汽車OBD系統(tǒng)發(fā)展綜述

陳傳燦，徐聰

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

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汽車OBD系統(tǒng)發(fā)展綜述

陳傳燦，徐聰

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

介紹了OBD系統(tǒng)的發(fā)展歷程，闡述了OBD系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流特點?；谀壳暗膽脿顩r，預測OBD系統(tǒng)未來的主要發(fā)展趨勢。

OBD系統(tǒng)；數(shù)據(jù)流；發(fā)展趨勢

0　引言

環(huán)保已經(jīng)成為全國性熱門話題，汽車排放問題也成為人們關(guān)注的焦點。為了有效控制汽車尾氣排放污染，各國采取了相應的措施，其中北美和歐洲地區(qū)的發(fā)達國家在早期就要求汽車加裝OBD(On-BoardDiagnostics)系統(tǒng)，現(xiàn)在仍然在不斷發(fā)展和完善該系統(tǒng)。OBD系統(tǒng)集成在發(fā)動機管理系統(tǒng)中，通過實時反映相關(guān)傳感器和執(zhí)行器的工作狀態(tài)，能夠有效地監(jiān)測在用車的排放，是當今在用車排放管理的最有效手段之一[1]。隨著環(huán)境污染問題日益嚴重，OBD系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展顯得愈發(fā)重要。

1　OBD系統(tǒng)發(fā)展歷程

OBD的全稱是車載診斷系統(tǒng)，起源于19世紀80年代的美國。當時美國加州大氣資源局為了控制汽車排放，規(guī)定1988年開始所有在加州銷售的車輛必須裝備車載診斷系統(tǒng)，這是最早的OBD系統(tǒng)，如今稱作OBD-Ⅰ系統(tǒng)。當時的OBD系統(tǒng)監(jiān)控范圍小，僅僅包括氧傳感器、排氣再循環(huán)系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和發(fā)動機控制模塊[2]。而且OBD-Ⅰ系統(tǒng)監(jiān)測功能也不強，只能檢測到與排放有關(guān)部件的連續(xù)性故障，卻無法監(jiān)測其漸進損壞情況。同時該系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標準，其診斷接口、故障代碼和通信協(xié)議各不相同，投入使用后效果并不好。

針對OBD-Ⅰ系統(tǒng)存在的缺陷，OBD-Ⅱ系統(tǒng)應運而生。1994年，美國汽車工程師協(xié)會(SAE)制定了OBD-Ⅱ系統(tǒng)的一系列標準規(guī)范，并要求1996年后所有汽車制造商在美國銷售的汽車按照新標準來設(shè)置OBD系統(tǒng)。相對于OBD-Ⅰ系統(tǒng)，OBD-Ⅱ系統(tǒng)采用了標準化的16針診斷座DLC(DataLinkConnector)、相同的故障代碼DTC(DiagnosticTroubleCodes)和標準化通信協(xié)議，并擴充了系統(tǒng)的檢測項目，如失火檢測和催化轉(zhuǎn)化器的老化監(jiān)測等。

與此同時，歐共體也規(guī)定歐洲的汽車制造商生產(chǎn)的轎車必須配置車載診斷系統(tǒng)，即EOBD(EuropeanOn-BoardDiagnostics)。EOBD也采用統(tǒng)一的診斷座、通信協(xié)議和故障代碼等，其標準由國際標準化組織(ISO)制定，但是基本原理和診斷項目與OBD-Ⅱ類似。

OBD系統(tǒng)在我國發(fā)展相對較晚。2005年4月15日，國家環(huán)?？偩诸C布了《輕型汽車污染排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB18352.3-2005)，規(guī)定全國在2007年7月1日實施國Ⅲ排放法規(guī)，2008年7月1日開始第1類汽車需裝配OBD系統(tǒng)[3]。由于我國汽車排放法規(guī)與歐洲排放標準一致，故我國汽車配置的OBD系統(tǒng)要求類似EOBD。

雖然OBD-Ⅱ系統(tǒng)對汽車排放起到了明顯的控制作用，但是為了更及時地監(jiān)測排放，OBD-Ⅲ系統(tǒng)誕生了。它的進步之處在于增加了無線通信方式來讀取發(fā)動機、變速器和ABS系統(tǒng)ECU中的數(shù)據(jù)，將車輛識別代碼(VIN)、故障碼和一些動態(tài)數(shù)據(jù)自動傳送到交通管理部門，這樣交通管理部門可以實時監(jiān)測所有汽車的運行狀態(tài)和排放，當某輛汽車排放超出限值時，管理部門對其發(fā)出維修指令，必要時實施強制禁行。但是OBD-Ⅲ系統(tǒng)的應用可能涉及侵犯用戶隱私，所以仍有待考察[4]。

2　OBD系統(tǒng)簡介

2.1工作原理

OBD系統(tǒng)的監(jiān)控對象是傳感器、執(zhí)行器以及電子控制系統(tǒng)自身，其基本原理是通過實時監(jiān)測與排放相關(guān)的部件的工作信號，來判斷汽車的尾氣排放是否超標。如果某些信號發(fā)生異常變化而出現(xiàn)排放超標的現(xiàn)象，系統(tǒng)就會判斷與這一信號有關(guān)的部件或者電路出現(xiàn)故障，點亮故障指示燈(MIL)并將對應的故障代碼存入內(nèi)部RAM，故障代碼可以通過故障指示燈或診斷儀來讀取。

OBD系統(tǒng)判斷傳感器信號為異常變化的情形主要分為兩類：

(1)單個傳感器信號電壓的數(shù)值范圍或變化頻率不符合標準。例如某一氧傳感器在發(fā)動機熱車后的某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常輸出電壓在80～800mV之間變化，而且每10s內(nèi)變化次數(shù)要大于7次。如果檢測到其輸出電壓數(shù)值低于80mV或高于800mV，或頻率低于0.7Hz，則判斷為氧傳感器有故障。

(2)多個傳感器信號的測量值在同一工況中不匹配。例如某一發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r/min，測得其進氣歧管絕對壓力為70kPa，但是測得節(jié)氣門開度為1%，這顯然不符合實際，故判斷為故障。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載中的診斷軟件、傳感器、執(zhí)行器、診斷座以及外圍的診斷設(shè)備一起共同組成了OBD系統(tǒng)[5]。

其中OBD-Ⅱ診斷座統(tǒng)一為16針，一般安裝在方向盤下方的內(nèi)飾板中、靠近駕駛員膝蓋的位置，其分布見圖1。

各個針腳功能定義如下：

(1)數(shù)據(jù)傳輸線。2針和10針為符合SAEJ1962標準的數(shù)據(jù)傳輸線；7針和15針為符合ISO9141標準的數(shù)據(jù)線。

(2)電源線。16針為蓄電池正極，4針為車身地線，5針為信號地線。

(3)自定義線。其他針沒有明確規(guī)定，由廠家自行定義功能。

2.3數(shù)據(jù)流輸出信息

通過使用OBD適配器或?qū)Ｓ迷\斷儀，接入OBD系統(tǒng)的診斷座，可以讀取汽車電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流。對汽車數(shù)據(jù)流進行挖掘和分析，是OBD系統(tǒng)的應用基礎(chǔ)，也是企業(yè)和科研機構(gòu)研究的重要課題。

根據(jù)顯示形式的不同，數(shù)據(jù)流參數(shù)可以分為數(shù)值參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)。數(shù)值參數(shù)是有一定單位、一定變化范圍的參數(shù)，它通常反映出電控系統(tǒng)中各部件的工作電壓、溫度、時間和速度等。狀態(tài)參數(shù)只有兩種工作狀態(tài)，如開或關(guān)、閉合或斷開、高或低、是或否等，它通常表示電控裝置中的開關(guān)和電磁閥元件的工作狀態(tài)[6-7]。

這些汽車數(shù)據(jù)流參數(shù)多達數(shù)百條，按照其相關(guān)控制系統(tǒng)主要分為5類，其中基準參數(shù)是在對其他系統(tǒng)進行綜合診斷時用來作為參考基準的。主要診斷項目見表1。

表1　OBD系統(tǒng)主要檢測參數(shù)

這些數(shù)據(jù)參數(shù)主要用于汽車的檢測與診斷，其分析方法主要有數(shù)值分析法、時間分析法、因果分析法、關(guān)聯(lián)分析法和比較分析法。

數(shù)值分析法是對數(shù)據(jù)的數(shù)值變化規(guī)律和數(shù)值變化范圍的分析，即數(shù)值的變化，如轉(zhuǎn)速、車速的電腦讀值和實際值的差異等[8]。

時間分析法要求不僅要考慮傳感器信號的數(shù)值，而且還要判斷其響應的速率，以獲得最佳效果。

因果分析法是對存在關(guān)聯(lián)的傳感器信號響應情況和響應速度的分析。ECU根據(jù)給定的輸入必定會給出一個輸出參數(shù)，將這些輸入、輸出參數(shù)連貫起來進行故障分析。

關(guān)聯(lián)分析法多運用在幾個傳感器信號出現(xiàn)不合理的情形。ECU根據(jù)多個傳感器的內(nèi)在關(guān)系判斷出檢測到的參數(shù)不符合實際情形，給出一個或幾個故障代碼，此時不能輕易判斷某個傳感器有故障，需要進一步檢驗。

比較分析法是對相同車型及系統(tǒng)在相同條件下的相同數(shù)據(jù)組進行的分析[9]。

通過這5種主要的數(shù)據(jù)流分析方法，對檢測參數(shù)進行綜合分析，不僅能監(jiān)測汽車零部件的工作狀態(tài)，還能為故障診斷提供可靠依據(jù)。

3　OBD系統(tǒng)的應用

OBD系統(tǒng)設(shè)計之初，主要是基于排放控制的目的。近年來，其應用越來越廣泛。各個企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)都在不斷地開發(fā)OBD產(chǎn)品。OBD系統(tǒng)不僅能給出故障代碼以供檢測維修，而且能記錄車輛的各種工況數(shù)據(jù)。因為汽車儀表盤上顯示的數(shù)據(jù)僅僅只是ECU里記錄的數(shù)據(jù)很小的一部分，所以一些研發(fā)機構(gòu)開發(fā)出了一些專門的ECU數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)品，利用OBD接口來輸出油耗、空燃比和節(jié)氣門開度等數(shù)據(jù)。

這一類OBD產(chǎn)品主要有兩種：一種是專用數(shù)據(jù)線和顯示儀形式。將顯示屏固定在車上，再用專用數(shù)據(jù)線連接OBD接口和顯示儀，車主就可以選擇自己想要觀察的數(shù)據(jù)。另一種是OBD適配器和移動端軟件形式。該產(chǎn)品體積小，可以通過藍牙或者移動流量的無線手段將ECU數(shù)據(jù)顯示在手機屏幕上。

這些產(chǎn)品大多數(shù)已經(jīng)能實現(xiàn)OBD故障檢測、行車軌跡記錄、油耗顯示、駕駛習慣分析和故障救援等功能，這極大地滿足了用戶的生活需求。

還有一類OBD產(chǎn)品，不以顯示汽車數(shù)據(jù)為主，而是與其他企業(yè)互通數(shù)據(jù)，為車主提供一些服務。國外一家生產(chǎn)OBD產(chǎn)品的Automatic公司與被谷歌收購的智能恒溫器合作，讓使用AutomaticOBD產(chǎn)品的汽車變成一個智能家居的控制器。當車主啟動汽車，與OBD互聯(lián)的恒溫器會自動關(guān)閉家中的電器設(shè)備。

除了以上這些產(chǎn)品功能之外，OBD系統(tǒng)還可以為主機廠進行ECU的更新升級提供入口。車主可以通過OBD接口來改寫ECU中的控制程序來進行軟件升級，從而改善發(fā)動機的性能。其中有些廠家開發(fā)了針對變速器的可刷寫TCU(TransmissionControlUnit)，即變速器控制單元。在發(fā)現(xiàn)DSG變速器存在問題時，大眾集團就通過在其經(jīng)銷商店用電腦刷寫TCU的方式來改變DSG變速器的一些相應參數(shù)來控制變速器的工作。

4　OBD系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)OBD系統(tǒng)的研究將會取得更大的突破。立足于OBD的發(fā)展現(xiàn)狀，預測主要會有以下這些趨勢：

(1)OBD系統(tǒng)的功能將不斷完善。目前通過OBD接口進行檢測和維修的范圍主要集中在發(fā)動機電子控制系統(tǒng)，在以后將擴大到全車范圍，同時相關(guān)的通信協(xié)議和故障代碼實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的統(tǒng)一。

(2)OBD系統(tǒng)將為用戶提供更多的數(shù)據(jù)信息，包括駕駛員個人信息及其駕駛行為習慣、車輛電子控制系統(tǒng)的工作現(xiàn)狀和問題以及潛在故障分析等，往駕駛的智能化方向發(fā)展。

(3)OBD系統(tǒng)將為交通管理部門提供管理入口。通過OBD系統(tǒng)進行遠程信息傳輸，為智能交通系統(tǒng)提供更加實時全面的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車、路、人協(xié)同，幫助交通管理部門更有效地管理交通，降低道路事故發(fā)生概率。

(4)隨著跨界跨企業(yè)的合作增多，OBD系統(tǒng)數(shù)據(jù)的挖掘與分析將為車主提供更多個性化的增值服務，甚至為車主實現(xiàn)全天候智能出行。

5　結(jié)束語

OBD系統(tǒng)目前主要用于故障檢測與診斷中，但是近年來其功能逐漸被開發(fā)，成為汽車技術(shù)發(fā)展的重點，其主要價值在于它提供的數(shù)據(jù)流。通過對OBD數(shù)據(jù)流的分析，許許多多的產(chǎn)品和服務將會向著智能化的方向發(fā)展。隨著不同領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和頻繁合作，OBD系統(tǒng)將會更加復雜，功能將不斷完善，為車主、企業(yè)和政府部門提供各自所需的服務。

【1】潘鵬，顏伏伍，方茂東.OBD系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2007(5)：36-39.

【2】馬杰.車輛診斷系統(tǒng)(OBD)應用研究[D].長春：吉林大學，2007.

【3】GB18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)[S].

【4】SOSNOWSKID，GARDETTOE.PerformingOnboardDiagnosticSystemChecksasPartofaVehicleInspectionandMaintenanceProgram[C]//EnvironmentalImpacts,2001.

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【8】周有銀.汽車數(shù)據(jù)流分析與應用研究[D].西安:長安大學，2010.

【9】王雷.發(fā)動機電控系常用參數(shù)分析[J].黑龍江科技信息，2010(7):15,45.

ReviewofAutomotiveOBDSystemDevelopment

CHENChuancan，XUCong

(SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Thedevelopinghistory,workingprinciple,compositionanddatastreamofOBDsystemwereintroduced.BasedonthecurrentapplicationofOBDsystem,themajordevelopmenttrendswerepredicted.

OBDsystem;Datastream;Developmenttrends

2016-04-25

陳傳燦(1960—)，男，碩士研究生導師，副教授，研究方向為汽車零部件開發(fā)及管理、汽車產(chǎn)品電商解決方案、二手車鑒定評估及商業(yè)模式、汽車后市場有形及無形產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)咨詢。E-mail：chenchc@163.com。

U461.91

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1674-1986(2016)07-094-03