汽车主被动安全系统现状及其发展

汽车主被动安全系统现状及其发展
一、摘要：随着世界汽车工业的迅猛发展，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。

主要介绍了ABS,ESP,EHB，EMB以及安全系统的应用实例，并对发展趋势做了详细描述。

二、关键词：安全系统ABS ESP EHB EMB 应用现状及趋势
三、正文：
1、汽车安全系统概述
汽车安全系统主要分为两个方面，一是主动安全系统，另外一方面是被动安全系统。

简单说，所谓主动安全，就是作用避免事故的发生；而被动安全则是在发生事故时汽车对车内成员的保护或对被撞车辆或行人的保护。

如果细分的话，车体安全也算在主动安全一方面之中——即车体机构设计用料对外来危险的抵抗能力。

所以主动安全性的好坏决定了汽车产生事故发生概率的多少，而被动安全性的好坏主要决定了事故后车内成员的受伤严重程度。

为预防汽车发生事故，避免人员受到伤害而采取的安全设计，称为主动安全设计，如ABS（防抱死制动系统），EBD（电子制动力分配系统），TCS（牵引力控制系统），ESP（电子稳定程序）等都是主动安全设计。

它们的特点是提高汽车的行驶稳定性，尽力防止车祸发生。

其它像高位刹车灯，前后雾灯，后窗除雾灯也是主动安全设计。

被动安全系统主要包括安全带，SRS（安全气囊），侧门防撞钢梁，胎压监控等。

2、安全系统应用实例
主动安全系统：
安全辅助系统：
凯迪拉克创新防碰撞技术：
凯迪拉克一直是汽车安全技术领域的创新者，最近的一项创新之举更是意义非凡。

这项由凯迪拉克研发的汽车防碰撞技术，可谓是通往“无碰撞未来”道路上质的飞跃。

“无碰撞未来”的设想听起来像是天方夜谭，但它并非遥不可及。

John Capp带领下的一支由工程师、发明家和未来学家组成的团队，研发出一套智能救生安全技术，目前已经运用在2010款凯迪拉克STS白金版上，这些技术包括：
车道偏离报警——在驾驶者偏离车道行驶却没有打信号灯时，配备照相机的车道监测系统会发出警报。

照相机设置在汽车内后视镜附近，用来辨别车道标识，并发出声音警告，提醒驾驶者。

盲点预警——双雷达信号灯能够探测出车辆盲区的物体并发出警报，车主可由汽车外后视镜及时发现相关情况。

自适应巡航控制系统——车上感应器能够自动监测到车辆行驶路径上的物体，并且减慢行车速度避免产生碰撞。

3、防抱死制动系统现状及发展
汽车防抱死制动系统(Anti—locked Braking Sys—ten，ABS)是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统，它是现代汽车制动系统的关键部件之一。

现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮抱死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置
ABS的原理是充分利用轮胎和地面的附着系数，主要采用控制制动液压压力的方法，给各车轮施加最适合的制动力，以实现提高汽车制动能力的目的。

ABS最重要的功能不仅是缩短制动距离，而且是能够尽量保持制动时汽车的方向稳定性。

ABS作用时，车轮与路面的摩擦属滚动摩擦，它会充分利用车轮与路面之间的最大附着力进行制动，从而提高制动加速度，缩短制动距离，但最重要的还是保证汽车的方向稳定性。

虽然ABS可以极大地提高汽车的安全性能，但并不意味着装有ABS的汽车就完全的安全。

装有ABS的汽车在紧急制动时仍能保持对驾驶车辆的方向控制能力，因此，在制动过程中有可能绕过障碍物，避免可能发生的事故。

另外还要考虑的是道路表面的情况，装备有ABS的汽车在湿滑路面或有冰雪的路面上制动时，制动距离会较长，而且不能猛烈转向。

随着世界汽车工业的迅猛发展，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。

目前广泛采用的防抱死制动系统使人们对安全性要求得以充分的满足。

1、国内外防抱死制动系统现状
20世纪80年代以来，电子技术得到极大的发展，从而使ABS的可靠性更加完善，加之汽车行驶速度的提高，致使制动时车轮抱死拖滑成为行车安全的重大隐患之一，为了改善制动性能，保障行车安全，促进了ABS的使用日益广泛。

90年代后，ABS的发展和应用非常迅速，并开发出新产品，成为许多汽车，特别是轿车的标准装备。

世界各发达国家都对汽车安全性提出了强制性要求，欧、美、日等发达国家为了提高汽车安全性，制定了严格的法规。

到1995年，美国、德国、El本轿车中装有ABS系统的比例就分别达到55％、50％和85％。

其中美国福特汽车公司生产的货车，ABS的装有94％，通用汽车公司在1994年当年生产的汽车基本上全部装有ABS。

目前，德国的Bosch公司成为世界上第一大ABS装置生产厂家，其生产的ABS装置已被用于奥迪、宝马、通用、大众、雷诺、菲亚特、雪铁龙及法拉利等公司的各系列车型中，另外，日本也生产大量的AI3S装置，广泛安装于丰田、日产、三菱、本田及马自达等系列车型上。

可以说ABS装置是在汽车上得到最成功应用的电子控制装置之一。

目前世界上已经有300多种汽车装备了ABS。

预计在今后的几年里，世界上80％的汽车将会装有ABS。

ABS已经成为全球汽车市场及各国汽车出口的标准。

ABS技术含量较高，我国ABS的研发工作起步相对较晚，技术水平与先进国家相比还有很大的差距，目前实际上仍处于研制、试验阶段。

国内有些ABS研发单位尽管也具有生产ABS的能力，但技术尚不够成熟，产品的应用并不广泛，在短期内还是主要依靠进口或与国外厂商协作。

为了跟上汽车国产化的步伐，满足低成本高性能的要求，研发新一代的
ABS控制器已迫在眉腱。

该控制器要具有自主知识产权，不但可以与国内各汽车厂家的各种汽车配套有关的ABS，也可以有出口的机会。

ABS有很大市场，只要技术上先进，产品可靠，其经济效益是不可估量的。

随着我国汽车工业的发展，汽车ABS配套比例的提高，我国汽车ABS行业将保持高速增长趋势，2006年，我们汽车ABS市场需求量已经接近370万套，占汽车产量的51％左右，其中乘用车ABS需求接近36oYY套，而2oo6~ 中国乘用车生产量为523．31万辆，乘用车ABS的装配率已经达到了68％。

如果不计算交叉乘用车，那么我国除交叉乘用车之外的乘用车中，ABS的配置率已经达到了82％。

据预测，到2010年，我国汽车ABS的总需求量将超过60O万套。

ABS的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。

2004年5月1日我国开始实施新的《中华人民共和国道路交通安全法》，同时颁布了一系列关于车辆安全性方面的标准和法规，其中GB7258—2004(机动车运行安全技术条件》在一定程度上参考了欧洲经济委员会汽车制动法规：ECER13。

对此作出了详细的规定，ABS装置强制安装在规定的车辆上。

预计不久的将来，我国自己生产的汽车都会装上国产的ABS装置。

2 防抱死制动系统发展趋势
到目前为止ABS的总体结构方案已趋于成熟，但汽车制动安全技术今后仍是汽车技术的一个热点，未来的研究方向和发展趋势集中在如下几个方面：
(1)ABS本身控制技术的提高。

现代防抱死制动系统大多数是电子计算机控制，这也反映了现代汽车制动系统向电子化方向发展。

基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论指导，但目前制约其发展的主要问题是生产成本问题，尤其是双参数控制算法的ABS，由于增加了一个测速雷达，结构较为复杂，成本较高。

随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。

全电制动控制系统BBW(Brake—By—Wire)是未来制动控制系统的发展方向之一。

它不同于传统的制动系统，其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以减少使用甚至不用各种管路和传感器，同时能极大地缩短制动反应时间，维护简单，易于改进，为未来的智能车辆控制提供了条件。

(2)防滑控制系统。

防滑控制系统ASR(Aecelerati—On Slip Regulation)或称为牵引力控制系统TCS(TractionControl System)是驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的驱动力，并具有行驶稳定性和方向可控性，减少轮胎磨损和发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。

防滑控制系统包括两部分：制动防滑与发动机牵引力控制。

制动部分是当驱动轮(后轮)在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR 制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器中，控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或减、加速度超过某一设定阈值时，则控制器打开开关阀，气压由储气筒直接进入制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。

为此利用ABS电磁阀对制动压力进行精细的调节，即利用小步长方法进行增压或减压，以达到最佳的车轮滑移的效果，既可以得到最大驱动力，也可保持行驶的稳定性和方向可控性。

(3)ABS／ASR与自动巡航控制装置ACC集成。

汽车ACC(Adaptive Cruise Con~o1)装置是近几年迅速发展起来的又一项汽车主动安全技术，它能够让汽车在行驶过程中保持一定的安全车距，能够主动避免碰撞，在很大程度上提高公路交通运输能力。

同时，ABS／ASR和ACC 都要用到相同的轮速采集系统、制动力调节装置以及发动机调节装置，因此ABS／ASR与ACC的集成，不仅可以提高汽车的整体安全行驶性能，而且可以大大降低生产成本。

(4)车辆动力学控制系统。

车辆动力学控制系统VDC(Vehicle Dynamics Contro1)是在ABS的
基础上通过测量横摆角速度、方向盘转角和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。

VDC 系统根据油f-j、转向角、制动压力，通过观测器决定车辆应具有的名义运动状态。

同时由横摆角速度、轮速和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。

实际状态与名义状态的差值即为控制的状态变量，控制的目的就是使这种差值处于最小值，利用车轮滑移率特性来实现这种控制。

车辆动力学控制系统目的是使车辆操纵得更加稳定，当车辆处于危险情况下实现自动控制，最终可以使驾驶员能够更容易地驾驶车辆”。

(5)控制系统总线技术。

现代汽车技术迅速发展，汽车的布线系统越来越复杂。

因此，需要采用总线结构将各个系统连接起来，实现数据和资源信息实时共享，并可以减少传感器数量。

可见系统集成化方向是必然趋势，同时还可以降低整车成本。

目前在汽车领域，多使用CAN 控制器局域网络(Controller Area Network)用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

(6)在ABS中嵌入电子制动力分配装置EBD(Electronic Brake Force Distribution)，构成了ABS+EBD系统。

EBD的功能就是在汽车ABS调节制动压力之前，快速地计算出各个轮胎与路面间的附着力大小，继而调节制动器制动力，达到制动力与附着力相匹配，从而更好地提高车辆制动时的方向稳定性。

4、ESP发展现状及趋势
汽车电子稳定性控制程序（ESP）是近几年刚刚发展起来的一种电子装置，是对ABS 和TCS功能的继承与进一步扩展。

EPS通过对汽车横摆力矩的控制改进了ABS/TCS在横向稳定性控制方面的不足，并通过对车上传感器的监测和ECU的计算分析识别出驾驶员的驾驶意图，并对可能造成危险的行驶状态进行干预控制使从而维持车辆的稳定性，避免事故的发生。

ESP（Electronic Stability Program）汽车电子稳定性控制程序，是近年来刚刚发展起来的一种电子装置，是对人们熟悉的ABS，TCS功能的继承与进一步扩展，尤其是通过对汽车横摆力矩的控制改进了ABS/TCS在横向稳定性控制方面的不足，ESP能通过对车上传感器的监测和ECU的计算分析识别出驾驶员的驾驶意图，辅助完成驾驶员的行驶意图，并对可能造成的危险的行驶状态进行干预控制使从而维持车辆的稳定性，避免事故的发生。

ABS在20世纪80年代开始得到广泛应用，目前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术，国内也有很多院校及科研机构在从事这方面的研究（如吉林大学、合肥工大等），并取得了重大进展，尤其是气动ABS已经在部分货车和客车上配备，TCS是90年代发展起来的技术，而电子稳定程序（ESP）是90年代初由德国奔驰公司开发的车辆稳定系统。

从1995年至今，伴随着理论研究的不断深入和电子技术的发展，汽车稳定性控制得到了很大的发展，并开始作为选装件安装在一些中高档轿车上。

德国BOSCH公司一直是这方面技术的领先者，无论是ABS/ASR还是更先进的ESP系统，技术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应ABS/ASR/ESP系统。

国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，而且由于缺少试验条件，研究还不十分深入，现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。

5、EHB和EMB发展趋势
ESP系统虽然出现时间不长，但是世界上一些跨国汽车企业对ESP系统技术的改进从未停止过，集成化和智能化是发展趋势，比如德国Continental公司将底盘制动系统与安全带、安全气囊、甚至车身门窗综合考虑，集成了更智能更安全的主动被动集成方案（APIA）。

另外最早在飞机上采用的线控技术（X-by-wire）在汽车上的应用也会将对传统的ESP甚至整个汽车电控系统产生革命性的影响。

ESP标志着电子制动新时代的到来。

EHB（Electro Hydraulic Brake）和EMB（Electro Mechanical Brake）汽车制动系统的发
展趋势，其中EHB的出现是因为汽车上12V电源暂时无法满足功率驱动问题而出现的替代产品，在传动和控制方式上采用线控，但是最终的执行机构仍然是液压的制动钳。

而EMB 被认为是汽车制动系统的最终发展目标，EMB系统和传统制动系统相比有以下几个优点：
◆整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置。

液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；
◆制动响应时间短，提高制动性能；
◆无制动液，维护简单且不污染环境；
◆系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构；
◆易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。

EMB系统主要包含电制动器，有盘式和鼓式两种；电制动控制单元(ECU)；轮速传感器；线束；e电源，可以是各种电源，也包括再生能源。

世界很多汽车公司在从事EHB、EMB的开发，比如美国TRW公司、德国大陆公司、BOSCH的EHB系统已经在Mercedes-Benz SL-Class上装车。

图8为日本某公司的EMB系统的制动钳，制动钳主要由用于产生制动力电机和用于圆周—直线转化运动的机械结构组成。

全电制动控制系统（EMB）是一个全新的系统，给制动控制系统带来了巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件。

但是，要想全面推广，还有不少问题需要解决：
◆驱动能源问题，12V电源无法满足功率，EMB的应用有赖于未来42V电源。

◆控制失效处理问题，实现全电制动控制的一个关键技术是系统失效时的信息交流协议，如TTP/C。

系统一旦出现故障，立即发出报警信息，确保信息传递符合法规最适合的方法是多重通道分时区(TDMA)，它可以保证不出现不可预测的信息滞后。

TTP/C协议是根据TDMA 制定。

◆抗干扰问题，车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统。

另外制动系统与其它转向、悬架、导航等系统的综合考虑，数据总线的建立也需要更完善的解决方案。

当然，随着技术的进步，上述问题会逐步得到解决，从而替代传统的以液压系统为主的制动系统，从而ABS/ASR/ESP的可靠性、响应性能等都会得到大大的提高。

四、参考文献
1、刘汝卫、张钢、殷庆振、阮娟《防抱死制动系~E(ABS)发展现状及趋势》2009年
2、通用中国。