称为滑移率，用S表示。

滑移率对汽车车轮制动的附着系数影响很大。由下图可以看出，当地面对车轮法向反作用力一定时，滑移率大约在20%左右时制动纵向附着系数最大，车轮与路面之间的能产生的附着力就最大，此时的地面制动力也就最大，制动效果最佳，而当车轮完全抱死拖滑时，汽车制动稳定性最差。

附着系数与滑移率的关系

基于以上理论，当驾驶员遇到需要深踩制动的工况时，ABS时刻将车轮的滑移率保持在10%～30%的范围内，以保证车轮与路面有良好的纵向、侧向附着力，从而有效防止制动时汽车侧滑、甩尾、失去转向等现象发生，提高了汽车制动时的方向稳定性。

ABS系统的核心组成主要包括两部分：

轮速传感器：四个轮速传感器实时监控四个车轮轮速并提供给液压控制单元ECU, 用以估算当前车速和各个车轮的滑移率
液压控制单元：基于轮速信息判断当前车速和车轮滑移率，实时计算对轮缸的目标压力，并通过对液压马达和电磁阀的控制实现轮缸压力控制

ABS控制系统的关键组成部分

ABS的闭环控制可概括如下：

1. 驾驶员踩制动，建立制动压力

2. 轮速传感器向ABS ECU提供轮速信息，ECU计算滑移率，如果超过设定的稳定滑移率门限，ABS介入对轮缸压力进行主动干预

3. ECU通过控制液压模块的电磁阀和液压马达调节轮缸液压，避免车轮抱死

ABS闭环控制示意图

3. 牵引力控制系统TCS

通过上面的介绍可以看出，ABS激活的前提是驾驶员踩制动引起车轮有抱死倾向，因此ABS在非制动工况下的稳定性控制就束手无策了。生活中常见两类典型工况：

工况1：在冰面加速起步的时候无论油门踩多深都无法起步；
工况2：在分离路面（一边轮胎在附着系数低的路面而另一边轮胎在附着系数高的路面）加速起步的时候无论油门踩多深都无法起步。

对于工况1，其原因在于驱动力过大使得驱动轮打滑过量导致无法合理利用路面附着力。和制动相同，当轮胎端作用驱动力时，在轮胎与地面之间都会发生相对运动，车轮中滑动成分所占的比例称为滑转率（制动对应的通常称为“滑移率”），也用S表示。从下图可知，当滑转率控制在一定范围内时才能保证车轮与路面有良好的纵向附着系数和侧向附着系数，从而为车辆提供最佳驱动力。

驱动工况下滑转率与驱动附着系数的关系

对于工况2，则是由于差速器的“副作用”造成的。汽车能够实现转弯依赖于差速器，转弯时车辆的左右侧车轮由于绕圆半径不同，其转速是不相等的，而如果左右侧车轮刚性连接则无法实现转速不相等。差速器是能够使左、右驱动轮实现以不同转速转动的机构。

冠齿中央差速器，图片来自网络

差速器主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成，这一机构的特点是“差速不差扭”，即左右驱动轮的转速虽然不同，但是传递到两个驱动轮的驱动扭矩是相等的。

这样一来，当车辆在分离路面起步时，低附着路面的驱动轮率先达到附着极限，从而使整个驱动轴的驱动力受到低附着路面的影响，导致所传递到高附侧的驱动力矩受到限制(和低附侧路面驱动力矩相等)，车辆因驱动力不足而无法起步。

为解决这两个典型工况的稳定性问题，1986年，博世公司推出了牵引力控制系统TCS，并将制动防抱死系统和牵引力控制系统集成到一起并应用于梅塞德斯S级轿车上，这标志着 ABS/TCS集成时代的来临。

TCS控制系统的组成部分相对ABS要更多。除了执行机构增加了驱动力控制单元（发动机ECU或电机ECU）外，还增加了方向盘转角传感器和惯性传感器。

① 液压控制单元

② 轮速传感器

③ 方向盘转角传感器

④ 惯性传感器 (横摆角速度，纵向加速度，横向加速度)

⑤ 驱动力控制单元(通过CAN交互)

TCS控制系统的关键组成部分

TCS对执行器的控制可以按照这两个典型的工况分类：

工况	两驱动轮地面附着系数	TCS执行机构
冰面起步	近似相同	驱动力控制
分离路面起步	一侧高附，一侧低附	驱动力控制 + 制动力控制

对于工况1，当两个驱动轮的附着系数近似相同时，TCS仅控制驱动力，其闭环控制可以概括如下：

1. 驾驶员踩油门制动，建立驱动力;

2. 传感器向TCS ECU提供轮速、坡度等信息，ECU计算滑转率，如果超过设定的稳定门限，TCS介入对驱动力进行干预，降低驱动力并将目标发给驱动力控制系统ECU;

3. 驱动力控制系统ECU响应目标驱动力，使驱动轮的打滑量在稳定区间内，保证车辆能有效地利用路面的附着力。

对于工况2，当两侧驱动轮附着系数差异较大时，由于整个驱动轴能提供的最大驱动力受到低附侧的附着系数的限制，使得TCS对驱动力的控制范围也受到了限制，导致无法将打滑量调到稳定性区间。这种情况下TCS在控制驱动力的同时要对低附侧的车轮施加制动力，这样一来，由于制动力的抵消，即使驱动轴上的驱动力超过了低附侧的附着极限，但实际作用在低附侧的驱动力变小而不至于达到附着极限，从而扩大了TCS对高附侧车轮的驱动力控制范围，实现有效利用路面的附着力来起步的目标。

红:制动力；绿:驱动力；黄:路面能提供的最大附着力

4. 车辆动态控制系统VDC

由于ABS只在制动时起作用，TCS只在驱动时起作用，因此ABS/TCS的集成只能解决车辆纵向稳定性问题，无法解决车辆驱动和制动转向、高速转向等极端工况下引起的侧向稳定性问题。博世公司于1992年在 ABS/TCS的基础上开发了旨在解决车辆侧向稳定性问题的第一代稳定性控制系统VDC，并将同时集成了ABS/TCS和VDC功能的产品命名为ESP (Electronic Stability Program) 。1995年ESP系统实现批量生产，并首次应用在奔驰S级轿车上。

博世ESP的诞生是汽车发展史上划时代的产品，后面其他厂家也陆续推出类似产品但是无法继续使用ESP这个简称，因此命名五花八门，不过都统称为电子稳定性控制系统ESC（Electric Stability Controller）。

根据德国保险公司总协会GDV的数据统计，25%的造成严重人身伤害的事故是由车辆打滑引起的，而60%的造成致命伤害的事故是由于高速时错误转向造成的侧面碰撞引起的。研究表明，VDC功能可以减少80%由侧滑引起的交通事故，并将严重车祸的数量减少50%。因此继承了VDC功能的ESC被多家世界著名汽车厂商和研究机构称之为“能拯救生命的ESC”。正因如此，2009年欧盟强制要求从2011年11月1日起，所有在欧盟地区销售的新车都要强制装备车辆稳定控制系统，所以现在的欧洲新车都将会标配这一系统。今天在中国虽然没有强制法规要求，但是10万以上的车型几乎都搭载了ESC作为卖点。

VDC控制系统的组成部分和上文提到的TCS的组成部分相同，其系统架构如下图所示。