實際診斷率（IUPR）功能開發(fā)與驗證

摘 要：本文全面介紹了 IUPR功能模塊的開發(fā)過程，包括詳細(xì)策略設(shè)計、整車標(biāo)定和道路驗證。最終經(jīng)過實驗證

明，本文所設(shè)計的 IUPR功能完全滿足 OBD法規(guī)要求。關(guān)鍵詞：診斷率；車載診斷系統(tǒng)；發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)

1 前言

21世紀(jì)初是中國汽車業(yè)高速發(fā)展的時期，2015年中國汽車市場銷量超過2000萬臺。隨著汽車保有量的不斷增加，其帶來的尾氣排放問題也越來越突出。為了控制整車排放污染物，中國環(huán)保部引入汽車排放標(biāo)準(zhǔn)和OBD（On-Board Diagnosis，車載診斷系統(tǒng)）法規(guī)，確保當(dāng)影響排放的某部件老化時，EMS（發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)）應(yīng)該檢測到該故障，并且將該故障傳輸給整車儀表，通過故障燈點亮的方式來通知客戶進(jìn)維修店排查。

OBD技術(shù)的使用，極大程度上提高了整車的排放污染物控制，但是在整車實際使用中， OBD系統(tǒng)對診斷的執(zhí)行頻率沒有進(jìn)行監(jiān)測，無法保證診斷功能是否一直處于激活狀態(tài)并且工作良好。在此背景下，從國五法規(guī)開始，增加了對 OBD系統(tǒng)診斷實際監(jiān)測頻率（In-Use Performance Ratio，縮寫為IUPR）的功能要求，由此， OBD系統(tǒng)就被套上了一個緊箍咒，要求各EMS開發(fā)商對診斷策略的設(shè)計以及整車標(biāo)定工作更加的細(xì)致和嚴(yán)密。

本文根據(jù)OBD法規(guī)，設(shè)計了一套IUPR功能的軟件實現(xiàn)方法，并且分析了該功能的標(biāo)定以及實驗驗證過程。

2 IUPR功能開發(fā)

2.1 功能介紹

IUPR是用于檢測非連續(xù)性O(shè)BD診斷的計數(shù)器，代表了車輛運(yùn)行過程中診斷發(fā)生的真實頻率（滿足基本駕駛工況條件下的診斷完成次數(shù)）。是法規(guī)對 OBD診斷系統(tǒng)提出的更高要求。要求診斷適應(yīng)范圍更寬廣，診斷系統(tǒng)更可靠。IUPR值的大小直接體現(xiàn)出診斷頻率的高低，其基礎(chǔ)計算方法如下：

分子計數(shù)器

IUPR=分母計數(shù)器

分子計數(shù)器：某一特定監(jiān)測的分子計數(shù)器用于測量汽車執(zhí)行該監(jiān)測的次數(shù)。為了檢測故障并通知駕駛員，只有當(dāng)制造廠規(guī)定的所有監(jiān)測條件滿足時才會執(zhí)行該監(jiān)測。除非有合理的技術(shù)性理由，每個運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)分子計數(shù)器增加應(yīng)不超過一次。

分母計數(shù)器：顯示汽車行駛事件的次數(shù)，并考慮特定監(jiān)測的特定條件。如果在運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)期間特定條件滿足，則在該運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中分母計數(shù)器至少應(yīng)增加一次。

點火循環(huán)計數(shù)器：顯示汽車經(jīng)歷的點火44bc1600270b1d429e22ca70adc91b1d循環(huán)的數(shù)量。在每個運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，點火循環(huán)計數(shù)器的累加將不會超過一次。

通用分母計數(shù)器：用于測量汽車運(yùn)行的次數(shù)。在單個運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中，當(dāng)且僅當(dāng)滿足下列標(biāo)準(zhǔn)時，計數(shù)器將在10s內(nèi)增加：

–海拔低于2440m （72kPa）。

–環(huán)境溫度大于或等于-7°C。

–發(fā)動機(jī)起動累計時間大于或等于600s。

–汽車在40km/h或以上的速度累計運(yùn)行的時間大于或等于300s。

–汽車持續(xù)怠速運(yùn)行（如司機(jī)松開加速踏板并且車速小于或等于1.6km/h）時間大于或等于30s。

IUPR監(jiān)測的法規(guī)要求：對于汽車裝備的某一特定監(jiān)測M，國五法規(guī)要求IUPRM應(yīng)大于等于0.1。汽車應(yīng)至少在160000km的里程內(nèi)滿足這一要求。

對于某一特定監(jiān)測 M，如果某一年度制造的且屬于某一 OBD系族的所有汽車滿足下述統(tǒng)計要求，則認(rèn)為符合本附件關(guān)于IUPR的要求：

IUPRM的平均值大于等于0.1；

超過50%的汽車的IUPRM值大于等于

0.1。

2.2 IUPR策略設(shè)計

IUPR是基于現(xiàn)有OBD系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增加的診斷功能，因此，策略設(shè)計也是在當(dāng)前 EMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增DIUPR策略模型。利用MathWork公司matlab軟件下的simulink工具，根據(jù)法規(guī)要求，結(jié)合當(dāng)前發(fā)動機(jī)功能，在現(xiàn)有OBD軟件基礎(chǔ)上搭建新的DIUPR策略模型，該模型算法包括點火循環(huán)計數(shù)器，通用分母計數(shù)器以及前（后）氧傳感器診斷，催化器診斷，VVT診斷等分子和分母計數(shù)器等功能，這些計數(shù)器值最終通過診斷協(xié)議通用模式9輸出給診斷儀工具。

點火循環(huán)計數(shù)器軟件設(shè)計，根據(jù)發(fā)動機(jī)啟動成功的標(biāo)志位，把該標(biāo)志位經(jīng)過一個上升沿觸發(fā)信號轉(zhuǎn)變成一個脈沖信號，該脈沖信號作為計數(shù)器的增加條件，實現(xiàn)了計數(shù)器加1功能，并且由于是脈沖信號，單個駕駛循環(huán)，僅僅加1，完全符合法規(guī)要求。

通用分母計數(shù)器軟件設(shè)計，設(shè)計上主要分成兩個部分：計數(shù)條件的設(shè)計以及計數(shù)器功能實現(xiàn)的設(shè)計。通用分母計數(shù)條件法規(guī)上有明確的說明，把相關(guān)的溫度，海拔，車速以及持續(xù)怠速時間等條件經(jīng)過邏輯與，并且無相關(guān)傳感器故障，則作為通用分母的增加條件。計數(shù)器功能的實現(xiàn)，由于計數(shù)器單個駕駛循環(huán)只能增加一次，并且在條件滿足后并不是立即增加，而是要求在10秒內(nèi)增加，因此單純的脈沖信號無法實現(xiàn)信號持續(xù)幾秒然后使計數(shù)器僅增加一次?；谶@個問題，我們將脈沖信號經(jīng)過一個RS觸發(fā)器實現(xiàn)信號保持功能，然后將觸發(fā)器的輸出信號經(jīng)由一個上升沿延時功能（可以實現(xiàn)任意時間延遲），當(dāng)延遲時間達(dá)到后，一方面將計數(shù)器加1，另一方面，采用信號返回的方式，再將 RS觸發(fā)器復(fù)位，這樣就保證了一個駕駛循環(huán)僅加1次的功能。在本文中，所有當(dāng)前駕駛循環(huán)最多只能增加1的計數(shù)器都將采用該控制算法，以后不再贅述。計數(shù)器控制邏輯如圖一所示。

分母計數(shù)器軟件設(shè)計，對于任意一種分母計數(shù)器的實現(xiàn)，其基本過程與通用分母計數(shù)器一致，只不過，要更多考慮特定診斷的分母增加限定條件，比如VVT診斷需要當(dāng) VVT控制器連續(xù)開啟兩次或者持續(xù)開啟時間超過10秒，才能滿足分母增加條件，并且當(dāng)影響該特定診斷的故障發(fā)生時，要暫停該特定診斷分母計數(shù)器的增加。

分子計數(shù)器軟件設(shè)計，與EMS診斷算法的關(guān)聯(lián)最大，從主機(jī)廠角度，分子計數(shù)器越快增長越好，但是必須與具體診斷策略相結(jié)合，只有特定診斷在當(dāng)前駕駛循環(huán)診斷完成，并且確保如果有故障發(fā)生，必須能報出故障的前提下，其分子計數(shù)器才能加1，且當(dāng)前駕駛循環(huán)最多加1。同時，分子計數(shù)器與分母計數(shù)器一樣，如果有影響該診斷的故障發(fā)生，其分子計數(shù)器必須與分母計數(shù)器保持一致，同時暫停其計數(shù)功能，直到故障消失10秒以后才能繼續(xù)增長。

上述幾項基礎(chǔ)計數(shù)器功能實現(xiàn)以后， IUPR主體功能已基本實現(xiàn)，但仍有不少細(xì)節(jié)需要統(tǒng)籌考慮。由于IUPR診斷率的計算公式是分子除以分母，那么對于同一個診斷內(nèi)容，可能存在超過一種以上的診斷方法，針對多種診斷方法，其分子和分母計數(shù)器是單獨計算的，但是總的輸出只能輸出其診斷率最小的那種診斷方法對應(yīng)的分子和分母，如果診斷率相等，則輸出分母計數(shù)器值最大的那種診斷方法對應(yīng)的分子和分母。另外，在 EMS軟件中，計數(shù)器一般都采用16位的字長進(jìn)行存儲，這也意味著其能存儲的最大值為 65535，當(dāng)點火循環(huán)計數(shù)器或者通用分母計數(shù)器達(dá)到最大值時，其下一個駕駛循環(huán)，所有的分子分母計數(shù)器都將從零開始；如果特定診斷的分子或者分母計數(shù)器達(dá)到最大值，則從下一個駕駛循環(huán)開始，對應(yīng)特定診斷的分子分母計數(shù)器將除以二然后開始計數(shù)。

將以上所有內(nèi)容通過simulink建模實現(xiàn)以后，IUPR策略功能就已經(jīng)實現(xiàn)。IUPR總體功能框架如圖二所示。（圖中X代表某一特定診斷內(nèi)容）

3 IUPR標(biāo)定

當(dāng)IUPR策略設(shè)計實現(xiàn)以后，首先在電腦上進(jìn)行模型級的仿真測試—— MIL測試（Mode-In-Loop），當(dāng)確認(rèn)模型功能實現(xiàn)以后，接下來就是要進(jìn)行整車級的測試與標(biāo)定了。以奇瑞某車型 E4G16發(fā)動機(jī)作為基準(zhǔn)，需要進(jìn)行IUPR計算的診斷項目分別是上游氧傳感器診斷，下游氧傳感器診斷，催化器診斷以及VVT診斷。下面將對這幾種診斷的IUPR標(biāo)定進(jìn)行說明。

上游氧傳感器診斷標(biāo)定，上游氧傳感器是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)燃油閉環(huán)控制的關(guān)鍵部件，其好壞直接關(guān)系著整車的排放、油耗和駕駛性。氧傳感器與其他傳感器不一樣，并不是任何時候都能立即工作，他有著獨特的要求，只有當(dāng)發(fā)動機(jī)工況滿足要求后，氧傳感器才能開始起振和工作。因此，在 OBD系統(tǒng)設(shè)計中，氧傳感器的診斷也會設(shè)置很多工況條件要求，確保在氧傳感器工作區(qū)域并且易于識別的條件下進(jìn)行診斷，避免誤報。在之前的OBD系統(tǒng)中，氧傳感器診斷主要基于 NEDC排放工況進(jìn)行標(biāo)定，但是引入IUPR策略之后，正常城市工況和郊區(qū)工況駕駛一般都會偏離NEDC工況。采用老的診斷方式很可能導(dǎo)致分母增加但是分子由于診斷未完成而不會增加，長時間累積下去就無法滿足IUPR診斷率法規(guī)要求。基于此現(xiàn)況，我們根據(jù)城市工況與郊區(qū)工況的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在原來的診斷工況下，新增了車速在 50km/h、 60km/h、100km/h等診斷區(qū)域。經(jīng)過測試，拓寬診斷區(qū)域后，上游氧傳感器診斷標(biāo)定可以滿足IUPR診斷率要求。

下游氧傳感器診斷標(biāo)定，下游氧傳感器是催化器老化檢測的關(guān)鍵部件，同時也對燃油閉環(huán)控制起輔助的修正作用，其性能的好壞對整車的排放和油耗有著很大的影響。下游氧傳感器與上游氧傳感器工作特性一致，但由于二者安裝的位置不同，其功能也差異明顯。傳統(tǒng)下游氧傳感器診斷采用有振蕩測試法，斷油測試法和動態(tài)測試法，為了保證 IUPR率，在IUPR策略設(shè)計的時候，其分子增加會同時考慮這三種方法，當(dāng)其中任意一種完成了診斷，并且確保當(dāng)有故障發(fā)生可以報出故障的時候，分子就會增加。經(jīng)過測試驗證，下游氧傳感器診斷標(biāo)定也可以滿足IUPR診斷率要求。

催化器診斷標(biāo)定，三元催化器是發(fā)動機(jī)的尾氣后處理機(jī)制，是整車排放控制的核心部件，也是污染物控制的最后一道關(guān)卡，其一旦發(fā)生劣化，就直接導(dǎo)致整車排放超標(biāo)，污染大氣。在整車上，考慮到成本，沒有專門檢測催化器劣化度的傳感器，一般對催化器的檢測就是通過其前后端氧傳感器信號的率可以滿足要求，但對于診斷閥值的合理性標(biāo)定就變得極其重要，必須確認(rèn)不能誤報。在實車驗證中，經(jīng)過多重標(biāo)定和測試，催化器診斷能夠滿足IUPR診斷率要求。

VVT（可變氣門正時）診斷標(biāo)定， VVT是用來提高發(fā)動機(jī)的充氣效率，降低油耗的一個執(zhí)行器，在整車運(yùn)行中，只要發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度超過一定值，VVT即可進(jìn)入工作狀態(tài)。由于對VVT診斷的條件本身就比較寬，因此VVT診斷只需要增加IUPR接口即可，無需額外優(yōu)化診斷策略。在實車驗證中，VVT診斷能夠滿足IUPR診斷率要求。

經(jīng)過對各個診斷功能的獨立標(biāo)定以后，經(jīng)過整車測試驗證，該系統(tǒng)所有分子分母能夠準(zhǔn)確可靠地增加，診斷率也都符合法規(guī)要求。圖三所示，即為測試中的一組整車IUPR計數(shù)器正確增加數(shù)據(jù)。

圖3中，分子計數(shù)器都大于分母計數(shù)器，這是由于試驗車在測試過程中，有很多的駕駛循環(huán)從運(yùn)行時間上并不滿足通用分母增加要求，但是分子增加條件已經(jīng)滿足，因此會導(dǎo)致上述情況發(fā)生，另一方面也可以證明，該IUPR策略是可以滿足法規(guī)要求的。

4 IUPR路試驗證

IUPR是對診斷完成次數(shù)的統(tǒng)計算法，為了驗證該功能，必須經(jīng)過多輪路試，盡可能覆蓋絕大部分客戶駕駛工況，采集整車診斷率數(shù)據(jù)，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，才能確保該功能的可靠性和覆蓋性。為了真實有效地完成路試驗證，需要經(jīng)歷以下幾個步驟：資源準(zhǔn)備、實驗路線規(guī)劃、數(shù)據(jù)記錄分析和結(jié)果統(tǒng)計。

4.1 資源準(zhǔn)備

IUPR路試的前提條件是整車基礎(chǔ)標(biāo)定和OBD基礎(chǔ)標(biāo)定結(jié)束，整車狀態(tài)為批產(chǎn)驗證車輛。為確保數(shù)據(jù)的有效性，考慮一致性因素，需要準(zhǔn)備兩輛試驗車同時進(jìn)行路試。因此需要準(zhǔn)備試驗車兩輛，駕駛員兩位（要求駕駛技術(shù)熟練，如果駕駛過程中異常熄火，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效），而且每輛車都要裝上行駛記錄儀，記錄一些必要的EMS數(shù)據(jù)信息，該信息應(yīng)包含整車所有運(yùn)行狀態(tài)，故障信息以及IUPR相關(guān)計數(shù)器信息。

4.2 實驗路線規(guī)劃

由于IUPR是一種統(tǒng)計客戶真實使用情況下的診斷率，因此實驗也要盡量的模擬真實客戶開車工況。根據(jù)客戶每天上下班工況，一般分為城市工況和郊區(qū)工況。在路線規(guī)劃的時候，經(jīng)過多次實地勘探和數(shù)據(jù)采集分析，我們選擇了 4條不同的城市路線，分別定義成A、B、C和D；另外再選擇兩條郊區(qū)路線E和F。在實驗進(jìn)行的時候，我們把總體實驗分成四個階段，每一個階段每條路線跑兩天，這樣一個階段就是12天，并且每天要規(guī)劃好實驗時間，覆蓋冷機(jī)高峰、熱機(jī)非高峰、冷機(jī)非高峰和熱機(jī)高峰四種情況。試驗路線的規(guī)劃既要考慮覆蓋性，同時也要考慮 IUPR通用分母的增長條件，本次實驗規(guī)劃路線詳細(xì)情況如表1所示。

IUPR不是一個獨立的功能模塊，他與 OBD各診斷模塊緊密連接，尤其在 IUPR標(biāo)定的時候，更多的是對其他診斷功能診斷條件提出了更高的要求，既要求診斷范圍變寬，但是又不能誤報。經(jīng)過路試驗證，各個診斷模塊的IUPR率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國五法規(guī)要求的

0.1。該 EMS系統(tǒng)已經(jīng)匹配數(shù)款車型，并且全部拿到了公告核準(zhǔn)證書。經(jīng)過上述一系列的開發(fā)，標(biāo)定以及驗證過程，證明本文所設(shè)計的IUPR功能完全滿足法規(guī)要求，可以在整車上應(yīng)用和持續(xù)推廣。

當(dāng)前國六法規(guī)即將出臺，國六結(jié)合了歐六與美標(biāo)OBDII的法規(guī)，對OBD與IUPR診斷率都提出了更多更嚴(yán)格的要求，多個診斷模塊的 IUPR率要求達(dá)到 0.336，但是 DIUPR基礎(chǔ)策略不需要變更，只需增加一些新的診斷功能接口即可。結(jié)合目前的IUPR診斷率結(jié)果來看，該EMS系統(tǒng)中的 IUPR軟件也能滿足國六要求。

4.3 過程數(shù)據(jù)記錄與分析：

在實驗進(jìn)行過程中，根據(jù)行駛記錄儀存儲卡容量情況，安排專業(yè)工程師每一天或者兩天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如果涉及到分子分母非正常增長或者不增長，則需要深入分析，判斷是IUPR標(biāo)定不合理，還是策略設(shè)計不合理亦或是EMS系統(tǒng)其它故障導(dǎo)致的IUPR功能失效。并把數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分類處理，每天累加直至實驗結(jié)束。并且要求駕駛員對實驗過程進(jìn)行記錄，尤其是當(dāng)整車有異常故障發(fā)生或者行駛中異常熄火時，一定要通知專業(yè)工程師進(jìn)行處理。

4.4 結(jié)果統(tǒng)計：

實驗結(jié)束后，摒棄其中一些異常數(shù)據(jù)，比如整車系統(tǒng)故障，記錄失敗，行車過程中異常熄火等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)。對剩下的所有有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計，兩臺試驗車最終統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表二和表三所示。從表中可以看出，所有診斷功能的分子比上分母的值（IUPR率）都大于0.1，并且有相當(dāng)大的安全范圍，則可證明該EMS平臺下的整車IUPR功能符合法規(guī)要求。

[1]朱小慧，費(fèi)繼兵 .車載故障診斷系統(tǒng)的研究 .車用發(fā)動機(jī).2004（8）：10～14.

[2]GB 18352.5-2013，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].

[3]DB11/946-2013，輕型汽車（點燃式）污染物排放限值及測量方法（北京 V階段）[S].

[4]CommissionRegulation（EC）， No 692/2008 of 18 July 2008.