ESP w elektryku

Bosch
Maciej Blum
14.2.2022

Skuteczność układu stabilizacji toru jazdy (ESP) zależy w dużej mierze od przyczepności kół do jezdni.

 

  • ​Sercem układu ESP jest pompa zwana też modulatorem lub agregatem
  • ESP jest rozwinięciem układu ABS, ponieważ korzysta z tych samych czujników prędkości kół, ale dodatkowo odbiera sygnały z czujnika przyspieszeń i obrotu samochodu, kąta obrotu kierownicy i m.in. położenia pedału przyspieszenia
  • Zasada wyprowadzania samochodu z poślizgu jest dość prosta – polega na przyhamowywaniu poszczególnych kół w samochodzie
  • W samochodach elektrycznych aby nie stosować dodatkowej pompy próżniowej, zdecydowano się na skonstruowanie pompy hamulcowej ze wspomaganiem elektrycznym

Sercem układu ESP jest pompa zwana też modulatorem lub agregatem. Podczas hamowania sterownik układu ABS odczytuje prędkości obrotowe kół pojazdu, sprawdzając przy tym, czy któreś koło nie zostało zablokowane. Jeśli dojdzie do blokady koła, mamy do czynienia z jego poślizgiem, czyli przejściem z tarcia statycznego między oponą a jezdnią do tarcia dynamicznego, które ma mniejszą wartość i uniemożliwia kierowanie samochodem. W tym momencie do gry wchodzi układ ABS, który na podstawie odczytów z czujników prędkości obrotowej każdego z kół tak moduluje ciśnienie w układzie hamulcowym, aby żadne z kół nie zostało zablokowane. Dzięki temu nawet przy hamowaniu z maksymalną siłą możliwe jest precyzyjne kierowanie samochodem, na przykład wykonanie manewru w celu ominięcia przeszkody.

ESP

Układ ESP jest układem elektronicznie wspomaganej stabilności pojazdu. Jest on rozwinięciem układu ABS, ponieważ korzysta z tych samych czujników odczytujących prędkość obrotową kół, ale dodatkowo odbiera na bieżąco sygnały z czujnika przyspieszeń i obrotu zamontowanego w samochodzie, kąta obrotu kierownicy i m.in. położenia pedału przyspieszenia.

Jak działa układ ESP? Otóż kontrolując prędkości obrotowe kół i wiedząc, jak porusza się pojazd (czujnik obrotu i przyspieszeń), jest w stanie określić, czy samochód porusza się po wyznaczonym przez kierowcę torze, czy też znajduje się w stanie poślizgu. Jeśli wykryty zostanie poślizg, to układ ogranicza moc silnika oraz tak moduluje ciśnienie w układzie hamulcowym poszczególnych kół, aby wyprowadzić samochód z poślizgu.

Zasada wyprowadzania samochodu z poślizgu jest dość prosta – polega na przyhamowywaniu poszczególnych kół w samochodzie. Ilustracja 1. przedstawia sytuację nadsterowności, czyli wyrzucenia tyłu podczas jazdy po łuku. Linią czerwoną zaznaczono tor jazdy samochodu, który nie ma aktywnego układu ESP. Tor czarny oznacza żądany przez kierowcę tor jazdy. Na ilustracji przedstawiono interwencję układu ESP, która polega na zahamowaniu przedniego lewego koła, czego efektem ma być moment obracający samochód wokół pionowej osi pojazdu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Po takiej interwencji pojazd będzie poruszał się torem zaznaczonym na zielono.

Ilustracja 1. Nadsterowność – wyrzucenie tyłu podczas jazdy po łuku. Linią czerwoną zaznaczono tor jazdy samochodu, który nie ma aktywnego układu ESP. Tor czarny oznacza żądany przez kierowcę tor jazdy. Interwencja układu ESP polega na zahamowaniu przedniego lewego koła, czego efektem ma być moment obracający samochód w lewo wokół pionowej osi pojazdu. Po takiej interwencji pojazd będzie poruszał się torem zaznaczonym na zielono. Ilustracja 2. Podsterowność – mimo skręconych kół samochód porusza się na wprost po łuku drogi. Ingerencja układu ESP polega na przyhamowaniu tylnego prawego koła w celu stworzenia momentu obracającego samochód w prawo względem osi pionowej pojazdu. Po takiej interwencji samochód będzie się poruszał torem zaznaczonym na zielono. Źródło: Daimler AG

W przypadku podsterowności przedstawionej na ilustracji 2. mamy do czynienia z wyjechaniem samochodu na wprost podczas pokonywania zakrętu mimo skręconych kół pojazdu. Tutaj ingerencja układu ESP polega na przyhamowaniu tylnego prawego koła w celu stworzenia momentu obracającego samochód względem osi pionowej pojazdu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Po takiej interwencji samochód będzie się poruszał torem zaznaczonym na zielono.

ESP w samochodach hybrydowych i elektrycznych

Samochody hybrydowe i elektryczne do poprawnej pracy układu hamulcowego potrzebują także podciśnienia koniecznego do wspomagania i ewentualnej aktywacji pompy hamulcowej. Aby nie stosować dodatkowej pompy próżniowej, zdecydowano się na skonstruowanie pompy hamulcowej ze wspomaganiem elektrycznym. W większości samochodów hybrydowych i elektrycznych stosuje się pompę hamulcową, a właściwie zespół hamulcowy iBooster 2. generacji produkowany przez koncern Robert Bosch.

 jak zawory w module ESP hev II współpracują z modułem iBooster
Ilustracja 3. Schemat układu zaworów hydraulicznych obrazuje, jak zawory w module ESP hev II współpracują z modułem iBooster. Zawory są przedstawione w ich normalnych położeniach roboczych, gdy zasilanie jest wyłączone, co umożliwia transfer płynu hamulcowego pod ciśnieniem z głównego cylindra na koła. Źródło: Robert Bosch

Na ilustracji 3. pokazano, w jaki sposób iBooster i modulator ESP hev II współpracują ze sobą, aby uzyskać działanie hamulca. Zawory są pokazane w ich normalnych położeniach roboczych, gdy zasilanie jest wyłączone, co pozwala na przeniesienie płynu hamulcowego pod ciśnieniem z pompy na koła, aby umożliwić normalne działanie hamulców. System, oprócz mechanicznego uruchamiania hamulców za pomocą pedału hamulca, umożliwia również elektryczną aktywację niezależnie od pedału hamulca, zamykając zawory odcinające z głównego cylindra i uruchamiając pompy ciśnieniowe, aby zapewnić żądane ciśnienie hamowania na koła. Ta elektryczna aktywacja może być wykonana na każdym kanale oddzielnie, podczas gdy drugi kanał jest obsługiwany ręcznie, lub na obu kanałach jednocześnie. Kiedy aktywacja elektryczna jest używana w dowolnym kanale, kierowca może wyczuć ciśnienie hamowania zapewniane przez elektrycznie aktywowaną pompę ciśnieniową, gdy jest ono kierowane z powrotem do głównego cylindra przez zawór nadmiarowy ciśnienia (jak pokazano w prawym kanale na ilustracji 3.).

W hybrydowych pojazdach elektrycznych często pożądane jest uniemożliwienie kierowcy odczuwania elektrycznie aktywowanego ciśnienia hamowania w celu ukrycia zmian ciśnienia hamowania spowodowanych operacjami mieszanego działania układu hamulcowego podczas hamowania regeneracyjnego. Dlatego firma Bosch zmodyfikowała w tym celu swój modulator ESP 9.0, zawracając płyn hamulcowy z jednego kanału z powrotem do zbiornika płynu, zamiast do cylindra głównego (jak pokazano w lewym kanale na ilustracji 3.). Zapobiega to odczuwaniu przez kierowcę aktywacji elektrycznej ciśnienie hamowania w tym kanale. Wymaga to również specjalnego rodzaju zaworu nadmiarowego ciśnienia (jak pokazano na ilustracji 3. w kolorze żółtym). Razem te modyfikacje ESP hev II wspierają operacje mieszanej pracy układu hamulcowego w pojeździe elektrycznym.

Jedną z operacji, której modulator nie może obsłużyć, jest przeniesienie siły hamowania regeneracyjnego z tylnego silnika na siłę hamowania ciernego na przednie koła, podczas gdy kierowca stosuje siłę hamowania ciernego na przednie koła. Jest to niezbędne w pojeździe z tylko jednym tylnym silnikiem napędowym, takim jak np. Tesla Model 3. Dlatego Bosch dodał kolejną modyfikację do swojego modulatora ESP 9.0 w postaci elektronicznie sterowanego nurnika, jak pokazano na ilustracji 4.

Ilustracja 4. Wariant modulatora ESP 9.0 firmy Bosch z dodanym tłokiem do elektrycznego uruchamiania przednich hamulców, aktywowanych normalnie pedałem.
Ilustracja 4. Wariant modulatora ESP 9.0 firmy Bosch z dodanym tłokiem do elektrycznego uruchamiania przednich hamulców, aktywowanych normalnie pedałem. Źródło: Robert Bosch

Tłok wykorzystuje elektryczny silnik do wypychania tłoka, który wypycha płyn hamulcowy z komory magazynowej, zwiększając w ten sposób ciśnienie hamowania – podobnie jak cylinder główny zwiększa ciśnienie hamowania w odpowiedzi na tłok popychany przez kierowcę. Ta modyfikacja nie jest potrzebna w pojazdach z napędem na dwie osie, więc nie wiadomo, czy wszystkie pojazdy Tesli używają tej modyfikacji, czy też tylko pojazdy z tylnym napędem, ponieważ zwiększa to koszt modulatora.
Używając jednego z modulatorów ESP pokazanych na ilustracji 3. lub 4., możliwe jest rozłożenie siły hamowania hamulców ciernych po wciśnięciu pedału hamulca. W takim przypadku iBooster zapewnia instrukcje do modulatora ESP dotyczące rozdziału całkowitej siły hamowania pojazdu na przednie i tylne koła. Modulator ESP wykonuje te instrukcje poprzez odpowiednie sterowanie zaworami elektromagnetycznymi modulatora i pompami ciśnieniowymi modulatora. Instrukcje są dostarczane za pośrednictwem magistrali CAN.

Można opracować strategie, które zapewnią dowolny przebieg drogi hamowania zawierający się w białym obszarze na wykresie na ilustracji 5. Przerywana niebieska linia jest jednym z przykładów takiej drogi hamowania. W pojeździe z napędem na tylne koła ścieżka ta przebiega zgodnie z idealną krzywą I pokazaną na ilustracji 5.

Funkcje kontroli poślizgu

Uruchamianie hamulca ciernego, ręcznego lub elektrycznego, przy odpowiednim rozkładzie siły hamowania między przednimi a tylnymi kołami, to tylko połowa funkcji wykonywanych przez moduł modulatora ESP hev. Druga połowa funkcji to funkcje kontroli poślizgu, które zapewniają elektroniczną stabilizację pojazdu. Do tych funkcji kontroli poślizgu należą:

Reklama

1. Układ przeciwblokujący (ABS). Kontroler ABS stale monitoruje i porównuje sygnały odbierane z czterech czujników prędkości umieszczonych przy każdym kole. Kiedy hamulec jest aktywowany i koło jest bliskie zablokowania, modulator ABS zmniejsza ciśnienie hamowania w kole, które jest blokowane na tyle, aby zapobiec zablokowaniu koła. Gdy tylko obroty koła ustabilizują się, sterownik ABS zwiększa ciśnienie hamowania, utrzymując w ten sposób przez cały czas optymalną siłę hamowania. System kontroli ABS wykonuje te regulacje kilkaset razy na sekundę niezależnie dla każdego koła.
2. Dynamiczna kontrola trakcji (DTC), która zapobiega przekazywaniu nadmiernego momentu obrotowego silnika do napędzanych kół. Monitorując prędkość kół, sterownik TCS w układzie hamulcowym może modulować i zmniejszać moment obrotowy silnika tylko na jednym napędzanym kole, hamując ślizgające się koło, aby zapobiec jego obracaniu się. Działanie jest podobne do ABS, ale odbywa się podczas przyspieszania zamiast zwalniania, jak w przypadku ABS.
3. Dynamiczna kontrola hamowania (DBC), która pomaga kierowcy w sytuacjach awaryjnych, automatycznie zwiększając ciśnienie hamowania. W sytuacjach awaryjnego hamowania kierowcy często nie stosują wystarczającej siły nacisku na pedał, aby osiągnąć maksymalne opóźnienie pojazdu. Regulacja ABS nie jest wtedy aktywowana. Jednostka sterująca DBC monitoruje sygnały wejściowe z wyłącznika świateł hamowania i czujnika ciśnienia hamowania. Wyzwalaczem DBC jest szybkość wzrostu ciśnienia hamowania po naciśnięciu pedału hamulca. Jeśli warunek wyzwalający, który wskazuje na zdarzenie hamowania awaryjnego, jest spełniony, DBC wykorzystuje pompę ciśnieniową ABS do zwiększenia ciśnienia hamowania, gdy siła nacisku na pedał kierowcy jest niewystarczająca. Ciśnienie w układzie hamulcowym hydraulicznym jest sztucznie zwiększane znacznie szybciej niż ciśnienie wywierane przez kierowcę i jest utrzymywane na optymalnym poziomie roboczym.
Ten wzrost ciśnienia jest wykonywany w następujących sytuacjach:
a) gdy pedał hamulca jest szybko wciskany z niewystarczającą siłą,
b) gdy pedał hamulca jest wciskany powoli, a zapotrzebowanie na hamowanie jest wysokie, po tym jak jedno koło osiągnie próg działania układu ABS.
4. Automatyczny hamulec awaryjny (AEB), który spowalnia pojazd bez konieczności używania przez kierowcę pedału hamulca, gdy przewidywane jest wysokie prawdopodobieństwo kolizji do przodu. Celem AEB jest wyeliminowanie lub złagodzenie kolizji, w których przedmiotowy pojazd zderza się z pojazdem prowadzącym. AEB wykorzystuje cierny układ hamulcowy jako siłownik, do pełnego hamowania, które zwykle wynosi 10 m/s2. System AEB musi być zaprojektowany tak, aby nie uruchamiał się zbyt wcześnie, dlatego w wielu sytuacjach, AEB będzie łagodzić kolizje, zamiast ich unikać.
5. Sterowanie hamulcem przy skręcie (CBC). Może się ono aktywować, gdy pojazd pokonuje zakręt, gdy nie ma regulacji ABS. W przypadku wykrycia przyspieszenia poprzecznego przekraczającego 0,6 g podczas uruchamiania hamulców CBC zapobiega narastaniu ciśnienia hamowania na wewnętrzne tylne koło lub zewnętrzne przednie koło. Różnica w sile hamowania między dwoma kołami na tej samej osi tworzy moment obracający pojazd wokół osi pionowej, który przeciwdziała przyspieszeniu poprzecznemu i pozwala na neutralne prowadzenie pojazdu.
6. Elektroniczna kontrola stabilności (ESC), która utrzymuje kontrolę nad pojazdem podczas pokonywania zakrętów. Oprócz czujników prędkości koła wykorzystuje czujniki obrotu i przyspieszenia bocznego. ESC oblicza zamierzoną ścieżkę pojazdu na podstawie danych wejściowych z czujnika kąta skrętu i porównuje ją ze zmierzoną prędkością obrotu pojazdu z czujnika kąta odchylenia. Pozwala to na monitorowanie podsterowności lub nadsterowności podczas pokonywania zakrętów. ESC kontroluje również i ogranicza moc silnika w zakresie niezbędnym do wspomagania bocznej przyczepności opon podczas pokonywania zakrętów. Ta funkcja działa, gdy hamulce nie są używane lub gdy przyspieszenie boczne jest mniejsze niż 0,6 g.
7. Kontrola momentu obrotowego hamowania silnika (EDC). Zapobiega ona blokowaniu tylnych kół napędowych przez moment obrotowy zwalniania (tj. moment oporowy) z silnika, co może powodować poślizg kół, który może skutkować obracaniem się pojazdu wokół własnej osi pionowej podczas zwalniania na drogach o niskiej przyczepności. Sytuacja jest podobna do opóźnienia spowodowanego uruchomieniem hamulca postojowego podczas jazdy na śliskiej powierzchni. Jedynym sposobem zmniejszenia tego ujemnego momentu obrotowego silnika jest zwiększenie momentu obrotowego silnika. Dzieje się to poprzez wysłanie żądania przyspieszenia do silnika w celu uzyskania wyższego dodatniego momentu obrotowego po wykryciu poślizgu, który może spowodować, że tylne koła obracają się wolniej niż przednie. W pojazdach elektrycznych bez silnika spalinowego ten ujemny moment oporu jest wytwarzany przez moment regeneracyjny elektrycznego silnika napędowego, który powoduje spowolnienie o około 0,2 do 0,3 g. Jeśli to hamowanie regeneracyjne zostanie zastosowane nagle na śliskiej drodze, może to spowodować poślizg. W takim przypadku sterownik EDC wysyła żądanie momentu obrotowego do silnika napędowego, aby zapewnić dodatni moment obrotowy, który zrównoważy lub zmniejszy ten ujemny moment regeneracyjny przez krótki okres czasu. Ponieważ sterownik EDC nie zna wielkości tego momentu, może zwiększać żądanie momentu tylko w kierunku dodatnim, aż wykryje, że poślizg na osi napędowej wyniesie zero. Tę funkcję zapewnia jednostka ABS.

Nie tylko stabilizacja

Układ ESP przez ingerencję w układ hamulcowy oraz odczyty danych z wielu czujników pozwala na stworzenie dodatkowych funkcjonalności w samochodzie.
Dzięki temu układowi mamy wsparcie układu hamulcowego podczas ruszania na wzniesieniu. Kontrola utrzymywania się na wzniesieniu ułatwia ruszanie pod górę, przytrzymując hamulce jeszcze przez około 2 s po zwolnieniu pedału hamulca przez kierowcę. Kierowca ma wystarczająco dużo czasu na zmianę z hamulca na pedał przyspieszenia bez użycia hamulca ręcznego. Pojazd jedzie wygodnie i bez staczania się do tyłu.

Reklama

Kontrola adaptacyjna obciążenia. Objętość i położenie ładunku na pojeździe użytkowym najczęściej się różni od siebie. Obciążenie ma istotny wpływ na hamowanie, przyczepność, zdolność pokonywania zakrętów i tendencję do przewracania się samochodu. Sterowanie adaptacyjne układu hamulcowego identyfikuje zmiany masy pojazdu i środka ciężkości wzdłuż osi wzdłużnej pojazdu oraz dostosowuje interwencje ABS, kontroli trakcji i ESP do obciążenia pojazdu. W ten sposób kontrola dostosowująca obciążenie optymalizuje skuteczność hamowania, przyczepność i stabilność.

Ograniczanie przewrócenia. Obciążenie i wyższy środek ciężkości lekkich samochodów dostawczych sprawia, że osiągają one krytyczne przyspieszenie boczne szybciej niż samochody osobowe. Ryzyko przewrócenia jest zatem znacznie wyższe. Ograniczanie tendencji do przewrócenia się pojazdu realizuje się przez stałe monitorowanie zachowania pojazdu za pomocą czujników układu ESP. Układ ESP wkracza do akcji i interweniuje, gdy czujniki wykryją, że pojazdowi grozi wywrócenie. Funkcja łagodzenia dachowania hamuje poszczególne koła i zmniejsza moment napędowy, aby zapobiec przewróceniu  się pojazdu i aby go ustabilizować.

Ograniczanie „myszkowania” przyczepy. Niewielki błąd kierowania, podmuch wiatru, nierówności na drodze lub niewłaściwe rozmieszczenie ładunku mogą spowodować znaczny wzrost kołysania przyczepy na boki (tzw. myszkowania). Wprowadzanie korekt toru jazdy przez kierowcę czy przyspieszanie zestawu tylko pogarsza sytuację i zwiększa wychylenia boczne przyczepy. Za pomocą czujników ESP ogranicza się kołysanie przyczepy przez hamowanie poszczególnych kół pojazdu ciągnącego. Pojazd i przyczepa są spowalniane i stabilizowane.

Na podstawie: Robert Bosch, Tesla, Tesla Regen, Brakes and Sudden Acceleration autorstwa Ronalda A. Belta

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę