Hệ thống cân bằng điện tử (ESP): Lịch sử và ứng dụng

ESP - hệ thống cân bằng điện tử, cũng được biết đến với các tên khác như ESC - chương trình ổn định điện tử hay DSC - kiểm soát cân bằng động, là một công nghệ được máy tính hóa nhằm cải thiện sự ổn định của xe bằng cách phát hiện và giảm thiểu trượt quay của bánh (mất khả năng bám đường).

Khi ESP phát hiện sự mất kiểm soát của hệ cơ cấu lái, nó sẽ tự động áp dụng hệ thống phanh để giúp "chỉ đạo" xe đi theo ý người lái muốn. Phanh sẽ hãm tự động cho từng bánh độc lập, chẳng hạn nó sẽ hãm phía ngoài bánh trước để chống thừa lái (oversteer) hoặc hãm phía trong bánh sau để chống thiếu lái (understeer).

Understeer là khi bạn đi vào cua, các bánh trước không ôm cua hoặc ôm cua chậm khiến xe không vào cua đúng quỹ đạo mong muốn, thông thường bạn sẽ trượt thẳng vào một cái cây và đánh "Rầm". Oversteer thì ngược lại, bạn vào cua và đánh lái, phần đuôi xe sẽ quay 180 độ và trở thành đầu xe, bạn quay vòng vòng, sau đó trượt vào một cái cây và đánh "Rầm".
Thường thì oversteer luôn luôn tốt hơn bởi vì dù gì bạn cũng không phải nhìn thấy cái cây mình đâm phải.

Một ví dụ nhỏ về oversteer

Một số hệ thống ESP cũng giảm công suất động cơ cho đến khi phương tiện lấy lại được kiểm soát. ESP không cải thiện khả năng ôm cua của xe mà thay vào đó, nó sẽ giúp giảm nguy cơ mất lái. Theo IIHS - Viện bảo hiểm an toàn giao thông xa lộ và NHTSA - Cục an toàn giao thông xa lộ quốc gia (trực thuộc DOT - Bộ giao thông vận tải) của Mỹ thì một phần ba những tai nạn xe hơi dẫn đến tử vong có thể đã được ngăn chặn bằng các ứng dụng công nghệ.

Lịch sử phát triển

Vào năm 1987, những nhà cách tân đầu tiên của ESP là Mercedes-Benz và BMW đã giới thiệu hệ thống điều khiển lực kéo (TRC) đầu tiên. Hệ thống này hoạt động bằng cách tiến hành hãm độc lập từng bánh xe và điều tiết lượng ga cung cấp để giữ độ bám đường trong khi tăng tốc, nhưng không như ESP, hệ thống này không được thiết kế để hỗ trợ điều hướng.

BMW đã làm việc với tập đoàn công nghệ khổng lồ Robert Bosch GmbH của Đức và Continental Automotive Systems để phát triển một hệ thống giảm mô-men xoắn động cơ để ngăn chặn sự mất kiểm soát phương tiện và áp dụng công nghệ này vào toàn bộ dòng xe BMW 1992. Từ 1987 đến 1992, Mercedes-Benz và Robert Bosch GmbH đã cùng phát triển một hệ thống gọi là Elektronisches Stabilitätsprogramm hay chương trình ổn định điện tử thường được gọi là ESP để kiểm soát trượt ngang.

Tập đoàn GM thì làm việc với công ty Delphi và giới thiệu phiên bản ESP gọi là "StabiliTrak" vào năm 1997 cho các mẫu Cadillac được chọn. StabiliTrak là thiết bị tiêu chuẩn được trang bị trên tất cả xe SUV và xe tải của GM được bán tại thị trường Mỹ và Canada vào năm 2007 ngoại trừ một số phương tiện thương mại và xe cơ quan. Trong khi tên "StabiliTrak" được sử dụng trên hầu hết các phương tiện của General Motors cho thị trường Mỹ thì nhãn hiệu "ESP" lại được sử dụng cho thương hiệu GM ở nước ngoài như Opel, Holden và Saab, ngoại trừ trường hợp của Saab 9-7X vẫn sử dụng tên "StabiliTrak". Phiên bản ESP của Ford, được gọi là AdvanceTrac, đã ra mắt vào năm 2000. Sau đó Ford còn thêm hệ thống kiểm soát chống lật RSC (Roll Stability Control) vào AdvanceTrac lần đầu tiên được giới thiệu trên chiếc Volvo XC90 vào năm 2003 khi Volvo Cars đã hoàn toàn thuộc sở hữu của Ford và hệ thống này hiện đang được lắp đặt trong nhiều mẫu xe của tập đoàn này.

StabiliTrak của GM

Các nhà sản xuất ô tô giới thiệu hệ thống ESP của họ vào năm 1995. Mercedes-Benz, với sự hợp tác của Bosch, là công ty đầu tiên cài đặt hệ thống này trên mẫu W140 S-class. Cùng năm đó, BMW ra mắt thiết bị này nhờ vào Bosch và ITT Automotive (sau này được mua lại bởi Continental Automotive Systems). Rồi đến Volvo Cars bắt đầu đưa ra phiên bản ESP của họ được gọi là DSTC vào năm 1998 trên mẫu xe S80. Hệ thống kiểm soát cân bằng xe của Toyota (VSC) cũng xuất hiện trên chiếc Crown Majesta vào năm 1995 (đến năm 2004, cũng trên chiếc Crown Majesta, Toyota ra mắt hệ thống VDIM). Trong khi đó các nhà sản xuất khác cũng tiến hành nghiên cứu và phát triển hệ thống của riêng mình.

DSTC trên chiếc S60 của Volvo

Trong một bài thử nghiệm tránh chướng ngại vật (moose test) hay còn gọi là "Elk test" ở Đức, chiếc Mercedes A-class (không có ESP) được lái bởi nhà báo Thụy Điển Robert Collin của tờ Teknikens Värld (Thế giới Công nghệ) vào tháng Mười năm 1997 đã lật tại vận tốc 78 km/h. Vì lý do an toàn nên Mercedes-Benz đã thu hồi và trang bị thêm hệ thống ESP cho 130.000 chiếc A-class. Việc này đã giảm thiểu đáng kể tai nạn và số lượng xe được cài đặt ESP tăng lên. Ngày nay hầu như tất cả các thương hiệu cao cấp đã biến ESP thành một tiêu chuẩn trên tất cả xe của họ, và số lượng các mẫu xe có ESP tiếp tục tăng. Ngay cả một chiếc xe mini như A-class cũng có thể cài đặt ESP đã khiến thị trường có xu hướng làm ESP trở thành một option cho tất cả các mẫu xe. Năm 2009, Liên minh châu Âu đã quyết định rằng hệ thống ESP là bắt buộc phải có trong tất cả các mẫu xe mới kể từ ngày 1 tháng 11 năm 2011 và vào cuối năm 2013, tất cả các mẫu xe cũ  không có ESP đều không được bán ra nữa. Tuy nhiên, một số mẫu xe mới ra vào tháng 11 năm 2011 cũng không có tiêu chuẩn ESP.

Mercedes A-class trong bài thử nghiệm tránh chướng ngại vật năm 1997

Ford và Toyota công bố rằng tất cả các xe của họ tại Bắc Mỹ sẽ được trang bị tiêu chuẩn ESP vào cuối năm 2009 (đây đã là tiêu chuẩn trên Toyota SUV vào năm 2004, và sau các mẫu năm 2011, tất cả xe Lexus, Toyota và Scion đều có ESP, mẫu cuối cùng có tiêu chuẩn này là Scion tC. General Motors đã công bố điều tương tự vào cuối năm 2010. Và Cục an toàn giao thông xa lộ quốc gia Mỹ NHTSA đã yêu cầu tất cả các phương tiện chở khách phải được trang bị ESP vào năm 2012 và ước tính điều này sẽ ngăn chặn 5,300-9,600 vụ tử vong hàng năm một khi tất cả các phương tiện hành khác đều được trang bị hệ thống này.

Hoạt động của ESP

Trong quá trình lái bình thường, ESP hoạt động ngầm và liên tục theo dõi hệ thống lái và hướng xe. Nó so sánh hướng đi dự định của tài xế (được xác định thông qua việc đo đạc các góc vô lăng) với hướng đi thực tế của xe (được xác định thông qua việc đo đạc gia tốc ngang, sự quay quanh trục đứng của xe (sự chệch hướng), và tốc độ mỗi bánh riêng biệt).

ESP can thiệp chỉ khi nó phát hiện khả năng mất lái, tức là khi chiếc xe không đi theo hướng người lái chỉ đạo. Điều này có thể xảy ra, ví dụ khi xảy ra trượt bánh trong trường hợp đổi hướng khẩn cấp, thiếu lái hoặc thừa lái vì khả năng đánh giá mặt đường trơn trượt kém, hoặc do chạy xe trên đường ướt. ESP cũng có thể can thiệp theo cách không mong muốn đối với những xe công suất cao, bởi vì dữ liệu điều khiển đầu vào có thể không phải lúc nào cũng chỉ định hướng đi dự định của xe (ví dụ drifting - kỹ thuật kiểm soát sự trượt văng của ô tô). ESP ước tính hướng đi của bánh trượt, sau đó áp dụng hệ thống phanh cho từng bánh xe một cách không đối xứng để tạo ra mô-men xoắn quanh trục thẳng đứng của xe, chống lại sự trượt và đưa xe trở lại hướng đi phù hợp với hướng dự định của người lái. Ngoài ra, hệ thống còn có thể làm giảm công suất động cơ hoặc tác động vào cơ cấu truyền động để giảm tốc độ của chiếc xe.

ESP có thể làm việc trên bất cứ bề mặt nào, từ vỉa hè khô đến mặt hồ đóng băng. Nó phản ứng và điều chỉnh sự trượt nhanh và hiệu quả hơn so với người lái, thường là thậm chí trước khi người lái kịp nhận thức rằng khả năng mất lái sắp xảy ra. Thực tế, điều này đã dẫn đến một số lo ngại rằng cho rằng ESP có thể cho phép các tài xế quá tự tin trong việc điều khiển xe và kỹ năng lái của mình. Vì lý do này, các hệ thống ESP thường thông báo cho lái xe biết khi nào nó sẽ can thiệp. Hầu hết các hệ thống sẽ kích hoạt đèn trên bảng điều khiển và/hoặc bằng âm báo, một vài hệ thống còn cố ý cho phép hướng đi đã được điều chỉnh của phương tiện đi chệch một ít so với hướng tài xế điều khiển, thậm chí ngay cả khi nó có thể đi chính xác theo hướng đó.

Thật vậy, tất cả các nhà sản xuất ESP nhấn mạnh rằng hệ thống này không phải là bộ phận nâng cao công suất cũng không phải là một sự thay thế cho các nguyên tắc lái xe an toàn, nhưng là một công nghệ an toàn để hỗ trợ người lái khắc phục lỗi khi gặp những tình huống nguy hiểm. ESP không tăng lực kéo, do đó, nó không giúp xe vào cua nhanh hơn (mặc dù nó có thể giúp tài xế kiểm soát tốt hơn khi vào cua). Nói một cách tổng quát hơn, ESP hoạt động trong một giới hạn vốn có của các thao tác điều khiển xe và các lực kéo có sẵn giữa lốp xe và mặt đường. Điều khiển phương tiện thiếu thận trọng vẫn có thể sẽ vượt quá giới hạn này, dẫn đến mất kiểm soát. Ví dụ, trong trường hợp mưa rất lớn và đường rất trơn trượt, các bánh xe mà ESP sử dụng để điều chỉnh hướng trượt thậm chí có thể không được tiếp xúc với mặt đường, làm giảm hiệu quả của hệ thống.

Vào tháng 7, 2004, trong chiếc Crown Majesta, Toyota đã ra mắt VDIM (Vehicle Dynamics Intergrated Management  - Ổn định vận hành) là một hệ thống kết hợp những hệ thống độc lập khác, bao gồm cả ESP. Hệ thống này không những làm việc sau khi phát hiện sự trượt mà còn có thể ngăn chặn sự trượt xảy ra ngay từ lúc đầu. Sử dụng hệ thống lái linh hoạt VGRS (Variable gear ratio steering), tay lái trợ lực, hệ thống tiên tiến này có thể cũng làm thay đổi tỷ số truyền động và mức mô-men xoắn chỉ đạo để hỗ trợ người lái khi lái quá đà.

Do thực tế là kiểm soát căn bằng đôi khi có thể không tương thích với các xe có công suất lớn (ví dụ khi lái xe cố tình làm trượt bánh sau như khi drifting), rất nhiều phương tiện có một mức điều khiển khống chế (over-ride control) cho phép hệ thống tắt một phần hoặc tắt hoàn toàn hệ thống này. Trong các hệ thống đơn giản hơn, chỉ cần một nút duy nhất là lái xe có thể vô hiệu hóa tất cả các tính năng, trong khi các cài đặt phức tạp hơn có thể có nhiều nút ở nhiều vị trí hoặc có thể không bao giờ tắt được hoàn toàn.

Hiệu quả của ESP

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã xác nhận rằng ESP có hiệu quả rất cao trong việc giúp đỡ người lái duy trì kiểm soát xe, do đó nó giúp bảo vệ mạng sống và làm giảm mức độ nghiêm trọng của các tai nạn. Trong mùa thu năm 2004 tại Mỹ, Cục an toàn giao thông xa lộ quốc gia Mỹ NHTSA đã xác nhận các nghiên cứu của quốc tế, phát hành các kết quả nghiên cứu tại Mỹ về hiệu quả của ESP. NHTSA kết luận rằng ESP làm giảm tai nạn 35%. Ngoài ra, các xe thể thao đa dụng (SUV) có hệ thống căn bằng điện tử liên quan đến các vụ tai nạn đã giảm tới 67% so với các SUV không có hệ thống này. Viện bảo hiểm an toàn giao thông xa lộ (IIHS) đã xuất bản nghiên cứu riêng của mình trong tháng sáu năm 2006 trong đó cho thấy có đến 10.000 tai nạn gây tử vong ở Mỹ hàng năm có thể tránh được nếu tất cả các phương tiện được trang bị ESP. Nghiên cứu của IIHS kết luận rằng ESP làm giảm khả năng gây tai nạn dẫn đến tử vong là 43%, giảm khả năng một chiếc xe tự gây tai nạn dẫn đến tử vong là 56%, và giảm khả năng một chiếc xe tự lật dẫn đến tử vong là 77-80%.

Tỷ lệ các phương tiện có cài đặt hệ thống ESP theo các năm

ESP được mô tả như là công nghệ quan trọng nhất trong lĩnh vực an toàn xe hơi bởi nhiều chuyên gia bao gồm Nicole Nason, nhà quản lý NHTSA, Jim Guest và David Champion trong Hiệp hội người tiêu dùng của Liên đoàn xe hơi quốc tế (La Fédération Internationale de l'Automobile - FIA), Tổ chức E-Safety Aware, Csaba Csere, biên tập viên của Car and Driver, và Jim Gill, người đề xuất ESP trong thời gian dài của Tập đoàn Continental Automotive Systems, Chương trình đánh giá xe mới của Châu Âu (EuroNCAP) "khuyến cáo mạnh mẽ" rằng người ta nên mua xe được trang bị hệ thống căn bằng này.

IIHS yêu cầu một chiếc xe phải có ESP như một option có sẵn thì mới có đủ tiêu chuẩn Top Safety Pick để bảo vệ an toàn người dùng và tránh các tai nạn.