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汽車上的這些「救命功能」,是如何工作的?

汽車上的這些「救命功能」,是如何工作的?

大家都知道,客戶購車最關注的除了外觀之外就是安全功能。

汽車的安全功能分被動安全和主動安全,其中被動安全主要包括,安全帶和安全氣囊,而主動安全就比較多了,包括比較基礎的防抱死系統(ABS)、驅動防滑系統(ASR)和電子穩定控制系統(ESC),還有最近很火的高級駕駛輔助系統(即 Advanced Driving Assistant System,簡稱為 ADAS),如自適應巡航(ACC)和 AEB(自動緊急制動)。

下面我們就聊聊關於汽車主動安全的那些事兒。

普及幾個重要的基本概念

在這之前,先介紹幾個基本的概念,這幾個概念是理解主動安全功能的基礎,這幾個概念理解過關了,主動安全的功能就基本上理解一半了。

輪速

第一個就是輪速的概念。

四個車輪上分別裝有輪速感測器,檢測車輪的轉速信號。

檢測這個幹嘛?

大家知道儀錶盤上的車速是怎麼來的嗎?

不是根據發動機轉速,和變速箱換算來的,它是根據輪速信號得來的。

那輪速就是車速嗎?

答案是不一定。

你可能會問,輪速怎麼就不等於車速呢,車輪的轉速乘以車輪的轉動半徑不就等於車速了嗎?

這要看車輪的運動狀態了,上述情況下是理想情況,也就是車輪處於純滾動的狀態下。這個時候路面印痕和和胎面花紋基本一致,可以近似認為車速等於輪速。

第二種情況就是邊滾邊滑,這種情況下車速大於輪速。

第三種情況就是車輪抱死時,發生拖滑,此時輪速等於 0。

輪速除了計算車速外,還有另外一個重要的作用——判斷車輛的實際運動狀態,當四個車輪運動狀態不一致時,其輪速信號也會有很大差異,這一點很重要,是很多功能得以實現的基礎,這一點後面還會提到。

滑移率

下面我們就引入第二個概念,就是滑移率。滑移率就是形容車輪打滑程度的,具體表達式為:

由於車速始終大於等於輪速,所以滑移率始終處於 0 和 1 之間。

當車輪在純滾動狀態時,輪速等於車速,滑移率等於 0。

當車輪抱死時輪速等於 0,滑移率等於 1。

當車輪邊滾邊滑時,滑移率大於 0,小於 1。

滑移率的概念很重要,它是一切制動控制的基礎。

為什麼這麼重要?因為滑移率直接決定了輪胎的附著特性,也就直接決定了地面提供輪胎的最大附著力,即縱向力(制動力 / 驅動力)和側向力(轉向力)。具體可見下圖。

上圖,橫坐標表示車輪的滑移率,以百分比表示,縱坐標表示附著係數,也就是地面所能提供的最大附著力。

從上圖可以看出來,縱向附著係數(地面能提供的最大制動力)隨著滑移率的增大,先變大后變小。

在緊急制動工況時,我們肯定希望地面能最大程度的提供製動力,所以我們需要監測滑移率並將滑移率始終控制在一個很窄的控制範圍內,這就是 ABS(防抱死系統)的工作原理。

而側向附著係數隨滑移率變大而逐漸減小,當滑移率為 100% 的時候,側向附著係數為 0,此時由於地面不能提供側向力,所以車輛失去轉向躲避障礙的能力,而這是我們要盡量避免的。

▎主動安全功能介紹

下面我們開始主動安全的各項功能介紹。

在這之前我們需要注意:所有的主動安全都是在保證車輛不失控的前提下,儘可能的利用地面給車輪的附著力。

EBD(電子制動力分配)

上面提到了,車輪抱死是我們要盡量避免的。

車輪抱死時,側向附著係數為零,不能提供側向力支撐。如果前輪抱死,則車輛會失去轉向能力,如果後輪抱死,則會導致車輛側滑甩尾,非常危險。

所以,與前輪抱死相比,後輪抱死的後果更嚴重,所以避免後輪先抱死時是第一要務。

由於制動時,前後輪載荷發生了轉移,即前輪載荷變大,後輪載荷變小,地面所能提供的附著力又與載荷成正比。

為了最大程度的利用地面的附著力,前後輪的理想的制動力比例是一直變化的。

下圖中曲線 1 為理想的前後制動力分配,曲線 2 為不帶 EBD 功能的制動力分配,3 為帶 EBD 功能的制動力分配。

可以看出,在保證制動穩定性的前提下,EBD 盡量的利用了地面的附著力,提高了制動效率。

那 EBD 功能具體是怎麼實現的呢?

其實很簡單。

下面為 ABS 模塊的硬體迴路,EBD 一般與集成在 ABS 模塊內,有 4 個進流閥、4 個出流閥以及一個回油泵對 4 個制動器的制動迴路分別控制,EBD 功能只控制後輪的制動迴路壓力。

正常制動工況下,進流閥開啟,出流閥關閉。當檢測到後輪滑移率上升時,後輪制動器的迴路的進流閥關閉,此時後輪制動壓力保持不變;如果滑移率繼續上升,則出流閥打開,緩解後輪制動力;如果檢測到後輪制動力不足,則進流閥打開,出流閥關閉。通過反反覆復進油閥和出流閥的開啟關閉來調節後輪制動壓力,使其滑移率始終保持在控制範圍內。

ABS(防抱死功能)

當檢測到車輪滑移率上升很快,即將抱死時,ABS 功能介入,通過進流閥、出流閥和回油泵的功能配合,使滑移率始終保持在控制範圍內,避免輪胎抱死拖滑。

ABS 的硬體模塊與 EBD 相同,與 EBD 的控制邏輯也很像,不同之處在於:

1.對象不同

EBD 只針對後輪,ABS 則針對四個車輪

2.介入階段不同

EBD 只要後輪出現滑移率變化就介入,而 ABS 只有當即當滑移率上升明顯即將抱死時才介入。

3.控制許可權不同

EBD 只控制進流閥和出流閥的開啟關閉,而 ABS 除了控制這兩種電磁閥外,還能通過控制回油泵將迴路中的液體排出。

因為 ABS 能最大程度的利用路面附著力,所以能大幅提高制動效率,減少制動距離。

需要注意的是,ABS 在充分利用了附著力的基礎上還保留了一定的轉向能力,讓駕駛員在緊急制動時能能通過控制轉向盤來躲避障礙物。

如下圖所示,不配置 ABS 功能的車輛由於前輪抱死,失去轉向能力,不能躲避前方車輛,而配置 ABS 功能的車輛則可以躲避障礙物來避免碰撞。

值得一提的是,ABS 還能保證在不同附著係數上路面上行駛時的穩定性,如一邊是正常路面(附著力大)一邊是冰面(附著力小)。

上文提過,可以通過四個車輪的輪速信號來判斷車輛的運動狀態。

當兩側車輪的滑移率差異很大時,檢測到車輛行駛在不同附著係數的路面上,ABS 功能就會介入,防止車輛發生失控。

ASR/TCS/TRC(驅動防滑系統 / 牽引力控制系統)

以上這幾種說法雖然不同,但其實質是一樣的,不同的廠商叫法不一樣而已。

上面提到的 EBD/ABS 是為了保證車輛在制動時的車輛穩定性,而 ASR 功能則是為了保證在驅動時的車輛穩定性。

有經驗的駕駛員都知道,當汽車行駛在雪地等濕滑路面上時,由於路面附著力小,不能提供足夠的驅動力,在加速或起步時驅動輪容易打滑空轉,而 ASR 就是將車輪的滑移率控制在一定的範圍內,防止驅動輪打滑,從而使車輛能平穩地起步、加速。

其主要檢測的是驅動輪的滑移率變化,如果驅動輪滑移率較大,且與從動輪相比有較大差異,則系統判斷為發生了驅動打滑,ASR 介入並採取如下措施:

1.要求驅動系統(發動機 / 變速箱或者驅動電機)降低扭矩,如控制發動機進氣門開度,控制燃油噴射量等。

2.對驅動輪施加制動力。

從節油效果考慮,一般來說是措施 1 優先的,如果僅採取措施 1 還不能滿足要求,再採取措施 2。

因為 ASR 需要主動給制動系統施壓,而上面提到的 ABS 硬體迴路中的回油泵只能將迴路中的制動液排出,不能對制動迴路進行主動增壓。

也就是說 ASR 功能所需要的主動增壓,僅靠目前 ABS 的硬體基礎是不能實現的,需要進行修改,實際上目前 ASR 一般集成在 ESC 模塊中,即在 ABS 模塊的基礎上增加 4 個閥,2 個換向閥,2 個高壓換向閥,不過 ASR 只需要控制驅動輪迴路,具體見下圖。

正常制動時,換向閥和進油閥打開,其他閥關閉,制動液流向見下圖。

當 ABS 功能啟動時,換向閥和迴流閥打開,進流閥關閉,此時回油泵將迴路中的制動液排回制動主缸中,制動液流向見下圖。

當 ASR 功能需要主動建壓時,高壓換向閥打開,換向閥關閉,此時回油泵經高壓換向閥從制動主缸抽取制動液,增壓后通過進流閥泵入制動器中,具體見下圖。

ESC/ESP/DSC 電子穩定控制系統

雖然名稱聽起來五花八門,但其實質是一樣的。本田稱作 VSA,豐田叫做 VSC,我們統稱為 ESC。

上面提到,ABS/EBD 和 ASR 是分別針對制動和驅動工況的,而 ESC,則是為了保證轉向工況下的橫向穩定性,避免車輛發生過度轉向和轉向不足。

再具體一點,就是在轉向狀態下,ESC 能根據車輛的狀態,有針對性地單獨制動各個車輪,或控制發動機、自動變速器的狀態使車輛保持穩定行駛。

具體是如何實現的呢?

首先,ESC 根據方向盤轉角感測器的信號(輸入信號,代表駕駛員意圖和規劃路徑)。

其次,通過車輛的車速、側向加速度和橫擺角速度等信號判斷車輛的實際的運動狀態(得出車輛的實際運動軌跡)。然後判斷規劃路徑和實際運動軌跡是否一致。

如果兩者有差異,則 ESC 將介入,在介入前先判斷是該差異將造成轉向不足還是過度轉向。

若是過度轉向,則 ESC 將在車輛外側前輪主動施加制動力,對車輛施加額外的橫擺力矩,降低過度轉向趨勢。

若是轉向不足,則 ESC 將在車輛內側後輪主動施加制動力,使車輛進一步轉向,降低轉向不足趨勢。

具體見下圖。

如果單獨制動某個車輪不足以穩定車輛,ESC 將通過降低發動機扭矩輸出的方式或制動其它車輪來實現功能。

不過還是需要提醒各位注意的是,雖然 ESC 能有效的降低側滑現象,但是任何控制功能都不能突破車輛的物理極限。如果駕車者駕駛速度過快,任何安全裝置都難以保證安全。

▎ESC 其他附加功能

由於 ESC 模塊硬體的升級,帶來的額外的好處是可以與其他使用場景相結合,實現更多的附加功能,下面我們講幾種比較常見的 ESC 附件功能。

制動輔助系統(BAS)

制動輔助系統通過駕駛員踩制動踏板的速度來理解其駕駛意圖,如果察覺到制動踏板的制動壓力恐慌性增加,即判斷駕駛員將要進行緊急制動,制動輔助系統會在幾毫秒內啟動全部制動力,促使剎車系統更快的達到最大的制動效能,從而提供一個有效、可靠、安全的制動。

制動輔助系統對老人和女性尤其有幫助,可顯著縮短緊急制動時的制動距離。如下圖為配置制動輔助系統與否的差別。

坡道輔助系統

對於新手司機而言,坡道起步是個大難題,尤其對於手動擋車輛而言。

而配置了坡道輔助功能后,在坡道起步時,不需要使用手剎,右腳離開制動踏板後車輛仍能繼續在坡上保持幾秒(一般 2 秒內),駕駛員可以從容的踩油門起步。

該功能可以有效的防止溜車造成的事故,也讓駕駛者在坡道起步時不會手忙腳亂。

駐車制動減速控制

一般手剎作為應急制動,在制動失效或者緊急制動時使用。高速時拉手剎非常危險,會造成車輛甩尾。電子手剎(EPB)目前也漸漸開始普及了,那高速時拉起電子手剎會怎樣呢?

配置了駐車制動減速功能的車輛,如果在高速工況下檢測到電子手剎被啟動,則系統判斷為其需要緊急制動。 ESC 會主動提高制動壓力,以實現更高舒適性和更大的制動減速度,直至車輛停穩為止。

自適應巡航控制(ACC)和自動緊急制動(AEB)

在這裡介紹這兩個功能並不是說裝備了 ESC 就具有著 ACC 和 AEB 功能,當然還需要其他模塊的支持。

不過也正因為有了 ESC 主動增壓的功能,ACC 和 AEB 的功能才得以實現並逐漸普及。

雖然可以依靠其他來實現主動增壓(如 ibooster),但由於種種原因還沒有得到普及,目前市面上在售車輛的大部分 ACC 和 AEB 都是藉助 ESC 來實現制動控制的。

▎主動安全的未來

隨著主動安全的發展,介入的工況也越來越多,實現的功能越來越多,從一開始 EBD/ABS 的制動工況,到 ASR 的驅動工況,再到 ESC 的轉向工況,最後擴展到更豐富的應用場景(如駐車、坡道起步、緊急制動等),更多更早的介入到車輛控制中,輔助駕駛員更安全的駕駛。

雖然理論上 Level 5 無人駕駛可以實現理論上的零事故率,達到百分之百的安全,不過目前 Level 5 無人駕駛的解決方案並沒有完全成熟。

在無人駕駛成熟並完全普及之前,絕大多數的車輛都是由人類駕駛員來操控的,而主動安全要做的,就是通過感測器、演算法和執行器,來輔助駕駛員決策或在某些工況介入,來進一步降低事故率。

可以預見的是,未來主動安全的概念將進一步拓展,並在融合更多感測器、演算法和執行部件的基礎上,實現更多更複雜的功能,如目前已經在量產車上實現的 360°環視系統、盲點探測系統、車道保持輔助系統、夜視系統,來彌補駕駛者視覺和判斷上的不足。

假以時日,無人駕駛的解決方案終將完全成熟並得到普及,屆時駕駛過程中,得到釋放的將不止是駕駛員的手腳和雙眼,還有時間,對了,還能實現 100% 的安全。

未來,值得期待。

本文作者 Richard,是一名整車研發工程師,曾就職於某合資車企,主導多款本土全新項目的開發,目前就職於某新能源車企,目前主要關注新能源和自動駕駛,是自我教育和終身學習的倡導者和貫徹者。

在這裡,我將堅持分享自己對於汽車行業的思考,也會分享各種技術乾貨。

歡迎關注我的專欄「聊聊汽車那些事兒」和微信公眾號「聊聊汽車那些事兒」。

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