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特斯拉Model 3意外加速事故调查:解锁EDR

为全球车企市值的“领头羊”,特斯拉从来不缺话题热度。“意外加速”就是热点话题之一。Ronald A. Belt博士,是霍尼韦尔的一名电子工程师,作为汽车从业者,他对特斯拉的UA(Unintened Acceleration,意外加速)问题也格外关注:

2010年加入由美国国家公路交通安全管理局NHTSA和美国航空航天局NASA发起的针对丰田汽车突然加速问题的研究团队。

2014年,Belt博士最早发现了特斯拉存在突然加速问题。

2015年2月,Bdelt博士向美国汽车安全机构CAS提交了正式报告,指出特斯拉Model S出现突然加速的原因,可能与特斯拉电池偶然产生的负电压峰值有关,从而导致牵引电机控制器失控。

2020年6月,Belt博士对一起Model 3突然加速碰撞事故做出了独立调查。并认为特斯拉的汽车设计存在缺陷——EDR数据、驾驶员证词和特斯拉自己对事件日志数据的分析之间存在多个矛盾之处。

为了解释这些不一致,Belt对特斯拉的驱动电机控制系统和制动系统的设计进行了检查。由此得出的结论认为,突然加速的原因在于车辆的制动系统及其与再生系统的相互作用机制。

Belt提到,如果没有特斯拉汽车俱乐部论坛上一位名为ABHAR的车主在获取EDR数据方面的远见和决心,就不会有这份分析报告——很少有突然加速的受害者愿意花时间、精力和金钱来寻找事故原因。但这些数据对于确定突然加速的原因至关重要。

没有ABHAR的主动性和Belt的研究能力,这份报告就不可能出炉。也许这份报告只是冰山一角,能够引发连锁地震山呼海啸也未可知。让我们一同审视这份来之不易的素材吧。

此外,如果你对10年前发生的丰田的意外加速(UA)话题感兴趣,请参考前文的这里,和这里

EDR谜团

Event Data Recorder,EDR,即事故数据记录器,可以被看作是汽车上的”黑匣子”。在美国,按照联邦法规所述,EDR被用于记录与车辆碰撞或事故有关的信息。设备记录的日志log信息可以在碰撞后收集并分析,以帮助确定车辆在碰撞或事件发生之前、期间和之后都做了什么。

 

Belt博士所关注的这个案例,来自一名女驾驶员。EDR的log日志记录了她进入自家车库过程中,突发的加速事故。

现对整个事件进行复盘。图2显示出事故期间的车辆路径。街道和进入车库的车道都是平坦的,在同一水平面上。据驾驶员描述,她从主路接近90°右转,并准备驶入自家车库,在等待车库门打开时,她将右脚悬停在制动踏板上。突然,车辆突然加速,向前跳跃的同时,方向转向左侧。同一时刻她踩下了刹车踏板,但车没有停下,直接撞上两个车库门之间的砖墙,导致车辆右前角轻微受损。

该车是2019年款特斯拉Model3,带有一个后驱动电机。在整个事件中,车辆处于”再生制动模式(利用制动进行动能回收)。

通过研究EDR数据,的确发现了有趣的信息。

上图显示了加速器踏板(%)、后电机转速(RPM)和车速(MPH)的EDR数据。这里可以发现:

  • 油门踏板数据显示碰撞前一秒达到了79%的开度,而特斯拉报告指出的开度是88%。

  • 车速数据显示,车速从碰撞前的6英里/小时变为车祸发生时的14英里/小时。

单凭这两项证据,似乎就足以证明,司机错误地踩下了油门踏板(而不是制动踏板)导致了车祸。

然而,事情似乎没有这么简单,此事另有蹊跷。一方面,驾驶员坚称没有踩油门踏板,而碰撞前来自加速计的数据也提供了更充分的证据,不支持以上观点。

上图展示了碰撞前加速计数据。使用ISO8855坐标系,其中纵向x轴指向前方,y轴指向驾驶员左侧,z轴指向上。右转时方向盘角度为正。

这里最重要的信息是:纵向(行驶方向)加速计数据显示,车辆在碰撞前1秒,加速度从+0.1g快速变至-0.4g——这意味着发生了制动行为。

2018年10月25日,Model 3更新了软件2018.42 v9,这一版本当中,Model 3的再生制动加速度被限制在-0.3g’s以内(此前为-0.2g’s),而EDR数据当中的减速度达到了-0.5g,这意味着以上制动行为并非是再生制动系统引起的——这更可能是由车辆的制动系统带来的——即驾驶员踩踏了制动踏板。

与此同时,这一结论得到了特斯拉描述的高分辨率日志数据的支持——特斯拉的分析与驾驶员的证词一致,双方皆认为,制动踏板被踩下——虽然EDR数据与此矛盾。

  • 驾驶员证词:制动踏板被踩下

  • 特斯拉报告:制动踏板被踩下

  • EDR数据:制动踏板没有踩下

以上观点指向了一个更具逻辑的可能性——油门踏板和制动踏板同时被踩下。

的确,如果将加速踏板数据与纵向加速度数据进行对比就会发现:加速踏板数据中加速和减速,与纵向加速度数据中的减速和加速一致——这可以利用踩下制动踏板来解释。与此同时,这还意味着,油门踏板可能与制动踏板同时踩下。

按照特斯拉在公开场合给出的声明,如果同时踩踏两个踏板是真实情况,那么油门踏板给出的指令将被系统宣判无效——制动踏板具有更高的优先权。

而从踏板结构上来看,如果用同一只脚同时踩下油门和制动踏板,由于制动踏板的布置高于油门踏板,在这种情况下,油门踏板无法踩踏到88%这样的开度——如果驾驶员踩了制动踏板,特斯拉报告所指出的情况在现实当中无法实现。换句话说,特斯拉报告本身就是矛盾的——踩了制动踏板的同时,油门踏板的开度是88%。

这就带来了新的问题:无论油门是否被踩下,制动踏板已经被确认踩下,并且制动具有更高的优先权,那么,是什么原因导致了电机突然加速呢?

此外还有一个关键问题:

驾驶员一再坚持说打开了再生制动功能,但为什么当驾驶员踩下制动踏板后,两个传感器数据当中没有发现明显的再生制动功能介入呢?这是说,纵向加速度数据数据当中,没有看到再生制动功能的介入,车速数据中同样也没看到这一功能的介入,加速之前车速一直保持在6MPH。

不如先搁置争议,将以上来自多个传感器的EDR数据的时间轴对齐,看看是否会有新的发现。

不这样做还好,数据对齐之后,我们甚至发现了更多的矛盾之处。这次是关于转向的:从碰撞现场来看,车辆是右前方受损(意图进入前方的车库,但却撞上了左侧车库的砖墙),因此车辆必定曾经向左打过方向盘,但特斯拉报告却认为,方向盘是向右打的。

为了找到真相,只能诉诸于EDR数据了。

数据表明,车辆从主路打过76°转到入库的大概方向后,车辆突然加速的同时方向盘横摆角速度和角度同时改变方向,这意味着方向盘向左转动——前进方向的加速度伴随车子向左转向,这一数据有力地支持了驾驶员的证词,EDR数据明显与特斯拉的报告相互矛盾。

继续分析。仔细对比方向盘角度数据和横摆角速度数据还可以发现,当方向盘角度趋于平稳甚至减小时,横摆角速度仍在增加。这表明前轮打滑导致转向过度,这可能会激活车辆的稳定控制系统。

通常来说,车辆稳定性控制系统,在转向过度情况下,会有一定的响应策略——制动外侧前轮。这样座的目的是,在与转向过度方向相反的方向上产生横摆力矩以抑制转向过度。

在Model 3的这个个例当中,发生了向右的转向过度,于是左前轮被制动,导致车辆向左偏航并撞上了左侧的砖墙——这正是现场所观察到的现象,而且这个推演可以完美地解释驾驶员的证词:车辆“转向左侧”导致车辆右前角受损。

此外,不论是偏航yaw加速度数据,纵向加速数据,还是横滚roll加速度数据,都支持以上论断,数据不会说谎。

自此,EDR数据展示了一个完整的画面,这里发生了一系列事件:车辆右转开始,没有出现再生制动,然后驾驶员踩下刹车踏板,与此同时,驱动电机加速导致转向过度,激活了电子稳定系统,让左前轮制动的同时车辆向左偏转,最终撞到障碍物停下。

而碰撞之后的数据更加有趣:

EDR数据展示了,即便油门踏板读数在碰撞之前的半秒变为0,车辆撞进车库之后,车辆的纵向(前进)加速度仍在持续增加。

这很违背常理。因为在正常情况下,当油门踏板读数变为零后,车辆的速度将保持恒定甚至降低,纵向加速度应归零并随着再生制动而变为负值。但这些现象都没有出现。

此外,后电机转速数据也显示,即使松开油门踏板,驱动电机转速仍然很高。这表明,在发生碰撞时,驱动电机仍在产生扭矩,使车辆在向前方向加速,这还是在松开油门踏板后的半秒钟以后!

怎么会这样?

要知道,虽然EDR数据显示,事故发生期间刹车踏板没有被踩下。但司机证词所坚称的踩下了刹车踏板却能够得到纵向加速计数据和特斯拉基于高分辨率日志数据的分析报告的双重证实。

在稳定控制系统的介入上,EDR数据同样”说了谎”,EDR认为ABS电子稳定系统没有启动。而加速计数据和特斯拉基于高分辨率日志数据的分析报告,加上现场环境的复盘,”三重”证据都证实了,ABS电子稳定系统的介入。

随着事件发生的过程逐渐清晰,多个技术性的谜团也逐步呈现。

好了,汇总找到的一系列疑点吧:

  • 为什么当驾驶员声称车辆处于再生制动模式,且驾驶员没有踩下油门踏板时,车辆速度数据和纵向加速度数据中似乎没有再生制动?

  • 为什么后驱动电机加速时刻恰巧是介入制动的时刻?

  • 如果司机的脚踩在刹车踏板上,导致了-0.5g的纵向加速度,那么她怎么可能同时踩下油门踏板导致驱动电机加速?特斯拉曾多次书面声明,当同时踩下油门踏板和制动踏板时,制动踏板总是具有更高的优先权。由此看来,驱动电机的加速不可能是由于驾驶员踩下油门踏板导致的,而必须是由车辆本身引起的。

  • 为什么在油门踏板读数降回零后,驱动电机转速仍然很高,车辆仍继续向前加速?

  • 为什么当汽车速度增加时,即使驾驶员在右转,车辆还是会向左转向?

  • 为什么EDR数据显示没有踩下制动踏板?即使驾驶员坚称她确实踩下了制动踏板,即使特斯拉基于高分辨率日志数据的分析结论与驾驶员一致?

  • 如果驾驶员从未踩下油门踏板,为什么EDR数据显示油门踏板已踩下?

  • 当加速计数据和特斯拉基于高分辨率日志数据的分析结论均证实ABS系统确实介入,EDR数据为何显示ABS系统未介入?

为了得到这8个问题的答案,必然需要深入系统层面,对特斯拉的驱动电机控制系统和制动系统的设计进行全面的检查。

特斯拉驱动电机控制系统

量再生对于电动车来说,是非常核心的技术——车辆减速会使车辆的驱动电机充当发电机,为蓄电池充电。充电对于提高续航里程而言是必不可少的。

再生需要获得减速,减速一般需要踩制动踏板。但是如果再生仅由制动踏板控制,则将效率低下。因为相比油门踏板来说,制动踏板的使用频率很低,单靠踩踏制动踏板带来能量回收,远远无法达到延长续航里程的目的。如果刻意地踩踏制动踏板回收能量,则显得不够自然,而且驾驶员很容易疲劳并给道路交通制造危险。

于是,特斯拉的驱动电机系统,就被设计成单踏板驱动(OPD,one pedal driving)的形式。所谓的单踏板驱动,是指通过改变油门踏板的开度,同时控制加速和能量再生。

这张彩图清晰地显示了,特斯拉的单踏板驱动系统是如何工作的。这里大体有四种情况:

  • 当油门踏板踩到地板上时(所谓的地板油),驾驶员讲获得100%的加速度

  • 油门踏板逐渐放开,驾驶员获得的加速度将变小

  • 油门踏板进一步松开,有一个加速和减速平衡点,即车辆”滑行”的“最佳位置”

  • 油门踏板完全松开时,驾驶员将获得最大的减速度和最大的电池充电水平,实现”最大”再生。

老款特斯拉的最大再生减速值约为0.2g,较新的特斯拉约为0.3g。

0.3g的减速水平让人感觉像带换挡杆的内燃机车在一档减速的感觉。

而单踏板驾驶的特点,让驾驶特斯拉与驾驶传统的燃油车的感受完全不同——只要保持把脚放在油门踏板上,扭矩可以在最大正扭矩和一定水平的负制动扭矩之间连续调节。如此一来,制动踏板将只有两种情况才用得到:

  • 让汽车完全停下来

  • 高于0.3g的水平进行紧急制动

上图显示了特斯拉驱动电机控制系统的第一步——通过这张标定好的踏板的Map图,将驾驶员设置的油门踏板位置转换为请求的电机扭矩值,在未标出数值的空白区域,扭矩值将通过插值的方法获得。系统内踏板的map图包括有一个二维查找表,可利用油门踏板位置信号来访问。

油门踏板位置信号,是通过双路油门踏板位置传感器得到的8-bit符号带大小整数。

扭矩值在特斯拉Model 3中是8-bit符号带大小整数,在特斯拉Model S和Model X中是16-bit符号带大小整数。扭矩值每100毫秒产生一次。

上图显示了,特斯拉驱动电机控制系统所执行的第二步骤:在这一步中给出的是驱动电机的扭矩Map图(即扭矩-转速TN图),它将所请求的扭矩值从踏板Map图转换成扭矩和”磁场磁通量命令”,来驱动电机。该Map图也包括一个二维查找表,并通过踏板Map扭矩图和车辆速度进行访问。未标出数值的区域,可以通过二维插值得到。

  • 加速”正象限”中的正向电机转矩命令可使车辆在向前行驶的同时从蓄电池中获取动力。在100%的电机转矩下,加速度的大小可能从0g到1g不等。绿色区域中的虚线现实了加速象限里的一个典型的加速度曲线,更一般地,它可以是任意的复合曲线。

  • 制动”负象限”中的负电机转矩指令可通过为驱动电池充电来启用再生制动。这里受到多个因素的制约,只会用到红色区域,负象限的红色区域之外将不被采用。图上红色部分的虚线显示了制动象限中典型的制动再生路径。

将扭矩-转速图的红色部分放大,我们得到上面的图形。这里的限制因素有多个:

  • 考虑到在路面摩擦系数下降时突然介入能量再生时,为了避免车辆不稳定,最大制动扭矩将受到-0.2g~-0.3g的最大减速度水平的限制。(左下方块构成的直线)

  • 考虑到电机内部反向电动势back emf(反向电动势的大小与转速成正比,它的增大会逆转母线电压,当母线电流被截断时,电机将达到速度极限)的存在,电机受到最大速度的约束,尾部是截断的。为了进一步提高最大速度,可以采用诸如弱磁控制的技术,通过牺牲扭矩来换取高转速。(右侧的转速截断)

  • 由于电机功率的限制,扭矩和转速的乘积受到约束,功率在弱磁控制区域保持恒定。(右侧方块构成的曲线)

  • 在任何给定扭矩低于最大制动扭矩时,再生功率和制动扭矩跟随电机转速成比例减小。这里受最大再生功率的限制——最大再生功率必须保持在由蓄电池充电电路确定的某些最大值之内。(圆点构成的直线)

  • 如果最大再生功率得到优化不再成为问题,最终将受到电动势emf的限制——保持在电池有效充电的某个最小值以上。(三角形构成的直线)

在最低emf电压以下,制动扭矩只有通过从电池中取电才成为可能,这在技术文献中称为反接制动(plug braking)。

这里请记住很关键的一点:电机仍能够在制动象限的所有区域运行——但只有通过限制给定速度下的扭矩请求,才能在限定区域(红色区域)内实现再生制动。在上述诸多限制所述的再生制动区域内,通过向驱动电机提供适当的扭矩和磁场磁通指令,可以获得任何期望的制动扭矩和再生功率。

再来考虑一个限制:当车速(与电机速度成正比)降低时,比如车速低于5mph时,交流感应异步电机将无法产生任何有效的制动转矩或再生功率。这是因为,转子的磁场受到感应电流的限制,而感应电流对于实际使用来说,实在太低了,无法形成足够强大的磁场。

但对于包含有永磁体的永磁同步电机来说,在低速下,电机仍能产生足够大的转子磁场,允许其在5mph以下运行。特斯拉在它们的Model 3型车中首次引入了这种永磁同步(PMSM)电机,代替此前的交流感应异步电机(ACIM),并计划在所有新版本的Model S和Model X生产中使用。

上图显示了在遵循典型城市驾驶循环时,驱动电机扭矩图中使用的操作点。操作点以红色显示,可以清晰地看出所正加速扭矩和负制动扭矩。尤其左下角的低速时,制动力矩随车速的线性变化很明显。

如上图所示,这里采用的行驶循环,是参考美国EPA的标准城市测功机行驶计划(UDDS)给出的。

众所周知,许多特斯拉汽车都有双驱动电机。

如上图所示,画出了再生制动介入时,配备双驱动电机的Model 3中从100 kph减速到0 kph时的行为。当车速降低时,所有再生扭矩和功率仅由后驱动电机提供,从而产生最大可能的再生。对于软件更新为2018.42 v9的Model 3,最大制动扭矩对应于-0.3g加速度。

与预期一样,在低速时,再生扭矩和功率随转速线性下降。

与上一张图不同,这张新图模拟了路面上有雪时,车辆轮胎和路面之间打滑的情况。当出现打滑时,会发现后部电机的制动力矩被转移到前电机上,两个扭矩之和与原始最大值附近保持一致。

为什么会这样设计呢?

这种行为的原因很容易理解——再生扭矩是一种制动操作,当由于雪、冰、雨或沙砾造成打滑时,将制动力矩施加到后轮上时,后轮会因缺乏牵引力而抱死。如果没有后轮牵引力,车辆可能会变得不稳定,并围绕其垂直轴(z轴)进入无法控制的危险旋转。因此,按照政府法规,车辆制造商必须要使用一定量的前轮制动,以防止这种不稳定性的发生。

当任何给定的车辆被制动时,减速使车辆前倾并重心前移,改变车轮上的制动力水平——当重量从后轮上卸下时,牵引力也会随之降低,并且在施加制动时,它们往往会在较低的减速值下更快地抱死。当然,将过多的重量转移到前轮上也会导致前轮抱死。

 

作为减速值、车辆质量、质心位置、轴距和道路摩擦系数的函数,可以计算前轮和后轮同时抱死时,前后轮上的水平制动力。如果我们将这些值绘制成一个平面上的曲线,以前后制动力为正交轴,就得到上图所示的理想I曲线。

  • 在曲线I上方,后轮会先锁死,这是政府法规明令禁止的不安全情况。

  • 在曲线I下方,除定义车辆最小后制动力的M曲线下的点外,任何操作点都被认为是安全的。

一系列斜线显示了减速值。β-曲线显示了与目前道路上大多数燃油车车辆中使用的跟线性制动比例阀有关的操作点。

利用这张图,我们就可以解释特斯拉Model 3的再生制动行为。对应图上的A点,处于减速值0.3g的状态,这里所有的制动都由后轮提供,这里是法规明令禁止的打滑时后轮首先抱死的危险区域——当后轮没有打滑在道路上具有100%的牵引力时,这是允许的。

如果出现任何打滑,为了使车辆在相同的减速值下保持稳定,必须在增加前轮制动力的同时减小后轮制动力,以便将工作点移动到图中I曲线上的点B(或以下)。在B点,前后制动力大致相等,分别为0.2g和0.1g。

下一个问题是,特斯拉Model 3的牵引力控制系统,是如何实现打滑情况下的制动再生分配呢?

来看牵引力控制模块的原理。我们知道,车辆扭矩指令生成功能包含此前展示的油门踏板Map图,该Map图将油门踏板值转换为车辆总扭矩请求。

最优转矩分配函数包含两个驱动电机扭矩-转速图,将车辆总转矩请求转换为两对(前后各一)电机扭矩和磁通指令。最佳扭矩分配是在电机最有效的工作点运行,以节省电池电量。

对于某些操作点来说,仅使用一台电机,车轮不打滑的情况下,当然提供可接受的车辆稳定性。当出现车轮打滑时,牵引力控制系统将两个扭矩从最佳扭矩分配功能出发,重新分配为两个新的前后扭矩,以便在I曲线当中或曲线下方工作,满足所需的车辆稳定性。

但这里还要注意两点:

  • 首先,在加速和再生减速下,为牵引力控制提供前后扭矩重新分配并不能用做其它目的——比如为转向过度或转向不足提供更通用的差速(即横向)车轮打滑控制——这些更一般的车轮打滑控制功能通常由车辆的制动系统来提供。

  • 其次,车辆(电机)扭矩指令生成功能有来自车辆稳定控制系统(VSC)的输入。

第二点似乎有点出乎意料——这赋予了VSC系统除油门踏板之外,还可以控制车辆的电机扭矩。这个独特的设计还被写进了特斯拉的专利当中(这不能算是一个错误,而是一种独特的构造)。这一点至关重要,我们还将在下一节特斯拉制动系统的讨论当中详细展开。

当前轮或后轮发生车轮打滑时,打滑车轴上的扭矩会减小,并转移到车轮打滑程度较低的另一个轴上。这个逻辑可以用数学方程表达为:

这两个方程式是从下面的Block Diagram当中抽象出来的:

这个Block Diagram出现在特斯拉的专利当中,它展示了四处求和运算,但显然是不正确的,因为两个输入的单位不同(苹果加上橘子不会产生更多的橘子)。

这四个求和操作应被理解为调制操作(即乘法操作),其中扭矩T被脉冲宽度调制乘法操作)为(1-δ)*T,δ可以被理解为占空比,处于0和1之间,由PID控制器决定,它将当前滑移率驱动到目标滑移率:

  • 对于直线驱动路径,目标滑移率为零

  • 对于曲线驱动路径,目标滑移率为某个正常最小滑移率

最小滑移率可随车速和转向角而变化。即使没有打滑,转弯过程中车轮转速通常也会变化。滑移率由车轮速度和车辆速度之差除以两者中的较大者得出。PID控制器的输入是滑移误差,即当前转差率和目标转差率之间的差值,从查找表中获取。PID控制器将此滑移误差驱动至零,当存在车轮打滑时,该控制器将扭矩从某个减小的值(1-δ)*T驱动到不存在车轮打滑时的全值T。

当两个轴都不存在打滑的情况时,前后轴的δ都等于0:

与预期的一样,这表明输出扭矩C_Torque1和C_torque2仅与输入扭矩C_Torque1e和C_Torque2e相同。

如果一个轴有最大滑移,δ=1;另一个轴没有滑移,δ=0,我们得到:

在这种情况下:

  • 不打滑的轴输出扭矩C_torque2,从C_torque 2e增加到C_torque 2e+K2•C_Torque1e,可以看作扭矩从车轴1传递到车轴2。

  • 打滑的轴的输出扭矩C_torque1从C_torque1e减小到扭矩K1•C_torque1e,这里降低了滑移,但提供了动态增强部分的K1•C_torque1e。

再接下来,使用高通滤波器和第二个基于PID的反馈控制器,来独立地抑制电机速度快速扰动——在车轮过度打滑时,电机轴上的负载扭矩突然大幅度降低,一个或两个卡住的车轮在电机轴上突然大幅度增加负载扭矩,都可能导致电机速度快速扰动。

此外,在第一级和第二级之间,还有是一个瞬态扭矩增强前馈控制电路——即动态增强,它为每个轴增加一定的扭矩。增加的扭矩量与牵引力控制第一阶段后的驾驶员扭矩请求和组合扭矩指令C_torque之间的差值成比例。

比例常数K1<0和K2<0可为两轴调整为不同的值。前馈扭矩在不影响牵引力控制和车辆稳定性的前提下,提高了车辆的性能、对驾驶员需求的响应和驾驶性能。当扭矩要求完全满足时,前馈扭矩为零,有效车轮滑移率误差为零,最大扭矩限制无效。

当车轮打滑,并导致某个轴上的扭矩减小时,前馈控制的作用是对另一个具有更好轮胎-路面抓地力的车轴增加扭矩。当然,前馈控制也有副作用——向发生车轮打滑的车轴增加扭矩,但由于前馈路径中相对较小的增益,车轮滑移率误差反馈回路仍占主导地位,因此车轮滑移率误差仍会变小。

牵引力控制之后,最后一环是根据C_MaxTorque1和C_MaxTorque2发出扭矩指令。当扭矩为负时,该过程可确保电机再扭矩图的再生部分运行(红色部分)。这里输出的是扭矩指令C_torque1和C_torque2。

需要再次强调的是,这里仅提供牵引力控制,以响应可通过前后扭矩重新分配最小化纵向的车轮打滑。它不提供基于横向车轮打滑的稳定性控制功能——这些打滑将通过从左到右的扭矩重新分配来解决,如转向过度和转向不足。这些附加的稳定性控制功能必须由车辆的制动系统提供。

在讨论特斯拉的制动系统之前,必须还要提到一个特例:对于特斯拉的某些车辆,包括Model 3,只有一个后驱动电机。在这种情况下,再生扭矩不能从后驱动轮传递到前驱动轮,因为没有前驱动电机。

但车辆稳定性要求必须仍然适用——在这种情况下,唯一的解决办法是将部分再生扭矩从后驱动桥传递到前轮制动器上。至于特斯拉是否这样做的,我们将在下一节制动系统的讨论当中展开。

特斯拉制动系统

斯拉上使用的制动系统包括三个主要部件:

  • 制动助力器及其相关的电子控制模块,包括制动力分配功能

  • 制动调节器单元及其相关的电子控制模块,包含用于ABS和ESC的打滑控制功能

  • 四个车轮总成,包括盘式制动器执行器和制动片以及车轮转速传感器

此外,还有一个完全独立的驻车制动系统,它有自己的控制器、刹车作动器和刹车片,显然这部分与突然加速的问题无关,因此这里不讨论。

如上图所示,特斯拉制动系统中使用的制动助力器是博世的iBooster。

iBooster使用电机来提供制动踏板辅助或助力,而不是像上图所示的传统真空助力器,使用的大型圆形真空室。

除了提供功率提升的电机外,博世iBooster还包括一个带PID反馈控制和大功率驱动晶体管的增压电机控制器、一个为前后制动执行器提供制动压力的串联主缸、两个启用双冗余传感器输出的制动踏板行程传感器,以及可编程电子控制单元。

它还使用外部制动灯/停止开关,来感应制动踏板的踩下,以激活制动灯并控制相关的车辆功能。

控制单元将驾驶员施加在制动踏板上的力转换为制动液上的液压,并向制动执行器模块中的电磁阀发出电子指令,使它们能够通过适当的制动力分配功能控制制动液从总泵输送到前后制动执行器。

出于安全考虑,iBooster的设计允许驾驶员在由于任何原因失去助力时手动制动。

尽管特斯拉汽车中使用iBooster来达到这些目的,但对它来说并不是必需的,因为传统的真空助力器可以提供相同的功能。

这意味着iBooster是出于其他原因而需要的,这些原因按重要性的降序排列为:

1) 电子感应方式制动压力和制动踏板位置。

2) 组装电动汽车更便宜,因为不需要真空源,无论是发动机歧管还是外部真空泵。

3) 车辆制造商提供助力器操作的软件可调整性。

4) 比真空助推器更小的物理尺寸,提高车辆布置的灵活性。

5) 比真空助力器快,尽管传统的真空助力器在安全性上没有硬伤。

6) 在助力器发生故障时,由驾驶员保持液压控制。

此外,特斯拉制动系统中使用的制动调节单元是博世的ESP hev II模块。

 

如上图所示。它是博世最新的ESP 9.0 ABS调制器的特殊版本,专门用于HEV混合动力汽车。

该装置由超过12个不同类型的电动电磁阀、两个液压泵、一个操作压力泵的电动机、一个带反馈控制的PID控制器和控制电动机的大功率驱动晶体管、蓄能器、压力传感器和一个整体电子装置组成控制模块,用于向泵和电磁阀发出命令。

控制模块通过高速串行CAN总线接收来自iBooster的命令。命令的响应时间为1毫秒,以便在紧急情况下实现快速制动操作。

上图显示了iBooster和ESP hev II制动调节器如何协同工作以实现制动操作的。

当电源关闭时,这些阀处于在其名义工作位置,这允许将加压制动液从总泵传输到车轮,以允许制动器的正常手动操作。

除了通过制动踏板对制动器进行机械激活外,该系统还允许通过关闭主缸的隔离阀并启动压力泵向车轮提供所需的制动压力,从而独立于制动踏板进行电气激活。

这种电气激活可以在任何一个通道上单独进行,而另一个通道是手动操作的,或者同时在两个通道上进行。

当在任一通道上使用电激活时,驾驶员可以感觉到电动压力泵提供的制动压力,因为它通过减压阀反馈到主缸中。在混合动力电动汽车中,通常需要防止驾驶员感觉到电气激活的制动压力,以隐藏由与再生相关的制动混合操作引起的手动操作制动压力的变化。

因此,博世为此修改了ESP 9.0的设计,将制动液从一个通道返回储液罐缓冲,而不是总泵。这可防止驾驶员在该通道中感受到电动制动压力。这也需要一种特殊类型的减压阀,如图中黄色所示。

最终,这些ESP-hev-II改进实现了混合动力电动汽车的制动混合操作。

特斯拉车上使用的ESP hev II单元,左侧通道在后轮上,右侧通道在前轮上。这使得左侧通道(后轮)能够以电子方式混合摩擦制动压力再生制动压力,最大为0.3g——受到调节器单元中电动泵提供的最大压力的限制。

这里无法支持的一个操作是:当驾驶员对前轮施加摩擦制动力时,将再生制动力从后电机转移到前轮上——对于只有一个后驱动电机的车辆,如Model 3,这一点至关重要。

为此,博世对其ESP9.0调制器进行了另一次改进,如上图所示,这种新结构形式使用电动机推动活塞,使制动液从储液室流出,增加制动压力,就像主缸根据驾驶员推动的活塞而增加制动压力一样。

从改造的目的来说,双轴驱动汽车并不需要这种改装,所以,不知道特斯拉的所有车辆是否都使用这种改装。或许只有后轴单驱动电机的车辆才会使用——因为这确实增加了成本。

通过应用以上两种ESP调节装置其一,当踩下制动踏板时,就可以对摩擦制动器进行制动力分配,以满足下图所示的政府法规要求。

 

iBooster向ESP提供如何将车辆总制动力分配到前轮和后轮的信息,而ESP通过适当控制电磁阀和压力泵来执行这些指令,指令通过高速CAN总线提供。

再上图的白色区域当中,可以设计指令来提供任一给定的减速路径——蓝色虚线就是当中的一个例子。在后轮驱动的车辆中,该路径可能遵循理想的I曲线。计算从原点到路径上任何一点的距离,就给出了减速值z(也称为制动强度),该值与总制动力成比例。

这种制动力分配与再生制动力矩的制动力分配不同——它是在踩下制动踏板时施加总制动力(即摩擦制动和再生制动),而不单纯是未踩下制动踏板时施加的再生制动。

摩擦制动应用,无论是手动还是电动,在前后轮之间正确分配制动力,仅是ESP hev单元执行功能的一半;另一半功能是防滑控制功能,提供电子车辆稳定性。这些防滑控制功能包括

1.防抱死制动系统(ABS)。ABS控制器持续监控和比较来自每个车轮上的四个速度传感器的信号。当施加制动器且车轮即将抱死时,ABS调节器将不稳定车轮上的制动压力降低到足以防止车轮抱死的程度。一旦车轮稳定下来,ABS控制器就会增加制动压力,从而始终保持最佳制动力。

2.动态牵引力控制(DTC)。DTC可防止电机扭矩过度到达车轮。其原理与ABS相似,但发生在加速过程中,而不是像ABS那样在减速过程中进行。当车辆只有一侧在低牵引力路面上行驶时,此功能提供了更好的牵引力控制。在松软路面或深雪中加速或上坡时,此功能尤其有用。

DTC增强了特斯拉驱动电机控制系统中牵引力控制器的操作,该系统通过模仿传统差速锁的功能,同时消除同一轴上两个车轮的扭矩。

3.动态制动控制(DBC)。DBC通过自动增加制动压力,在紧急制动情况下帮助驾驶员——如果满足指示紧急制动事件的触发条件,当驾驶员踏板力不足时,DBC使用ABS压力泵增加制动压力。它在3英里/小时以上的任何速度下都会激活。

液压制动压力被设置得驾驶员给到的制动压力快得多,并保持在最佳的ABS工作压力。以下情况下会触发:

a)在踏板力不足的情况下快速踩下制动踏板时。

b)当一个车轮达到ABS控制阈值后,缓慢踩下制动踏板且随后减速要求很高。即开始时需要轻微制动,但随后发生需要尽可能短的停车距离的情况。

4.自动紧急制动(AEB)。当预测到前方碰撞的可能性很高时,AEB会使车辆减速,而无需驾驶员使用制动踏板。AEB使用摩擦制动系统作为执行机构,其被设计为不会过早触发,因为驾驶员可能会因此而受到干扰,从而导致事故。因此,在许多情况下,AEB将减轻碰撞而不是避免碰撞。

5.转弯制动控制(CBC)。如果车辆转弯而未有ABS介入,则CBC可以激活。当制动时检测到横向加速度超过0.6g时,CBC可防止制动力积聚到内侧后轮或外侧前轮。CBC控制器通过关闭进气阀来实现这一点,不增加所需车轮的制动卡钳处的制动压力。从而防止车辆进入可能导致转向不足或转向过度的不稳定状态。此功能仅在踩下制动器时起作用。

6.电子稳定控制系统(ESC)。电子稳定控制系统在转弯过程中保持对车辆的控制。除了车轮转速传感器外,它还使用横摆率和加速度传感器。ESC使用来自转向角传感器的输入计算车辆的预期路径,并将其与来自横摆率传感器的车辆测量转动率进行比较。这使其能够在转弯过程中监控转向不足或转向过度事件。

  • 在转向不足时,后内侧车轮将制动,产生正的横摆扭矩,帮助车辆转弯;

  • 在转向过度时,前外侧车轮将制动,产生负的横摆扭矩,帮助转弯,以及后轴重新获得牵引力。

电子稳定控制系统还控制和限制发动机功率,以支持转弯时轮胎的侧向抓地力。当未应用制动器或横向加速度小于0.6g时,此功能起作用。

7.发动机阻力扭矩控制(EDC)。EDC可防止来自发动机的减速扭矩(即阻力扭矩)锁定后驱车轮,这可能会产生车轮打滑,从而导致车辆在低摩擦路面上减速时绕其纵轴旋转。

这种情况类似于在低摩擦表面上过度施加制动而引起的减速,这通常会导致ABS系统激活,从而使制动分配曲线上的工作点移向更接近理想曲线的工作点。然而,由于发动机阻力导致减速,使用ABS降低制动力来降低减速度是无效的,因为制动力矩不是由摩擦制动器引起的。

相反,它是由内燃机的负阻力扭矩引起的,换到较低档位后,阻力扭矩可能会进一步增大。减小此负发动机阻力扭矩的唯一方法是在检测到打滑时,通过向发动机发送油门请求以获得更高的正扭矩,从而增加发动机扭矩。

在没有内燃机的电动汽车中,这种负阻力扭矩是由电动驱动电机的再生扭矩产生的,它会导致大约0.2g到0.3g的减速。

如果在湿滑路面上突然施加这种类型的减速,EDC控制器会向驱动电机发送一个转矩请求,以提供一个正转矩,该转矩将在短时间内抵消或减小该负的再生转矩。

由于EDC控制器不知道该扭矩的大小,它只能在正方向上不断增加扭矩请求,直到它检测到驱动桥上的滑动为零。此功能由内燃机车辆和电动车上的ABS单元提供。它通常被称为MSRMotor schlepmonment Regelung的德语缩写,即发动机阻力扭矩控制。

令人关注的是,最后的这个发动机阻力扭矩控制功能,赋予了ESP hev II模块控制驱动电机扭矩的权限。

这正好解释了上一节我们提到的,车辆稳定性控制系统对驱动电机扭矩控制器的输入影响。但这一关联不应该会导致突然加速——因为它仅限于将电机转矩增加0.2至0.3g,以抵消负再生转矩,使其等于零。

这项研究的带来了几个专利,这些专利为解释这个功能增加了重要的细节:

  • 德尔福的美国专利6535809提到:检查制动开关,以确定负扭矩的原因是否是发动机再生扭矩,而不是摩擦制动器。

  • 博世公司的德国专利DE10238224B4透露:在车轮打滑被抑制后,MSR控制持续一个预设的超时时间,其超时的时间在通过弯道时比直行时更久,偏好在1到3秒之间。

所有这些防滑控制功能都包含在ESP hev II当中,Bosch作为制动系统供应商,已经将其内置在控制单元中的软件当中。其为分包商专有,整车厂无权对其进行修改

该软件在ESP hev II模块控制单元的本地控制下执行,该单元在CAN总线上充当主控单元,并且功能始终开启。

这与制动力分配功能相反,制动力分配功能作为iBooster控制器的从机,仅在手动制动时激活。尽管一些汽车制造商给驾驶员提供了关闭某些稳定性控制功能的能力,特斯拉却没有。

技术要求汇总

斯拉汽车目前在国际市场上销售,因此必须遵守政府法规。这些法规规定了制动系统必须如何工作,以及其ABS的功能必须如何与再生系统相互作用。

这些规定载于下列政府文件:

  • 联合国欧洲经济委员会(UN/ECE)第13-H号法规(2017年),附件1至9,“乘用车和轻型商用车制动系统的技术要求、试验方法和限值”。

  • 联合国欧洲经济委员会(UN/ECE)第140号法规“关于就电子稳定控制(ESC)系统认证乘用车的统一规定”,2018/1592

  • 美国法规49 CFR§571.126第126号联邦标准;“轻型车辆电子稳定控制系统”。

  • ID4EV——电动汽车智能动力系统”,根据第七个框架计划,在欧洲经济委员会(ECE)共同资助的欧洲研究项目下,根据用户需求和SOTA分析对电动汽车的要求和规格进行的研究。

  • 再生制动系统研究”,作者:B.J.Robinson,C.Visvikis,T.Gibson和I.Knight of the Transport Research Laboratory出版了2011年英国交通运输技术和标准部项目报告PPR582

  • 带防抱死制动器、牵引力控制和电子稳定控制的通用、常规、液压制动系统的功能安全评估”,作者:C.Becker,D.Arthur和J.Brewer,Volpe国家运输中心,DOT报告编号:DOT HS 812 574,Volpe报告编号:DOT-VNTSC-NHTSA-16-08,2018年

更详细地,法规及其相关文件规定了以下技术要求:

  1. A类电力再生制动系统”是指不属于行车制动系统一部分的电力再生制动系统;(2.17.2)。特斯拉的再生制动系统被归为A类。

  2. 在倒车档或驾驶员禁用时,电子稳定控制系统不需要在低于20公里/小时的速度下运行。

  3. ESC应在车辆启动后2分钟内进行启动自检。

  4. 有缺陷的刹车灯开关会触发ESC关闭指示灯。制动灯泡烧坏也会触发ESC关闭指示灯。

  5. 再生制动系统在释放加速器控制装置时产生减速力,应根据以下规定产生上述信号(即制动灯信号或刹车灯信号)。在所有情况下,最迟应在减速度降至0.7m/s2以下时关闭信号。(括号中的g等价单位由作者添加)。

    大多数特斯拉车型的最大再生能力为0.2g,在软件更新2018.42 v9后增加至0.3g。

  6. 即使防抱死制动系统或牵引力控制系统也被激活,电子稳定控制系统也必须能够激活。

  7. 如果安装了防抱死制动系统,其ECU必须包含再生制动系统的控制。如果需要,电子稳定控制系统可以停用再生制动。如果再生制动系统与防抱死制动系统相连,则应遵循装有防抱死系统车辆的试验要求中规定的试验程序。

  8. 12V直流供电网络。如果ABS、ESC或类似系统采取了纠正措施(例如,在车轮过度打滑、转向不足或转向过度的情况下),则会只使用摩擦制动器。最先进的制动系统控制器不能使恢复制动扭矩适应驾驶条件。

  9. 如果ABS激活,再生扭矩应控制或关闭,直到制动结束(BLS=关闭)。

  10. ECE R 13-H(需满足再生制动系统的附加部分):再生制动器应考虑车辆荷载(底盘水平)和附着水平。此外,它必须由ABS控制器控制,以避免车轮过度打滑,并保证车辆的稳定性和转向能力。

  11. 当车轮开始抱死时,防抱死制动系统启动。这种情况最容易发生在摩擦系数较低的表面,如冰。然而,当ABS激活时,再生制动通常被关闭,以保护正常的ABS功能。在这种情况下,摩擦制动器需要补偿再生制动的损失,以保持相同的减速水平。将再生制动与ABS集成的策略,特别是转换为摩擦制动的时间,可能会影响车辆的制动性能和踏板感觉。如果装有再生制动的车辆装有防抱死制动系统,则要求防抱死制动系统控制再生制动和摩擦制动,以使系统在发生抱死时减小车轮扭矩。但是,对于如何控制这一点没有要求,因此理论上可以用与行车制动系统相同的方式对其进行调节,或者干脆断开。如果突然断开,还有一个普遍要求,即摩擦制动器应补偿减速的变化,否则会因断开而重新停止,这可能会影响踏板的感觉。负责授予车辆型式认证的英国政府机构车辆认证机构(VCA)将此要求解释为:当再生部件断开时,必须提供补偿。但另一种解释是可以想象的,即这种补偿(摩擦制动在1秒内达到其最终值的75%)仅在再生制动系统在断开前提供制动力矩的情况下才需要。在这方面,条例的措辞有点含糊不清。

  12. 关于防抱死制动系统。一位OEM客户(即制造商)表示,再生系统与ABS系统的交互不太可能出现任何问题,因为控制算法只是在车轮速度/滑移传感器检测到即将发生的车轮抱死时关闭再生,而传统的制动系统由ABS控制,接管。

  13. 电子稳定控制系统。关于再生制动与电子稳定控制系统之间的相互作用及其对车辆稳定性的影响的研究很少。Hancock和Assidian(2005)研究了再生制动对转弯过程中车辆稳定性的影响。本研究采用一辆混合动力运动型多功能车的整车模型(在计算机仿真中)。根据后桥的大小,可以减少再生电机的摩擦系数。在高表面上安装中等尺寸的电机时,稳定性的降低由ESC系统控制,而不会大幅增加ESC制动压力。然而,在低幅(摩擦)路面上,稳定性降低更为严重,ESC无法补偿。为了防止再生制动导致车轮打滑,提出了两种解决方案:第一,一旦任一后轮的纵向滑移超过规定的临界值,则转换为摩擦制动;第二,锁定中央联轴器。从稳定性的角度来看,这两种解决方案都是有效的,但后者还有一个额外的优势,即最大限度地回收能量。然而,作者建议进一步研究评估对ABS/ESC性能的潜在影响。

  14. 带电子稳定控制系统的防抱死制动系统。在低摩擦表面上紧急制动将激活ABS。在转弯时(紧急)制动的关键测试中,电子稳定控制系统将激活。这两种情况下都会关闭再生制动系统(RBS),制动能量没有回收。在这些事件中,保持操纵性和稳定性比恢复能量更重要。

  15. 电子稳定控制系统。当再生制动导致制动比严重偏向一个轴时,转向制动试验适用于研究低水平纵向减速度与高横向加速度的稳定性效应。

  16. ABS必须控制再生制动。如果ABS车轮速度信号发现过度打滑,它将暂停再生制动,直到下一个触发事件发生。对于ABS事件发生时使用非零再生制动力矩的车辆系统,观察到车辆不稳定性。

  17. 从现有文献中还不清楚当前再生制动系统是否在ABS启动后仍保持关闭状态,直到下一次制动应用(即使在停车过程中ABS失效),还是仅在ABS激活时才关闭。一些设计师规定再生制动在下一次制动应用之前不能再次使用(例如,Zhang等人,2008)。然而,Zhang等人(2010)提出了一种再生制动在ABS控制结束时重新激活的系统。

  18. 大陆集团在其再生制动系统市场上的宣传语是“使用传统的电子稳定控制系统(ESC)使再生制动系统能够执行所有已知的制动干预和稳定性功能”。这种线控制动系统在线控制动故障时也具有直接的液压推动功能。测量驾驶员施加在制动踏板上的压力并将其转换为制动扭矩需求。电子稳定控制单元经过增强,可与车辆的电驱动电机系统(电机+蓄电池+蓄电池管理)进行通信。电动机系统向电子稳定控制单元报告有多少再生制动扭矩可用(取决于充电状态和温度)。电子稳定控制单元将制动力矩要求发回给电动马达系统,该制动力矩不超过可用的再生制动力矩,然后确保液压系统满足其余的制动力矩要求。因此,在最大限度地控制电制动系统的制动能力的同时,也就有可能从制动系统中回收能量。

  19. 根据欧洲经济委员会(ECE)第13-H号法规,要求在车辆上安装防抱死制动系统(ABS),并且必须在任何情况下优先控制车辆制动。美国国家公路交通安全管理局也颁布了类似的规定。

  20. 防抱死制动系统。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)收到了来自丰田普锐斯车主的1200多起投诉,指控其在不平路面上的制动性能瞬间降低。丰田直接接到了近200宗投诉。该公司进行了刹车测试,试图重现这一现象,发现制动力在防抱死制动系统激活后降低。进一步的调查显示,许多司机都经历过这种现象,特别是在冬季,司机可能会保持固定的踏板行程。在这些情况下,丰田发现“相对于驾驶员对给定踏板力的期望值,车辆的停车距离可能会增加。”这种情况是ABS软件的结果,该软件允许改变制动力。尽管ABS按设计运行,但丰田还是自愿召回了普锐斯(Prius)和雷克萨斯HS250H(lexushs250h)的ABS控制单元。看来,在这个特殊的系统中,从再生制动到常用制动(即液压制动)的过渡被驾驶员视为制动力的变化。在某些情况下,驾驶员需要更用力地踩下制动踏板以保持相同的减速度。

  21. 电子制动功能要求:

  1. 前后轮之间的制动力比例,以最大限度地提高制动效果。

  2. 左右车轮之间的制动力比例,以最大限度地提高制动效果。

  3. 控制制动液压力,以防止ABS事件期间车轮在制动时抱死。

  4. 在牵引力控制系统(TCS)事件中提供选择性车轮制动。

  5. 控制每个车轮的制动液压力,以在电子稳定控制(ESC)事件期间,包括在极端动态操纵和恶劣道路条件下,提供车辆控制。

  6. 提供制动力以支持其他高级制动功能(例如,坡道保持)。

  7. 实施制动请求以支持其他车辆系统。

  8. 使用可用的传感器和型号测量并提供车速。

  9. 与转向系统和其他车辆系统协调横摆角速度稳定。

  10. 与内部子系统和外部车辆系统通信。

  11. 请求驱动电机控制器/电子节气门控制器增加扭矩,以防止突然减速时车轮抱死。

  12. 当需要支持牵引力控制系统(TCS)或电子稳定控制(ESC)事件时,请求ACS/ETC减小油门。

其中,要求21.11和21.12规定了,制动系统可分别请求驱动电机增加或减小转矩,以响应突然减速或牵引力控制/电子稳定控制事件。

总之,这些要求表明,不受摩擦制动系统控制的再生制动与制动模块的打滑控制功能不兼容。这种不兼容不仅适用于使用制动踏板激活再生的B级车辆,因此必须将再生扭矩与摩擦制动扭矩混合,而且对于使用加速踏板进行单踏板驾驶的特斯拉(Tesla)等A级车辆也是如此。

这种不兼容性的产生是因为制动模块中的防滑控制算法需要知道算法激活时作用在车辆上的所有制动力,当再生产生的制动力不在其控制范围内时,这些算法就会失效

这就是为什么法规要求制动系统必须控制所有制动力,包括由再生产生的制动力。这就是为什么当这些算法被激活时必须关闭再生,因为关闭再生功能会将车辆上的力降低到制动系统力的正常情况。所有装有内燃机的车辆都是这种情况,这是算法最初开发时假定的情况。

动能回收脱离条件

有电动汽车,无论是混合动力汽车还是纯电动汽车,都会在颠簸时失去再生功能。这是由于ABS关闭了再生功能,以防止不受制动系统控制的车辆上的力干扰制动系统算法的运行。

关于这一点,特斯拉论坛上可以经常看到相关的讨论:

Crebelo:

我买Model S 75已经三个月了。昨天,我正接近红灯前面没人。我离得非常远,于是松开了油门,让再生功能启动并减速。然后,当我接近停车灯时,我开始踩刹车(我每天都这样开车,通常没有问题)。但这次我在路上遇了一个大的颠簸,有一瞬间感觉车失去了所有的再生,进入了空档。我当时还踩着刹车踏板,但绝对感觉车从减速到加速。这是我第三次遇到了,每一次都是停车前遇到了路边颠簸……它把我吓得屁滚尿流,我知道我踩了刹车。

Jordenrichard:

我碰到了一个大的颠簸,牵引力控制灯亮了几秒钟。任何牵引力的中断,车轮接触地面或车轮停止移动,都会导致奇怪的事情发生。你知道你遇到了一个颠簸,但车没有——它只知道车轮停止移动和失去牵引力。

MurphyS90D:

发生在我的2013年福特Fusion Energi FWD上,当一个前轮越过一个凹陷的井盖,如果任一车轮离开地面,由于差速器的工作方式,前进档或再生制动将不可能。如果你的脚不踩刹车,ABS就不会干预并停止离地的车轮。感觉像是加速,但不是。这是瞬间消除再生制动,使它感觉像是加速。

Stiction:

我以前在工作时经常遇到一个小的减速丘,后轮会嘎嘎作响。

Gabeincal:

我当时在圣何塞,下了高速公路,准备从出口匝道左转。当我到达十字路口时,我正以每小时25-30英里的速度行驶。巡航和自动驾驶仪都关闭了。这里是绿灯,所以过了十字路口,在交叉路口交叉时,我开始刹车。在十字路口撞了几个凹凸不平的坑(马路有点粗糙)。刹车的时候,我感觉到一点加速,我的右脚紧紧地(而且只有)踩在刹车踏板上。……我发誓,这辆车在很短的时间内(可能是十分之几秒)加速了5英里/小时。感觉好像有人给我踩油门。

McRat:

在许多带有再生功能和ABS的汽车上,ABS是优先的。因此,当一个车轮转速快速下降而其他转速没有下降时,它会关闭再生并将车轮接入ABS模式。感觉就像是汽车在向前跳跃,但真正的情况是,再生关闭,让ABS完全控制牵引力。

Gabeincal:

我就是这么想的。ABS关闭了再生。这是可能的,虽然我感觉到了加速,而不是没有减速。而且,我感觉到刹车踏板上没有ABS的“作用”,也没有ABS或稳定灯亮起。但那些坑洼绝对和我经历到的有关联。

Logan5:

几天前我也有过类似的经历。我不是从高速公路上下来的,只是在关闭自动驾驶的公路上。注意到当这件事发生的时候我正走过一条不平坦的路。当时的速度大约是每小时20英里。

McRat:

当你减速时越过潮湿的人工井,或以一定角度穿过铁轨,或者当你的两个轮胎走过油/砾石的车道中间时,你会经常感到“被踢”的感觉。当然,潮湿的叶子也可以。

Skipdd:

我也发生了同样的事情,我发了帖子。…像你一样,我联系了特斯拉,告诉他们发生的时间。他们确认是ABS。这肯定吓到我了。

EVSteve:

从长远来看,在一辆Volt汽车上,存在一个更严重的问题……刹车首先接合再生制动,然后才是摩擦制动。如果系统检测到打滑或牵引力不足,电压将断开所有再生制动。失去再生和摩擦制动之间的变化很大。在雪地和冰上,其停车距离严重恶化且不可预测。避免这种情况的唯一方法是通过切换到空档并依靠摩擦制动器来完全禁用再生系统。

Skotty:

我认为正确的解决方案是让防抱死制动系统也能控制再生。我想在大多数情况下他们已经做到了。混合动力车使用再生制动已经很多年了,应该也面临同样的理论问题。

Jerry33:

当任何制动安全系统接合(TC、VSC、ABS等)时,混合动力车将关闭再生功能。我相信日产Leaf也会这样。

以上讨论表明,几乎所有的特斯拉汽车都会在经过道路颠簸时失去再生制动,造成瞬间加速的感觉。

这种再生的丢失不是制动与再生的匹配不良。这是一个问题,因为驾驶员在任何给定时间都会感受到车辆上的总作用力。当总力因失去再生而改变时,驾驶员就会感觉到这是一种加速行为。

这种减速度的变化是由于ABS系统在一个车轮速度迅速下降而其他车轮速度没有下降时关闭再生。这不是特斯拉做出的设计决策的结果,而是由特斯拉的制动器供应商博世设计的ABS调节器中的算法的结果。

Bosch的设计师们别无选择——只有在算法激活时关闭再生,因为为了使算法正常工作,他们必须在算法激活时控制车辆上的所有制动力。而且,由于无法控制再生量,它们必须在激活时关闭再生。所有其他配备再生功能的电动车也是如此。

颠簸并非是失去再生的常见原因,这里还有一个很常见的情况——转弯。所有电动汽车,无论是混合动力汽车还是纯电动汽车,转弯时都会发生失去再生。

这里的原因与颠簸时失去再生是一样的——因为ABS关闭了再生功能,以防止施加在车辆上的力不受制动系统控制而干扰制动系统算法的运行。这方面的一个很好的例子可以在福特Fusion hybrid论坛上的Ford Fusion hybrid 再生操作的讨论中找到:

ACDii:

从35左右开始减速,然后右转,当再生灯亮起时,在转弯的一段时间内,汽车感觉好像在冰上滑行。再生停止一小段时间…相当确定它是关联到转向位置传感器…

当再生制动正常时,当你踩下刹车时,汽车会减速,你踩下刹车踏板的次数越多,它的速度就越慢。电流在-45左右,随着车速的减慢而下降,直到我100%完全停下来…

当它不能正常工作时,我踩下刹车,车子会减速一点,再生指示灯亮着,HVB的电流在-50多,接近-60。然而,这辆车并没有像它应该的那样减速,我不得不加大油门

踩下刹车来减慢车速,在汽车减速前接合刹车片。

有时候我差点错过转弯的时间,因为车子没有像预期的那样减速…

福特说,转弯时没有刹车是正常的……我详细地解释了,当在再生中转弯时减速,当方向盘到达90°(超过1/4圈)时,再生功能会短暂让制动失效,让人感觉汽车向前冲…

故障可能以任何速度出现。以低于20英里/小时的速度驶入我的车道,车会在发生这种情况时跳跃。我的车道是碎石路,所以突然刹车的加速很明显。。。

当我从一条高速公路拐入另一条高速公路,并且都是直角转弯时,我会注意到这一点。有一条路从55度下降到40度,然后左转90度,然后在40度左右行驶一英里左右,右转90度,无论速度如何,都会在两个转弯处发生。

当然,转弯越快,我就越注意到它……我重新启动了汽车,虽然刹车现在工作正常,就像直线刹车一样,但转弯时仍然存在问题。

Sleddog:

我可以确认肯定是再生刹车的问题,肯定是跟转向位置传感器绑定的,转弯时刹车。我可以复现它,但只有在速度低于10英里/小时的情况下,在再生模式下轻微踩下制动踏板,当机械制动未激活时……驱动系统似乎在转弯时向内侧车轮施加更多扭矩。

hybridbear:

我在我的车(一辆福特Fusion混合动力车)上进行了测量……

图上显示了左转时失去再生时的车速和牵引电机扭矩。这发生在光滑的路面上,因此这不是由于颠簸造成的再生丢失。

在整个刹车过程中,我保持稳定的[刹车]踏板压力。你可以看到电机转矩[再生转矩]下降。这是当我感觉到一个喘振…在特定的情况下失去再生制动,汽车会觉得它是蹒跚前进,而不是减速。

只使用再生制动;无摩擦制动;稳定的踏板压力;以15-20英里/小时的速度行驶;将方向盘向左或向右转动至少90度;在平坦的路面上行驶。我从辅助车载诊断模块C(SOBDMC)读取的数据表明,牵引电机会短暂地减小其负扭矩,从而导致车辆向前猛冲。

在我记录的一个例子中,负扭矩显示约48 ft-lbs,然后突然下降到约8 ft-lbs。然后牵引电机逐渐将扭矩增加到适当的水平。在另一个例子中,负扭矩突然从28 ft-lbs增加到8 ft-lbs。根据我的记录数据,扭矩下降发生在1/10秒。牵引电机[再生扭矩]大约需要2.5到3.0秒才能恢复到适当的负扭矩水平,以停止车辆。

转弯必须有多急?注意到问题的速度有多快?…我不太确定方向盘角度是否那么重要。见上图,我认为更多的是轮速的差异,我最常注意到的是左转和减速,比如转入停车场或车道时。这种情况似乎发生在每小时15-20英里之间。

当制动和转向时,“按设计运行”的行为似乎是当车轮速度差达到某个临界值时。汽车然后减少再生制动和混合摩擦制动。这种过渡应该是无缝的,不易察觉。

过渡应该是平滑的,不引人注意。这就是问题所在。汽车“按设计运行”,以减少转弯时的再生。问题是,在再生减少和摩擦制动器接合之间存在暂时延迟。

以上福特的例子带给了我们很多启发性的信息。现在,这种在转弯时失去再生力的情况不仅仅发生在福特Fusion混合动力车上。特斯拉汽车上也会发生这种情况。以下是特斯拉汽车俱乐部论坛上关于特斯拉车型3的再生操作的讨论。

AltLogic:

我开着我的Model 3沿着当地蜿蜒的山路行驶。我的计划在扫弯时使用再生制动,在急转弯时使用再生制动和摩擦制动。我注意到,当我转动方向盘时,再生制动减少了。一旦我调直方向盘,再生制动将恢复到完全再生状态……这在拐角出口处非常明显。而在转弯处几乎没有减速。方向盘一接近直线,减速度就增加了。

6DR61:

我会预料到这种行为。据我所知,目前还没有检测路面和胎面摩擦系数的系统。因此,在以中等侧向g力转动时,应谨慎地减少驱动轮再生产生的负载。

#7Skidmark:

我的车也有,但我没见过它发生在Model S/X上。在一个相当硬的转弯里,再生几乎会自动关闭,直到转向角减小到某个点。如果你没料到会有点不安。

#8bxr140响应:

同样的事情也发生在后轮驱动车型上。把你所有的刹车都放在车尾,承受着很高的横向负荷,这是一个灾难。关闭再生后,你将被迫使用实际的摩擦制动,这将更均衡地加载于汽车上。

#10bxr140增加了:

对。这就是Model S/X模型的工作方式。

最后,#7Skidmark总结了讨论:

是的,在转弯时关闭再生绝对是为了减少后轮牵引力损失导致打滑。但是,另一方面,它也引入了汽车的一种行为,这可能是驾驶员非常意想不到的。当前的行为——关闭再生可能是危害中较轻的一种。

从这两个讨论中我们可以看出,所有特斯拉汽车以及福特Fusion混合动力车在转弯时都会失去再生,这种再生损失是由于ABS系统在车辆一侧的车轮速度与车辆另一侧的车轮速度不同时关闭了再生。

再次,回到同样的观点:

这不是特斯拉做出的设计决策的结果,而是由特斯拉的制动器供应商Bosch设计的ABS中的算法的结果。

博世的设计师们别无选择,只有在算法激活时关闭再生,因为他们的算法必须在算法激活时控制车辆上的所有制动力。而且,由于无法控制再生量,它们必须在算法处于活动状态时关闭再生。这适用于所有带再生的电动汽车,而不仅仅是特斯拉汽车。

原因分析

此,我们终于可以拥有系统化的知识和逻辑回答第二节末尾提出的一系列问题了。如果我们以稍微不同的顺序回答这些问题,将有助于更好地解释所发生的事件。

问题1:为什么当驾驶员声称车辆处于再生制动模式,且驾驶员没有踩下油门踏板时,车辆速度数据和纵向加速度数据中似乎没有再生制动的影子?

答:尽管Model 3能够以低于右转弯时车辆使用的6mph的速度进行再生,但在EDR车辆速度数据和纵向加速度数据中似乎没有再生。这是因为进入转弯时,ESP hev II模块关闭了再生。在转弯过程中关闭再生是3型特斯拉和任何带再生的电动车的正常操作,因为ABS算法必须知道算法运行时车辆上的所有力。但是算法不能知道再生的力,因为这些力不是由ESP-hev-II模块控制的。因此,ESP hev II模块别无选择,只能关闭再生。

问题5:为什么当汽车速度增加时,即使驾驶员在右转,车辆还是会向左转向?

答:车辆转向左侧,因为在右转过程中车速的增加导致转向过度,导致ESP hev II模块中的电子稳定控制(ESC)功能启动。该功能的响应是制动外侧前轮以产生反向扭矩,以减少向右转向过度。由于在这种情况下,外侧前轮是左前轮,制动它会导致车辆随着电机转速的增加而向左转向。

问题2:为什么后驱动电机加速时刻恰巧是介入制动的时刻?

答:这是因为ESP hev II模块中的发动机阻力扭矩控制(EDC/MSR)功能在转弯时感应到施加负加速度而被激活。从纵向加速计数据中可以清楚地看到负加速度。我们知道,EDC/MSR功能此时处于活动状态,因为它是在这种情况下应用的正确功能,而且ESP hev II模块中的其他功能在启用之前和之后都处于活动状态。因此,只有在干预时间内激活其他ECP hev II模块功能才是合理的。

现在,EDC/MSR功能旨在减少由发动机产生的阻力扭矩引起的负加速度,或者在这种情况下,减少由驱动电机产生的再生扭矩。它不是为了减少摩擦制动产生的负加速度。因此,它检查制动灯开关以确定负加速度的原因。如果开关显示没有踩下制动踏板,则它知道负加速度是由再生扭矩引起的,并通过向驱动电机发送减小反向再生扭矩的请求作出响应。

此请求继续,直到负再生扭矩减至零。但是,如果开关检查显示制动踏板被踩下,则EDC/MSR功能不起作用,ESP hev II模块中的另一个功能会减小负制动扭矩。

在这起事件中,可能发生的是刹车开关有故障。因此,当驾驶员踩下制动踏板以产生0.5g的负加速度时,制动开关没有显示制动踏板被踩下。

因此,当EDC/MSR功能检测到负加速度时,它检查制动开关以找出原因,并得到一个错误读数,显示没有踩下制动踏板。结果,它得出的结论是负0.5g加速度是由驱动电机产生的再生扭矩引起的,而不是像实际情况那样由制动系统引起的。

这导致它向驱动电机发送一个请求,通过增加驱动电机的转矩来减小负转矩。由于再生功能在转弯初期被ESP hev II模块切断,因此驱动电机扭矩已经为零,因此,增加驱动电机扭矩的请求导致驱动电机扭矩从0增加到对应于0.5g正扭矩的RPM转速。

这是我们在纵向加速度数据中看到的,由于CAN总线上的命令延迟,导致了几百毫秒的轻微延时。在这种情况下所发生的是,有故障的制动灯开关导致制动踏板的行为类似于油门踏板。踩下制动踏板的力度越大,产生的驱动电机扭矩越大。

众所周知,制动灯开关可能存在故障,导致制动灯在踩下制动踏板时无法打开——这个故障在过去非常常见,并带来了很多次召回,在过去的十年甚至更长的时间里,这些故障已经涉及数十万辆汽车。

因此,制动灯开关故障的假设是合理的,并可以通过实验加以验证。

尽管大多数制动灯开关都是双冗余的,其中一个开关打开,另一个开关关闭,但在这种情况下,EDC/MSR算法可能只检查两个开关中的一个来做出决定。这可能会增加制动开关故障的可能性,从而导致在评估负加速度来源时出现错误。

问题三:如果司机的脚踩在刹车踏板上,导致了-0.5g的纵向加速度,那么她怎么可能同时踩下油门踏板导致驱动电机加速?特斯拉曾多次书面声明,当同时踩下油门踏板和制动踏板时,制动踏板总是具有更高的优先权。由此看来,驱动电机的加速不可能是由于驾驶员踩下油门踏板导致的,而必须是由车辆本身引起的。

答:从对问题二的回答来看,很明显,司机的脚确实踩在了刹车踏板上,踩下刹车踏板是汽车驱动马达加速产生突然加速的原因之一。然而,突然加速的主要原因是制动开关故障,导致EDC/MSR功能错误地将负加速度理解为来自驱动电机而不是制动踏板。

问题四:为什么在油门踏板读数降回零后,驱动电机转速仍然很高,车辆仍继续向前加速?

答:即使在油门踏板读数降至零后,驱动电机转速仍保持较高,因为即使在原始负阻力扭矩降至零后,EDC/MSR功能通常仍会施加补偿扭矩。这就是第四节中提到的博世专利DE10238224B4中所讨论的EDC/MSR算法的工作原理。这种行为原因在于,EDC/MSR功能最常在高速公路上通过弯道时使用。延迟允许车辆在消除正加速度之前出弯,这是一种良好的驾驶习惯。

问题六:为什么EDR数据显示没有踩下制动踏板?即使驾驶员坚称她确实踩下了制动踏板,即使特斯拉基于高分辨率日志数据的分析结论与驾驶员一致?

答:数据显示刹车踏板没有被踩下。但驾驶员可能确实踩下了刹车踏板,因为司机一直坚称踩下了制动踏板——这是有可能的,特斯拉的调查分析也支持驾驶员的观点。这可能恰巧印证了问题二当中给出的假设:制动灯开关存在故障。

问题七:如果驾驶员从未踩下油门踏板,为什么EDR数据显示油门踏板已踩下?

答:大多数人都有100%的信心,如果油门踏板数据为非零,那么驾驶员踩的是油门踏板而不是制动踏板。对他们来说,这就是所有所谓的突然加速事件的起因。

然而,在这起事件中,EDR数据显示加速度计检测到负0.5g的纵向加速度,这可能是由于驾驶员踩下制动踏板而引起的,因为该加速度超过了负0.3g的最大再生加速度。但是,数据除了负0.5g加速度外,还同时出现乐非零的油门踏板数据——这将产生正的纵向加速度。

这就带来一个矛盾:驾驶员的脚必须踩在制动踏板上才能出现超越0.3g的负加速度,同时油门踏板的数据为非零意味着踩下了油门踏板。但我们知道,刹车踏板拥有更高的优先权,这怎么可能?

为了回答这个问题,我们来通过画图,理解到底发生了什么。

  • 驾驶员的脚可以踩在制动踏板上,也可以踩在油门踏板上,而不是同时踩两个踏板——这是一个XOR函数关系。

  • 从EDR数据上看,踩下制动踏板产生了0.5g的负加速度,该加速度由纵向加速计记录。

  • 此后,制动调节器中的EDC/MSR算法也检测到负加速度,在检查有缺陷的制动灯开关后,它将负加速度解释为驱动电机的阻力扭矩。由此,它向驱动电机发出了一个请求,要求电机施加正转矩,以抵消负阻力转矩。

  • 该请求通过CAN总线发送到驱动电机控制系统中车辆扭矩命令生成功能的VSC输入,在那里,它成为驱动电机扭矩图的正扭矩请求。

以上回路解释了从刹车到加速的逻辑,现在我们来思考另一个关于油门踏板的问题:

如果驾驶员从未踩下油门踏板,那么为什么EDR数据显示在这起事件中踩下了油门踏板?

  • 果我们认为来自位置1的非零油门踏板数据是正确的,从而导致我们认为油门踏板被踩下,我们无法解释纵向加速计记录的0.5g负速度是如何产生的——这是观察到的事实。

  • 如果EDR油门踏板的数据是非零的,但油门踏板没有被踩下,我们就需要解释油门踏板非零的数据是从哪里获取的。

对于后面的这一点来说,我们可以诉诸于这样一种解释——至少有两种情况会产生非零的油门踏板数据:

  • 踩下油门踏板(图上的位置1)

  • EDC/MSR功能发出正扭矩指令(图上的位置2)

有这样一种可能——油门踏板数据实际上是从图中的位置2获得的,而不是位置1。

位置2完全符合NHTSA关于EDR油门踏板百分比数据来源的规定,因为该法规允许为内燃机中的油门踏板百分比数据记录油门踏板位置数据或油门位置数据。如果事件中EDR油门踏板数据的来源来自2号位置,则本事件中EDR油门踏板数据与向加速度计数据将不存在矛盾。

问题八:当加速计数据和特斯拉基于高分辨率日志数据的分析结论均证实ABS系统确实介入,EDR数据为何显示ABS系统未介入?

答:术语“ABS系统”可以有两种含义。

  • 广义上:它指ESP hev II模块及其在第四节中列出的所有初始功能。

  • 狭义上:它仅仅指ESP hev II模块中包含的功能之一,即ABS功能,该功能可产生制动力的开/关调节,以防止出现打滑时车轮抱死。

猜测相信后一种含义适用于由EDR系统记录的ABS活动。

如果是这种情况,则表明“ABS系统”未能介入的EDR数据是正确的,这意味着带ON/OFF的ABS算法没有激活。

然而,ESP hev II模块的其他功能仍然可以被激活,例如ESC功能、EDC/MSR功能以及可能的转弯制动控制(CBC)功能。ABS系统的警告灯是否出现是一个有趣的信息——但这对于理解这次事件中发生的事情并不重要。更重要的是,在此事件中,有三个ESP hev II模块功能激活。

我们现在已经回答了EDR数据提出的所有问题。

这个推理仅使用了一个假设:刹车灯开关的缺陷。导致ESP hev II模块中的EDC/MSR功能对遇到的负加速度的来源做出了错误的判断,导致EDC/MSR功能向驱动电机发出一个请求,以获得较大的正扭矩。

这一假设得到了以下两个观点的支持:

  • EDR数据显示,尽管驾驶员坚称她确实踩下了制动踏板,特斯拉基于高分辨率日志数据的分析与驾驶员证词一致。

  • 过去十年中,几乎每家制造商都在召回缺陷刹车灯开关,影响了几十万辆乘用车。如果对我们最初的突然加速事件的解释是正确的,它也应该解释其他特斯拉的突然加速事件。

现在让我们看看其他特斯拉突然加速事件的描述,看看我们的解释是否也适用于这些案例。

其它突发加速事件回顾

去7年中,NHTSA接到了102起特斯拉突然加速事故的报告——这些事件是从一份关于特斯拉突然加速的集体诉讼的法律摘要中获得的,该诉讼于1月20日提交给加利福尼亚州一家名为Lee v.Tesla Inc.的法庭。

事故大概分为三类:

  • 停车时减速或转弯离开停车位置时发生的事故(70起)

  • 从静止位置发生的事故(27起)

  • 高速事件(5起)

第一类中的描述与本文的案例最为相似,它们都涉及到司机在转弯时减速准备:

  • 在垂直停车位停车

  • 在进入车库前驶入车道

  • 在环形街道上转弯

  • 在街角转弯

在所有这些情况下,驾驶员的脚应该离开油门踏板,准备在转弯过程中踩下制动踏板,并在接近转弯结束时实际踩下制动踏板。因此,本文的解释应该适用于所有的第一类案例,占特斯拉突然加速案例的70%。

同样的解释也适用于Model S,Model X以及Model 3,因为这三款车型都使用相同的Bosch制动系统,驱动电机控制器采用相同的特斯拉的设计。

然而,如果我们后两类的描述,就会发现它们与我们所解释的事件不同——它们包括转弯时不减速,以及从静止位置或高速行驶时出现。

因此,我们的解释不应适用于这两类事故,这两类事故占特斯拉事故总数的30%。因此,特斯拉汽车突然加速的原因可能不止一个。

在第三类的情况下,一个可能的原因是自动驾驶软件的某些故障,自动驾驶软件可以使用巡航控制路径来增加驱动电机的扭矩,而无需驾驶员干预。

对于第二类事故,怀疑其他一些制动功能可能会影响驱动电机的扭矩,并使用相同的电气路径,从制动系统到车辆扭矩指令生成功能的ESC输入,再到驱动电机扭矩Map图。

例如,制动系统中的自检功能可能会向电机扭矩Map图生成错误的扭矩请求信号。当车辆静止且没有脚踩在制动踏板上时,可能会执行这种自检功能。但是,如果有故障的制动踏板开关误报没有脚踩在制动踏板上,也可能发生这种情况。

综上所述,我们对这起事件中的突然加速的解释可能适用于特斯拉70%左右的突然加速事件,这是一个还不错的结果。但还需要进一步的工作来解释剩下的30%。

当然,这里还有个更一般的思路,就是了解每辆车采用的制动系统,以此了解其它电动车是否会出现突然加速。

这样做的愿意在于,我们指出,突然加速的原因在于制动系统的EDC/MSR功能,以及它是被刹车灯开关的故障而不是驱动电机控制系统的故障所迷惑。因此,如果其他电动汽车使用相同的博世制动系统,我们预计其他电动车也会发生类似的突然加速事件。

结果令人吃惊!

如今市场上,几乎每一款电动车都使用了带有博世ESP hev II制动模块的博世iBooster,这与特斯拉使用的博世制动系统完全相同。

这并不奇怪,因为博世iBooster比传统的真空制动具有更低的车辆装配成本。博世ESP hev II模块可在车辆制造商编写的软件控制下,更好地混合摩擦制动器和再生功能。

博世通过在中国、墨西哥和德国的工厂为他们的制动系统打开了全球制造能力,2000多名Bosch的工程师可在整车厂工作,以确保制动系统的成功集成。与此同时,由于与世界市场重组相关的投资问题,TRW/ZF等其他制动系统供应商推迟了对电动汽车的供应。

此表还显示了额外的两个信息:

  • 后轮驱动(RWD)、前轮驱动(FWD)或前后轮驱动(AWD)

  • 是否发生过突然加速事故

之所以包含驱动轮信息,是因为人们相信:与前轮驱动(FWD)的车辆相比,具有后轮驱动(RWD或AWD)的车辆更可能使用EDC/MSR功能。

这一观点似乎是正确的,因为迄今为止唯一发生过突然加速事故的电池车(BeV)是后轮驱动(后轮驱动或全轮驱动)。一些带前轮驱动(FWD)的混合动力PHEV车辆发生了突然加速事件,但这可能是PHEV中的发动机导致的,而不是制动系统。

因此,该表显示,所有电池供电的电动汽车(BeV)都容易受到突然加速的影响,前提是它们有:

  • Bosch制动系统

  • 后轮驱动或全轮驱动

  • 制动灯开关有缺陷

让我们来看看满足这些条件的突然加速事件。

这里有一辆宝马i3撞到了墙上。

这起事件发生在2019年8月11日,檀香山近郊的Kiamuki购物中心。虽然没有司机提供关于这起事件的证词,但从照片上可以清楚地看到发生了什么。司机正试图把车停在一个垂直的停车位上,准备去超市购物。

停车位在超市门口附近。当驾驶员转弯90°后驶入停车位时,车辆的驱动电机加速。宝马i3和很多特斯拉一样都有一个后驱马达,这一事件开篇的第一类突然加速事件吻合。

新闻文章提到,这是最近第二起宝马i3在该地区发生的此类事件。

第三个宝马i3突然加速的案例是由一位名叫Alexandra Briseno的女士提供:

“2016年8月21日,我在家乡加利福尼亚州购买了一辆宝马i3。2016年8月21日至2017年5月7日,我们经历了3次突然加速。“这三次都发生在汽车完全停止前的几秒钟。

第一件事发生在我丈夫试图把车停在我们的车道上。

第二次事故发生时,我正要在红绿灯处完全停车。

第三次事故发生时,我正把车停在路边。这个事故是很可怕的,因为突然加速让我的车:

  • 与我的SUV相撞——幸运的是没有明显的损伤,因为我撞到了SUV的轮胎

  • 然后撞到路边,越过去

  • 最后在离我丈夫和我们的小狗几英寸远的地方停了下来

这三起宝马i3事件再次表明,他们与第一类突然加速事件一模一样。

然而,宝马i3驱动电机控制系统使用的硬件和软件与特斯拉驱动电机控制系统完全不同。这有力地证明了宝马i3事件是由博世制动系统引起的——制动系统在特斯拉和宝马i3车型上是相同的。

下面,我们还将引述两篇由一位经验丰富的汽车专栏作家撰写的短文,他讨论了宝马i3的再生系统,读者可以将其与第六节和第七节中特斯拉的讨论相比较。

与宝马i3陪伴:2000英里后——不喜欢》,Tom Moloughney,2014年6月23日

再生制动没有那么激进。在我开始抱怨之前,让我说,我几乎开过每一款现代电动车和插电式混合动力车,我相信宝马i3拥有市场上最好的再生制动系统。Telsa可能排在第二位,而Volt,当在低模式下行驶时,排在Model S的后面。

宝马把i3上的再生系统“回拨”了一点,与ActiveE相比可能在10%左右。从来没有开过ActiveE或MINI-E的人不会理解我在抱怨什么,因为i3的再生制动仍然很强劲和平稳。它可以在不使用摩擦刹车的情况下让汽车停下来,速度比任何其他电动车的再生制动系统都要快。

不过,我还是喜欢它更加强劲,就像在ActiveE和MINI-E上一样。我想再生制动就像咖啡一样。有些人会喜欢加奶油的金色烤肉,而另一些人则喜欢黑色的深色烤肉。请给我尽可能强的再生。我向宝马建议他们提供不同的再生设置,让客户决定他们喜欢它的强度,但这并没有影响到i3。它还是很好的,在减速的时候可以无缝的整合。我只希望它再强一点。

当我在我家附近的道路转弯处行驶时,再生制动脱离。由于道路也在下坡,我发现我不得不使用摩擦制动器来防止下坡加速。我以前在开我的MINI-E或ActiveE的时候不必这么做,因为这两种车都可以让再生制动系统在这样的转弯时阻止汽车前进。

急转弯时再生制动分离。我对再生制动的第二个抱怨有点惊讶。在攻弯时,再生有时会脱离,这会给人一种汽车实际上正在加速的感觉。当然它没有,除非你要下坡,但当你处于完全再生状态时,它突然脱离,感觉就像是汽车在加速,而实际上它并没有因为再生制动而减速。

在MINI-E和ActiveE项目上,我亲自和很多人交谈,他们联系我,问我的车是否突然冲了过来。不过,这些车的情况却不同。如果再生制动系统正在工作,而汽车撞上了凹坑或隆起物,导致车轮失去牵引力,牵引力控制系统将断开再生系统,以防止失去控制。

当这种情况发生时,驾驶员会有突然加速的感觉,尤其是下坡时。如果你不明白发生了什么事,这会让你感到不安。通常情况下,车主会把车送到经销商处进行维修。经销商会仔细检查,没有发现任何问题,然后把它还给他们。

沮丧的是,许多司机随后联系我,询问是否有人投诉过这种突然加速的问题。在解释了他们到底发生了什么之后,他们明白了发生了什么。我也要提醒他们,当他们使用再生减速时,要时刻准备好踩下摩擦制动器,尤其是当他们减速时接近前面的汽车时。

宝马确实改善了整个牵引力控制/再生制动系统的通信,当轮胎在再生制动过程中失去牵引力时,i3的表现比MINI-E或ActiveE要好得多。

然而,它现在在转弯时脱离,而且它的前任从来没有这样做过。

我可以通过它的工作原理来判断它不是我系统中的一个缺陷。它是故意这样做的,也许是为了防止薄轮胎失去牵引力时,通过艰难的转弯。同样,只要你知道它会发生,并且你准备好在必要时使用摩擦制动器,这不是问题。

我发现这种情况大多发生在我走高速公路出口匝道时,在公路立交桥下盘旋而下。似乎我的行驶速度加上急转弯太快了,牵引力控制系统会先发制人地切断再生,以防止牵引力损失。

我相信这是经销商需要和客户沟通的东西。如果车主没有准备好安全问题的话。就像MINI-E和ActiveE一样,我相信会有客户认为自己的车出了问题,会把车送到经销商处维修。就像我肯定会发生的一样,我相信服务部门不会知道客户在说什么,会告诉他们他们检查过了,车子还不错。除非服务经理碰巧看到了这篇文章。

颠簸和转弯时脱离再生制动的问题在i3运动版当中修复了。在i3运动版中,宝马改进了i3的牵引力控制系统,声称现在i3的速度是以前的50倍。我不知道如何量化速度快50倍的说法,但我绝对能感觉到两者的区别,而且绝对好得多。

如果我在前面的路上失去了牵引力,我的再生系统就会断开。显然,如果牵引力控制系统检测到任何类型的打滑,它将关闭再生制动,从而不会失去完全控制。这会给i3车主一种感觉,如果他们撞上撞到的隆起物时没有加速或滑行,汽车实际上是在加速。

我个人不得不解释很多i3车主的遭遇,因为他们认为他们的车出了问题。此外,由于牵引力控制系统将起到防止打滑的作用,汽车将逐渐降低弯道上的再生制动水平。当我以高速的速度在出口匝道上行驶时,如果转弯很急,我的车会完全失去再生制动。

我的i3运动版不会这样。当我越过颠簸路面,瞬间失去一些牵引力时,以及当汽车高速转弯时,再生制动仍保持激活状态。

从这些文章当中,读者可以看到,在宝马i3的行为很像特斯拉。我们现在知道,这种再生脱离行为是Bosch制动系统的产物,而不是不同的驱动电机控制系统。

读者还可以从突出显示的文本中看到(黑色粗体下划线部分),由于制动灯开关在这种情况下工作正常,所以EDC/MSR功能正在正常工作,以降低转弯中的再生。

然而,电动车并非是唯一的重灾区,实际上,内燃机车也有这样的风险。

Bosch ESP hev II模块最初就是为装有内燃机的车辆设计的模块的第九个版本。电动汽车在它的基础上进行了改进,——更换了两个液压阀,可能还增加了一个电控柱塞机构,但防滑控制功能保持不变。

因此,这些防滑控制功能,特别是EDC/MSR功能,在内燃机车辆中的工作方式与在电动车中的相同——不管阻力是由发动机提供还是由发电机提供。

如果EDC/MSR功能在发生打滑时检测到阻力,它将向内燃机发送请求,以增加其扭矩,以减小阻力扭矩,从而减少车轮打滑并保持车辆稳定。这就是EDC/MSR功能的工作原理。

如果制动踏板的制动力有缺陷,发动机会发出一个轻微的减速请求,但发动机会发出一个制动压力信号。结果是,当驾驶员踩下制动踏板时,车辆将加速,驾驶员将其理解为突然加速。

不幸的是,当司机试图向其他人解释这种不寻常的情况时,他们总是指责他“踩油门踏板而不是踩刹车踏板”。这种指控在法庭上尤其有效,因为制造商的律师告诉法官和陪审团,车辆加速的唯一方法就是踩油门踏板。所以司机一定是糊涂了。

内燃机汽车最容易受到这种突然加速机制的影响是后轮驱动的车辆,它包括几乎所有的皮卡和豪华轿车,但也有一些运动型车,比如双门轿跑车。

如果读者仍然难以相信EDC/MSR功能会导致内燃机上车辆突然加速,请他阅读作者的一篇文章——题为“Unintended Acceleration with a Confirmed Cause – Smaller Tires in Front”,这篇文章提到了,加速是由相同的EDC/MSR功能引起的。

问题复现测试建议

纯的逻辑推演虽然已经有了海量的证据支持,但毕竟不是实证逻辑。为了确认失效模式,必须要进行问题复现。

在丰田的UA调查当中,计算机上只能看到软件BUG的局部推演,无法真实地模拟整车环境,并最终了解汽车的失控行为——只有在整车环境下,才能够弄清楚故障是如何影响车辆行为的。

因此在丰田的调查当中,曾人为地向汽车注入特定的软件故障(Fault Injection),来精确地制造此前锁定的故障模式,然后观察汽车在既定策略下的行为,以证实BUG与UA加速的因果关系。

回到特斯拉的案例当中,特斯拉并没有像丰田一样,给予了必要的调查支持。但这并不影响我们对复盘的实验方法给出建议。

在此,Belt给出了他的测试建议:

如果发生突然加速事件,驾驶员声称车辆在其脚踩下制动踏板时加速,则应进行以下试验:

  • 检查OBDII端口,查看是否为制动灯开关故障设置了任何故障诊断码。

  • 查看EDR摘要,查看ABS警告灯在事件发生期间是否熄灭。ABS功能很可能是由于刹车灯开关故障而关闭的。

  • 测试制动灯开关的电气操作是否正常。

  • 如果车辆仍然完好无损,则以事故发生时的相同方式操作车辆,看看是否可以再现突然加速。

如果在停车测试车辆之前,试图通过使制动灯开关出现故障来诱导未经历突然加速的车辆突然加速。但请注意,制动功能测试中的某些功能可能与测试不兼容,可能需要多进行一些试验才能产生正确的故障。

总结

辆安全不是“蛮力”测试出来的,有太多运行条件的组合,太多的时序组合,在测试过程中不可能穷尽每一种组合并寻找故障,在工程实践里“可验证的绝对安全“是个伪命题。

大量的测试数据并不能证明安全本身,安全的系统是要打通底层的硬件设计,软件设计,从模型和架构上进行通盘考虑的,让设计和试验验证两个支柱形成闭环。

与其说系统存在缺陷,不如说现代电控系统的复杂性,使得人们忽视了驾驶者的感受和逻辑。

丰田UA加速问题对自然逻辑的疏忽是:松开加速踏板的时候,节气门也要关闭。丰田没有将这个自然逻辑正确地移植到ETCS系统当中——这是引发丰田UA的元凶。

尽管还缺少复盘的环节,但显而易见,特斯拉UA加速问题对自然逻辑或许存在疏忽。这里被忽视的逻辑是:过度设计并缺乏仔细审查的电子稳定程序具备很高的权限,凌驾于驾驶员直觉性的驾驶反应和操作之上。

失败的代价历历在目,历史不容忘却。

回顾全文,Belt通过分析了特斯拉突发加速度事件的EDR资料。

为了解释EDR数据,对特斯拉的驱动电机控制系统和制动系统的运行情况进行了检查。

正如预期的那样,摩擦制动和再生制动完全分开。然而,制动系统还包括一些车辆稳定性控制功能,这些功能在车轮打滑时会对再生制动产生深远影响,例如在经过颠簸和转弯时关闭再生功能。

如果再生导致后驱动轮打滑,从而导致转向过度或转向不足,其中一种称为电子牵引控制(EDC/MSR)的打滑控制功能甚至会导致驱动电机加速。相同的打滑控制功能可能会被故障的制动灯开关误导,从而混淆制动诱导的减速和再生诱导的减速。

在这种情况下,当驾驶员更用力地踩下制动踏板时,会产生更大的正向电机转矩。据信,这是在考虑的事件中突然加速的原因。

为了验证这一机制是否能解释特斯拉的其他突然加速事件,Belt研究了国家公路交通安全管理局的联系报告。研究发现,超过70%的特斯拉突然加速事故都可以用这个原因来解释。

特斯拉和非特斯拉车辆的制动系统之间的相似性进一步表明,这一原因可以解释后轮驱动(RWD)或全轮驱动(AWD)的非特斯拉电动车中的许多突然加速事件。最后,得出结论:如果刹车灯有缺陷,装有内燃机和后轮驱动的车辆很容易因此而突然加速Belt还给出了复现试验车辆故障的建议

 

特邀撰稿徐鸿鹄
作者微信honghu967935
作者简介:现就职于某德汽车材料工业集团,负责汽车底盘电控产品开发与项目管理。
「几何四驱」已入驻「知识星球」
我们希望可以用“知识”搭建一座“城邦”,
只为专注服务人群中2%的终身学习者!
真诚期待你的加入!
 

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本篇文章来源于微信公众号: 几何四驱

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About The Author
徐鸿鹄
机械工程自动化工学学士 现就职于某德国顶级汽车供应商,负责电动助力转向系统应用项目的开发与管理。三年产品设计,八年技术项目管理经验。机器人和无人车领域两年机器学习算法实战经验,重点研究领域:底盘和无人车控制技术,功能安全。喜爱推理和写作,关注物理学(量子引力),统计学和科学哲学,乐于使用物理学思维和工具解决工科的问题。
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