Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP

Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP

Một trang thiết bị đang trở thanh tiêu chuẩn tối thiểu cho một mẫu xe cao cấp, và dần được trang bị trên hầu hết các mẫu xe hiện đó chính là hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program).

Trong suốt quá trình điều khiển xe, mọi hoạt động đều được cảm biến ghi lại và truyền về liên tục cho hệ thống điều khiển trung tâm, để so sánh với những chương trình đã tính toán từ trước. Nếu đột nhiên có hiện tượng bất thường xảy ra như xe đi chệch quỹ đạo ở tốc độ cao hay vào cua bị phanh gấp thì ngay lập tức hệ thống ESP sẽ hoạt động theo những chương trình đã được cài đặt. Lúc này cơ cấu điều khiển thủy lực trong hệ thống sẽ thông qua chương trình điện tử can thiệp vào hệ thống chống bó cứng phanh ABS, nhằm điều chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe sao cho cân bằng với góc trượt quán tính của xe. Ngoài ra cơ cấu này sẽ tự động giảm công suất tức thời động cơ điều khiển giảm tốc độ vòng quay tại các bánh đến khi bánh xe đủ độ bám đường cần thiết, đưa xe về vùng làm việc an toàn. Nhờ vậy mà xe không thể bị chệch hướng đột ngột hay lật xe.

Đôi nét về sự phát triển của hệ thống cân bằng điện tử ESP

Hệ thống cân bằng điện từ xuất hiện lần đầu tiên trên 2 chiếc xe của BMW năm 1995, đó là 750iL và 850Ci với động cơ trang bị trên xe là 5.4L V12. Hệ thống cân bằng điện tử này lấy tên là DSC (Dynamic Stability Control) và được sản xuất bởi Bosch - một hãng nổi tiếng trong lĩnh vực thiết bị cơ khí và điều khiển điện tử của Đức. Hệ thống được trang bị cảm biến tại các bánh xe với tấn số 50 lần mỗi giây.

Một năm sau khi hệ thống cân bằng điện tử ra đời, Mercedes-Benz cũng bắt đầu ứng dụng công nghệ này lên mẫu xe của mình và lấy tên là ESP. Mẫu xe đầu tiên của Mercedes-Benz lắp đặt hệ thống cân bằng điện tử là S600. Cũng giống như BMW, Mercedes chọn đối tác cung cấp hệ thống là Bosch và tự mình đưa ra những quy định về những ngưỡng giá trị tối đa trước khi hệ thống ESP hoạt động. Nhưng một điểm nổi bật hơn trong hệ thống ESP của Mercedes là khả năng nhanh chóng lấy lại vị trí ổn định của xe sau khi ESP hoạt động.

Năm 1997, Cadillac công bố hệ thống cân bằng điện tử của mình với cái tên STS (StabiliTrak stability). Giống như hệ thống của BMW và Mercedes, Cadillac sử dụng 3 vị trí cảm biến, đó là cảm biến góc lái, cảm biến hướng của xe và cảm biến tốc độ bánh xe. Năm 1998, Lexus đưa ra cái tên VSC (Vehicle Stability Control) cho hệ thống cân bằng điện tử của mình. Ngoài việc trang bị các cảm biến như Cadillac hay Mercedes, Lexus lắp thêm cảm biến đo áp suất phanh nhằm phối hợp với hệ thống phân bổ lực phanh EBD, giúp xe đạt trạng thái ổn định nhất.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP

Nguyên lý hoạt động như sau: trong quá trình chuyển động, nếu hệ thống ESP phát hiện được tình trạng xe bắt đầu bị mất lái (rõ rệt nhất khi vào cua) thì ESP sẽ làm việc bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh để giảm ngay vận tốc xe. ESP có thể ra lệnh cho hệ thống phanh hoạt động riêng rẽ trên một hoặc nhiều bánh xe trên cầu trước hoặc cầu sau. Nhiệm vụ chính của hệ thống ESP chính là giúp ổn định xe khi phanh, khi xe vào cua và ngay cả lúc xe mới khởi hành và tăng tốc. Tuy nhiên, để hiệu quả khi hoạt động, hệ thống ESP cũng tác động đến cả động cơ và hộp số.

Xét về bản chất, ESP là một “hệ thống tổng” bao gồm các hệ thống “cấp dưới” như sau

Hệ thống cân bằng điện tử ESP

Hệ thống phanh ABS là hệ thống chống bó cứng xe khi phanh, nó có tác dụng lớn nhất là giảm thiểu tối đa hiện tượng mất lái khi người lái vừa phanh vừa tránh chướng ngại vật ở tốc độ cao. Nếu cảm biến bánh xe phát hiện thấy hiện tượng trượt trên bánh nào thì áp lực phanh trên bánh đó sẽ được giảm. Sự kiểm soát này thông qua ECU điều khiển và cơ cấu thừa hành gồm một hệ thống van điện từ. Các van trong cơ cấu thừa hành sẽ điều hòa áp suất phanh của bánh trị trượt theo các chế độ: tăng, giữ và giảm áp.

Hệ thống ASR (Acceleration Slip Regulator) được trang bị trên xe hơi nhằm chống hiện tượng trượt quay của các bánh xe chủ động khi xe khởi hành và tăng tốc đột ngột. Thêm một nhiệm vụ chính yếu của ASR là giúp xe cải thiện tính ổn định bằng cách điều chỉnh lực kéo của các bánh xe chủ động. Trong quá trình khởi hành, tăng tốc… nếu ASR phát hiện thấy bánh xe chủ động nào bị trượt quay, cảm biến tốc độ của bánh xe sẽ gửi tín hiệu này đến bộ ECU. “Bộ não” ECU sẽ ra lệnh cho hệ thống phanh tác động vào bánh xe và làm giảm việc quay trơn vô ích. Trong đó, áp suất phanh được liên tục điều khiển theo chu kỳ ở các chế độ tăng áp, giữ áp và giảm áp.

Đồng thời, hệ thống ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ để đóng bớt bướm ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa nhằm giảm mô-men xoắn của động cơ.

1 – Cảm biến tốc độ bánh xe; 2 – Giắc chẩn đoán; 3 – Hộp điều khiển điện ESP; 4 – Công tắc ESP OFF; 5 – Đèn báo ABS; 6 – Đèn báo ESP; 7 – Đèn báo EPC (E –gas) 8 – Cảm biến gia tốc ngang; 9 – Hộp điều khiển làm trễ mômen động cơ; 10 – Đèn báo lỗi ESP; 11 – Cảm biến góc lái; 12 – Công tắc báo phanh; 13 – Bơm cung cấp ESP; 14 – Công tắc phanh đậu xe; 15 – Cảm biến áp suất xy lanh chính; 16 – Xy-lanh chính; 17 – Cơ cấu thừa hành thủy lực ESP.

Hệ thống EBR (Engine Brake Regulation) có tác dụng chống hiện tượng trượt của các bánh xe chủ động hoạt động ở chế độ không tải cưỡng bức và đảm bảo tính ổn định của xe. Ở chế độ không tải cưỡng bức như trường hợp xe xuống dốc, van bướm ga đóng, khi đó xe xuống dốc ở chế độ phanh bằng động cơ. Nhưng nếu xảy ra trường hợp lực cản của động cơ quá lớn dẫn đến hiện tượng các bánh xe chủ động bị trượt. Ngay lập tức, ESP nhận biết hiện tượng này và gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ nhằm làm giảm sự trượt ở các bánh xe chủ động. Quá trình này diễn ra mà người lái xe không nhận biết được.

Với sự phối hợp của các hệ thống cơ điện tử trên, chức năng chính của ESP là giảm thiểu hiện tượng “văng đầu” (understeering) và “văng đuôi” (oversteering) khi xe vào cua hoặc tránh chướng ngại vật trong trường hợp khẩn cấp. Trong các tình huống đó nếu xảy ra, hệ thống sẽ đảm bảo xe không bị lệch ra khỏi hướng điều khiển của người lái xe.

Để nhận biết được việc xe bị lệch quỹ đạo, ESP phải có thêm các cảm biến góc lái, cảm biến gia tốc ngang. Nếu phát hiện thấy hiện tượng xe chệch khỏi quỹ đạo, ESP tự động điều khiển lực phanh chính xác đến các bánh xe tương ứng để bảo đảm xe nằm trong tầm kiểm soát của người lái.

Hệ thống ESP sẽ nhận biết thông qua các cảm biến góc lái và cảm biến gia tốc ngang, tự động điều khiển một lực phanh chính xác đến các bánh xe tương ứng ở cầu trước hoặc cầu sau để duy trì hướng chuyển động của xe theo sự điều khiển của người lái.

Hệ thống cân bằng điện tử ESP

Hình bên trái cho thấy khi xe có xu hướng bị “văng đầu” thì ESP điều khiển phanh bánh xe sau trái, còn khi xe có xu hướng “văng đuôi” (hình bên phải) thì ESP điều khiển phanh bánh xe trước phải, nhờ vậy giúp cho xe ổn định khi quay vòng.

Đồng thời với việc điều khiển phanh,  ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ, điều khiển giảm bớt mô-men xoắn của động cơ. Nhờ vậy xe đạt được tính ổn định cao khi quay vòng. Ngoài ra, các dòng xe hiện đại ngày nay, ESP còn can thiệp vào cả hộp số nhằm tạo ra tính ổn định rất cao khi xe vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau.

Hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP
Hệ thống cân bằng điện tử

Khi điều khiển xe trong điều kiện không thuận lợi như trời mưa, đường trơn trượt... sẽ rất nguy hiểm nếu người lái bị mất kiểm soát tay lái. Các nhà sản xuất xe hơi đã tìm ra giải pháp, đó là hệ thống cân bằng điện tử.

Hệ thống cân bằng điện tử là gì?

Hệ thống cân bằng điện tử ESC là một trong những giải pháp an toàn chủ động quan trọng bên cạnh hệ thống chống bó cứng phanh ABS, phân bổ lực phanh điện tử EBD và hệ thống chống trượt TCS… Mỗi khi người lái mất kiểm soát tay lái, ESC sẽ tác động lên hệ thống phanh giúp điều chỉnh lại hướng lái, đồng thời tự động giảm công suất động cơ giúp người lái có thời gian giành lại quyền kiểm soát xe. ESC không chỉ làm việc khi xe vận hành trên đường ẩm ướt hay băng giá mà còn hoạt động tốt khi xe tăng tốc, vào cua. Yếu tố cốt lõi của ESC giúp phát hiện nguy cơ trượt bánh xe trước khi điều này trở thành mối de dọa thực sự.

Có nguyên lý hoạt động tương tự, nhưng mỗi hãng xe lại đặt tên riêng biệt cho hệ thống cân bằng điện tử

Công nghệ đằng sau ESC xuất hiện lần đầu tiên trên xe Mercedes-Benz vào năm 1987 với nguyên bản là hệ thống kiểm soát độ bám đường. Từ đầu những năm 1990 đến nay, công nghệ này đã được nhiều nhà sản xuất ô tô khác chú trọng phát triển và ứng dụng trên hầu hết các mẫu xe. Nguyên lý hoạt động giữa các hệ thống khá tương tự nhau, nhưng mỗi hãng lại có một tên gọi riêng biệt dựa trên chức năng và nguyên lý hoạt động, có thể gọi chung là hệ thống cân bằng điện tử:

Hãng xe	Tên gọi	Viết tắt	Tên tiếng Việt
Toyota	Vehicle Stability Control	VSC	Hệ thống điều khiển độ ổn định
Honda, Acura	Vehicle Stability Assist	VSA	Hệ thống hỗ trợ ổn định
Ford	Electronic Stability Control	ESC	Hệ thống điều khiển ổn định điện tử
Mercedes-Benz, Audi, Volkswagen, Hyundai	Electronic Stability Program	ESP	Chương trình ổn định điện tử
Infiniti, Nissan, Alfa Romeo	Vehicle Dynamic Control	VDC	Kiểm soát động lực học
BMW, Mazda, Jaguar, Land Rover	Dynamic Stability Control	DSC	Hệ thống điều khiển ổn định động học
Porsche	Porsche Stability Management	PSM	Hệ thống kiểm soát ổn định Porsche

Cấu tạo của hệ thống cân bằng điện tử

ESC được cấu thành từ 5 bộ phận chính, tín hiệu từ các cảm biến gia tốc ngang ở thân xe, cảm biến tốc độ ở các bánh xe và góc đánh lái… được thu thập để xác định trạng thái chuyển động thực tế. Khi truyền tới bộ vi xử lý điều khiển trung tâm, máy tính sẽ so sánh kết quả với góc quay vô lăng, từ đó đưa ra các lệnh điều khiển phanh hoặc giảm công suất giúp xe nhanh chóng trở về trạng thái theo đúng ý muốn của người lái.

Cấu tạo của hệ thống cân bằng điện tử trên ô tô

Hệ thống cân bằng điện tử sử dụng mô đun điều khiển thủy lực tương tự ABS, nhưng ngoài tác dụng kiểm soát hoặc giảm áp suất dầu phanh tác động lên xi lanh, bộ phận này còn có thể làm tăng áp suất dầu vào khu vực cần thiết khi có yêu cầu tạo ra lực phanh chênh lệch giữa các bánh. Về nguyên tắc, hoạt động của ABS và ESC không thể tách rời nhau, ABS cho phép ESC phanh độc lập trên từng bánh một cách hiệu quả. Tuy nhiên, hệ thống cân bằng điện tử làm việc hoàn toàn tự động khi có sự sai lệch giữa góc đánh lái và góc quay thân xe, còn hệ thống chống bó cứng phanh hoạt động chỉ khi người lái đạp phanh và bánh xe có nguy cơ bị bó cứng.

Mô phỏng mối liên hệ giữa ESC, ABS, EBD và TCS

Ngoài ra, ESC còn gắn bó mật thiết với hệ thống chống trượt TCS và phân phối lực phanh điện tử EBD. Nếu ABS làm nhiệm vụ điều khiển quá trình phanh hãm xe (theo chiều dọc), TCS điều khiển lực kéo khi xe tiến về phía trước (theo chiều dọc), EBD điều khiển lực phanh tại mỗi bánh xe thì ESC có chức năng kiểm soát độ cân bằng và ổn định của xe khi xảy ra hiện tượng bị văng đuôi, trượt ngang lúc vào cua hoặc do đánh lái đột ngột ở tốc độ cao.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử

Sự khác biệt khi chiếc xe có và không có hệ thống cân bằng điện tử ESC

Khi xe vào cua ở tốc độ cao mà người lái đánh lái thiếu sẽ gặp tình trạng bị trượt bánh trước (Understeer) khiến xe có xu hướng bị văng ngang ra khỏi cung đường dự kiến, từ đó dẫn đến nguy cơ lật xe hoặc gây tai nạn. Nếu xe được trang bị ESC, khi bắt đầu có xu hướng trượt ngang, cảm biến trượt ngang và góc đánh lái sẽ gửi tín hiệu về hộp điều khiển, dựa vào đó ESC sẽ tính toán và điều khiển thực hiện việc chủ động tạo một lực phanh ở bánh xe phía đối diện với hướng xe bị trượt, có tác dụng như một tâm quay tạo ra mô men bù lại lực trượt ngang, nhờ đó giữ xe ở trạng thái ổn định và di chuyển theo đúng hướng dự kiến.

Hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESC trong hai trường hợp Oversteer và Understeer

Trong trường hợp xe vào cua ở tốc độ cao và đánh lái quá nhiều khiến đuôi xe trượt khỏi hướng lái dự kiến (Oversteer). Khi nhận được thông tin, hộp điều khiển ESC cũng gửi đi tín hiệu điều khiển thực hiện phanh bánh trước theo phía đối diện hướng đuôi xe bị văng, lực phanh tạo thành tâm quay sinh ra mô men bù giữ cho xe ở trạng thái cân bằng và di chuyển ổn định về phía trước theo đúng như mong muốn.

Nếu đường quá trơn trượt, lốp quá mòn hay áp suất hơi không đúng tiêu chuẩn làm giảm khả năng bám đường, hoạt động của ESC có thể bị ảnh hưởng, thậm chí không phát huy tác dụng. Khi ESC làm việc, đèn cảnh báo trên đồng hồ sẽ sáng nhấp nháy. Trên tất cả các mẫu xe có trang bị ESC đều có một công tắc kích hoạt hoặc tạm ngắt chế độ hoạt động, nhưng để đảm bảo an toàn, tốt nhất nên luôn để ở chế độ kích hoạt.

Ngày nay, ESC đã trở thành một tính năng an toàn tiêu chuẩn được chú trong hàng đầu, ngay cả những nghiên cứu của chính phủ nhiều nước cũng chứng minh đường rằng ESC hỗ trợ gia tăng an toàn giao thông đường bộ. Theo Ủy ban an toàn giao thông quốc gia Mỹ (NHTSA), hệ thống cân bằng điện tử giúp giảm thiểu 35% số vụ va chạm, nguy cơ gây tử vong của xe SUV được trang bị ESC thấp hơn 67% so với trường hợp không có, số người tử nạn cũng có thể giảm đi một phần ba nếu tất cả các xe đều có trang bị ESC. Chương trình đánh giá tính năng an toàn trên xe của châu Âu Euro NCAP đã đưa ra thông điệp mạnh mẽ khuyên mọi người nên mua xe có trang bị hệ thống ESC.

Thanh Thủy

Nút bật tắt hệ thống cân bằng điện tử trên xe ô tô 

nút bật tắt hệ thống cân bằng điện tử (ESP OFF) cho phép người lái chủ động tắt hệ thống cân bằng điện tử của xe trong một vài điều kiện mặt đường trơn trượt. Bạn sẽ bấm nút tắt ESP OFF (đèn ESP trên bảng đồng hồ lái sáng) khi di chuyển trong các trường hợp sau:

• Xe bị sa lầy, đi vào đường bùn đất, đường cát lún báng xe bị trượt quay trơn
• Xe đi trong điều kiện đường tuyết (phía bắc)
• Khi muốn Drift xe

  

Chỉ trong những điều kiện di chuyển như trên, bạn mới nên bấm nút tắt hệ thống cân bằng điện tử đi để xe có thể vượt qua dễ dàng. Còn lại trong những điều kiện di chuyển bình thường, luôn luôn để hệ thống cân bằng điện tử hoạt động (đèn ESP tắt) để đảm bảo an toàn vận hành.

Thống kê trang bị cân bằng điện tử của các hãng lớn trên thế giới:

* Acura: Vehicle Stability Assist (VSA)
* Alfa Romeo: Vehicle Dynamic Control (VDC)
* Audi: Electronic Stabilization Program (ESP)
* Buick: StabiliTrak (STS)
* BMW: Dynamic Stability Control (DSC), bao gồm cả Dynamic Traction Control (DTC)
* Cadillac: All-Speed Traction Control & StabiliTrak (STS)
* Chevrolet: StabiliTrak (STS)
* Chrysler: Electronic Stability Program (ESP)
* Dodge: Electronic Stability Program (ESP)
* Fiat: Electronic Stability Program (ESP) và Vehicle Dynamic Control (VDC)
* Ferrari: Controllo Stabilita (CST)
* Ford: AdvanceTrac and Interactive Vehicle Dynamics (IVD)
* GM: StabiliTrak (STS)
* Hyundai: Electronic Stability Program (ESP)
* Honda: Electronic Stability Control (ESC) và Electronic Stability Program (ESP)
* Infiniti: Vehicle Dynamic Control (VDC)
* Jaguar: Dynamic Stability Control (DSC)
* Jeep: Electronic Stability Program (ESP)
* Kia: Electronic Stability Program (ESP)
* Land Rover: Dynamic Stability Control (DSC)
* Lexus: Vehicle Stability Control (VSC)
* Maserati: Maserati Stability Program (MSP)
* Mazda: Dynamic Stability Control (DSC)
* Mercedes: Electronic Stability Program (ESP)
* MINI Cooper: Dynamic Stability Control
* Nissan: Vehicle Dynamic Control (VDC)
* Opel: Electronic Stability Program (ESP)
* Peugeot: Electronic Stability Program (ESP)
* Porsche: Porsche Stability Management (PSM)
* Renault: Electronic Stability Program (ESP)
* Rover: Dynamic Stability Control (DSC)
* Saab: Electronic Stability Program
* Subaru: Vehicle Dynamics Control Systems (VDCS)
* Suzuki: Electronic Stability Program (ESP)
* Toyota: Vehicle Stability Control (VSC)
* Volvo: Dynamic Stability và Traction Control (DSTC)
* VW: Electronic Stability Program (ESP)

Trên đây là tất cả các thông tin về hệ thống cân bằng điện tử ESP. Chúc bạn lái xe an toàn.

Tổng hợp