國(guó)六輕型車(chē)車(chē)載診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

吳向暢，石 平，郭文軍

（國(guó)家燃?xì)馄?chē)工程技術(shù)研究中心 重慶凱瑞動(dòng)力科技有限公司，重慶 401122；2. 四川廣播電視大學(xué)，成都 610073）

隨著國(guó)家汽車(chē)污染物排放法規(guī)要求的不斷提高， 對(duì)OBD 系統(tǒng)的要求也日益嚴(yán)格。OBD 系統(tǒng)通過(guò)車(chē)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）監(jiān)測(cè)車(chē)輛在實(shí)際使用時(shí)排放系統(tǒng)的工作狀況，并能監(jiān)測(cè)排放系統(tǒng)的故障，確保有效控制在用機(jī)動(dòng)車(chē)的排放[1]。車(chē)輛出現(xiàn)故障時(shí)，OBD 系統(tǒng)可通過(guò)點(diǎn)亮故障指示燈（Malfunction Indicator Light，MIL）通知駕駛員，同時(shí)存儲(chǔ)故障代碼、凍結(jié)幀等信息。維修人員可通過(guò)診斷工具讀取ECU內(nèi)相關(guān)故障信息，便于對(duì)車(chē)輛進(jìn)行維修。

國(guó)六排放法規(guī)GB 18352.6—2016 對(duì)OBD 系統(tǒng)的要求從測(cè)試循環(huán)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)條件、在用監(jiān)測(cè)頻率（In-Use Performance Ratio，IUPR）到污染物排放限值等方面較國(guó)五排放法規(guī)GB 18352.5—2013[2]均有不同程度的加嚴(yán)。表1 列舉的是第一類(lèi)車(chē)的OBD 閾值。此外，國(guó)六排放法規(guī)還新增了永久故障代碼、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（Positive Crankcase Ventilation，PCV）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等要求。因此，原國(guó)五OBD 系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)六新法規(guī)的要求，需重新對(duì)OBD 系統(tǒng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)新排放法規(guī)的要求。

表1 第一類(lèi)車(chē)OBD 閾值

1 OBD 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

OBD 系統(tǒng)軟件由故障監(jiān)測(cè)、故障管理、協(xié)議棧三個(gè)模塊組成，其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 OBD 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

故障監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)綜合部件（傳感器及執(zhí)行器）、系統(tǒng)功能及ECU 自身是否出現(xiàn)性能劣化及異常。

故障管理模塊是OBD 系統(tǒng)的中樞，主要進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)頻率的設(shè)置及計(jì)數(shù)、故障確認(rèn)、故障相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障消失、故障修復(fù)、故障清除及MIL控制。

協(xié)議棧用于實(shí)現(xiàn)ECU 與診斷工具的通信。參照ISO 15765-4：2016[3]標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了簡(jiǎn)化的OSI五層網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)，由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層構(gòu)成。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)通信管理、數(shù)據(jù)傳輸、輸入輸出控制、故障代碼讀取及清除。傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層將應(yīng)用層生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分包等相關(guān)處理，以符合ISO 11898-1：2015[4]的CAN 數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)鏈路層及物理層，定義了硬件接口相關(guān)參數(shù)。

2 故障管理模塊設(shè)計(jì)

故障管理的流程如圖2 所示。

圖2 故障管理流程

IUPR 等于分子計(jì)數(shù)除以分母計(jì)數(shù)。催化器監(jiān)測(cè)、氧傳感器監(jiān)測(cè)、VVT 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的最小IUPR 應(yīng)大于0.336。

分子及分母計(jì)數(shù)增加：按GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)要求，在環(huán)境溫度、海拔高度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、車(chē)速大小、怠速運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)參數(shù)同時(shí)滿(mǎn)足特定條件時(shí)，相應(yīng)的分母計(jì)數(shù)增加1 次；當(dāng)故障監(jiān)測(cè)中所必需的全部條件都滿(mǎn)足時(shí)，相應(yīng)的分子計(jì)數(shù)增加1 次。

每個(gè)駕駛循環(huán)，條件滿(mǎn)足時(shí)，分子計(jì)數(shù)或分母計(jì)數(shù)加且僅增加整數(shù)1。

分子計(jì)數(shù)和分母計(jì)數(shù)中斷及恢復(fù)條件：

（1）若監(jiān)測(cè)到故障時(shí)，即存儲(chǔ)了一個(gè)未決故障代碼或確認(rèn)故障代碼，在10 s 內(nèi)停止故障相對(duì)應(yīng)的分子計(jì)數(shù)和分母計(jì)數(shù)的增加；當(dāng)該故障不再出現(xiàn)時(shí)，在10 s 內(nèi)恢復(fù)其分子計(jì)數(shù)及分母計(jì)數(shù)的增加。

（2）當(dāng)分母計(jì)算規(guī)則中的測(cè)量環(huán)境溫度、海拔高度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間等參數(shù)的部件發(fā)生故障時(shí)，在10 s 內(nèi)停止所有的分子計(jì)數(shù)及分母計(jì)數(shù)的增加；當(dāng)該故障不再出現(xiàn)時(shí)，在10 s 內(nèi)恢復(fù)相應(yīng)分子和分母計(jì)數(shù)的增加。

故障確認(rèn)及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：當(dāng)前駕駛循環(huán)，監(jiān)測(cè)到故障的次數(shù)超過(guò)特定條件（該循環(huán)內(nèi)持續(xù)特定時(shí)間監(jiān)測(cè)到特定的次數(shù)），即確認(rèn)為未決故障，存儲(chǔ)一個(gè)未決故障代碼。若在下一駕駛循環(huán)再次監(jiān)測(cè)到該故障，立即持續(xù)點(diǎn)亮MIL，存儲(chǔ)凍結(jié)幀數(shù)據(jù)、一個(gè)未決故障代碼和一個(gè)確定的故障代碼，同時(shí)存儲(chǔ)一個(gè)永久故障代碼。

故障消失：若當(dāng)前循環(huán)監(jiān)測(cè)到故障不再出現(xiàn)，則清除該故障標(biāo)志位。

故障修復(fù)：至少3 個(gè)連續(xù)駕駛循環(huán)中，OBD系統(tǒng)不再監(jiān)測(cè)到故障，之前導(dǎo)致點(diǎn)亮MIL 的故障也不再出現(xiàn)，并且也沒(méi)有檢測(cè)到其它需要單獨(dú)點(diǎn)亮MIL 的故障，熄滅MIL，同時(shí)清除該故障的永久故障代碼。

故障清除：若OBD 系統(tǒng)在連續(xù)的40 個(gè)到41個(gè)暖機(jī)循環(huán)未再檢測(cè)到該故障，且MIL 在連續(xù)的40 個(gè)到41 個(gè)駕駛循環(huán)中也沒(méi)有被該故障點(diǎn)亮，則清除確認(rèn)的故障代碼，同時(shí)清除因該故障存儲(chǔ)的凍結(jié)幀數(shù)據(jù)。

3 協(xié)議棧模塊開(kāi)發(fā)

協(xié)議棧基于CAN，按照ISO 15765 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。基于事件驅(qū)動(dòng)型，采用一問(wèn)一答的方式進(jìn)行通信，由診斷工具提問(wèn)，ECU 進(jìn)行應(yīng)答。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 協(xié)議棧報(bào)文處理流程

ECU 的地址信息、對(duì)應(yīng)的診斷服務(wù)標(biāo)識(shí)及診斷或故障相關(guān)數(shù)據(jù)在應(yīng)用層中進(jìn)行設(shè)置及處理。在傳輸層及網(wǎng)絡(luò)層中，ECU 的地址信息被轉(zhuǎn)換為11/29位的標(biāo)識(shí)符。診斷服務(wù)標(biāo)識(shí)、診斷或故障相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)合并為由多個(gè)單字節(jié)構(gòu)成的數(shù)據(jù)。

若診斷相關(guān)的數(shù)據(jù)少于或等于8 個(gè)字節(jié)，ECU在接收到診斷工具的請(qǐng)求后，直接響應(yīng)，發(fā)出該單幀數(shù)據(jù)即可，較為簡(jiǎn)單。

當(dāng)診斷相關(guān)的數(shù)據(jù)超過(guò)8 個(gè)字節(jié)時(shí)，由于單幀CAN 數(shù)據(jù)最多只能傳輸8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，無(wú)法通過(guò)單幀數(shù)據(jù)發(fā)出。作為發(fā)送端的ECU 需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行分包，拆分為多幀數(shù)據(jù)再進(jìn)行發(fā)送。

多幀數(shù)據(jù)的通信流程如下：

（1）ECU 接收到診斷工具的請(qǐng)求后，根據(jù)收到的服務(wù)類(lèi)別請(qǐng)求，將分包后的第1 幀數(shù)據(jù)發(fā)出。

（2）診斷工具接收到ECU發(fā)出的第1幀數(shù)據(jù)后，將發(fā)出流控制幀。該幀包含診斷工具可接收的塊大?。–AN 數(shù)據(jù)幀數(shù)）、流狀態(tài)及連續(xù)兩幀數(shù)的最短發(fā)送時(shí)間間隔。

（3）ECU 根據(jù)接收到的流控制信號(hào)，按規(guī)定的時(shí)間間隔要求，連續(xù)發(fā)送與塊大小相匹配的數(shù)據(jù)幀。

（4）診斷工具接收完ECU 發(fā)送的連續(xù)幀后，將再次發(fā)送流控制幀。

上述步驟3、4 將反復(fù)執(zhí)行，直到ECU 發(fā)出長(zhǎng)度小于塊大小的最后一塊數(shù)據(jù)[5]。

需要注意的是，發(fā)出的每一幀數(shù)據(jù)都應(yīng)填滿(mǎn)8字節(jié)。若當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)未滿(mǎn)8 字節(jié)，剩余字節(jié)需用0 進(jìn)行填充。

4 診斷實(shí)施驗(yàn)證

前氧傳感器的響應(yīng)速率監(jiān)測(cè)是系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)中最為重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。

4.1 故障監(jiān)測(cè)

氧傳感器主要用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要零件。氧傳感器信號(hào)響應(yīng)變慢將會(huì)造成空燃比反饋延遲，直接影響到電控系統(tǒng)空燃比的閉環(huán)控制及響應(yīng)特性[6]，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致排放超標(biāo)。

診斷原理：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于理論空燃比閉環(huán)控制，且發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、水溫相關(guān)信號(hào)均滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)工況要求時(shí)，若ECU 測(cè)得氧傳感器輸出電壓信號(hào)從濃到稀，再到濃的循環(huán)時(shí)間超過(guò)閾值，就可監(jiān)測(cè)到氧傳感器的響應(yīng)速率變慢。如圖4 所示，實(shí)線(xiàn)為正常的氧傳感器信號(hào)，虛線(xiàn)為劣化后響應(yīng)速率已變慢的氧傳感器信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，并與標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，從而判斷氧傳感器是否已劣化。

其故障監(jiān)測(cè)流程如圖5 所示。

圖4 氧傳感器信號(hào)

圖5 氧傳感器響應(yīng)速率監(jiān)測(cè)流程

4.2 協(xié)議棧

與診斷工具通信的OBD 服務(wù)共10 類(lèi)，可讀取ECU 中的當(dāng)前動(dòng)力系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)、故障代碼、凍結(jié)幀、車(chē)輛信息等相關(guān)OBD 數(shù)據(jù)。下面以第三類(lèi)OBD 服務(wù)（讀取確認(rèn)故障代碼）為例，介紹用診斷工具讀取確認(rèn)故障代碼時(shí)，ECU 的相關(guān)工作流程，如圖6 所示。

圖6 與診斷工具通信流程

診斷工具通過(guò)CAN 發(fā)出的ID 為0x7DF 的服務(wù)請(qǐng)求信號(hào)。ECU 根據(jù)接收到的診斷服務(wù)請(qǐng)求類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)ECU 接收到的診斷服務(wù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的第2 個(gè)字節(jié)為0x03（即第三類(lèi)服務(wù)請(qǐng)求）時(shí)，ECU 先判斷當(dāng)前是否存在已存儲(chǔ)的確認(rèn)故障代碼，后按ISO 15031-5：2015[7]的相關(guān)要求進(jìn)行答復(fù)。答復(fù)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 第三類(lèi)服務(wù)答復(fù)數(shù)據(jù)

若當(dāng)前無(wú)確認(rèn)的故障代碼，則ECU 回復(fù)的單幀CAN 數(shù)據(jù)為“0x 02 43 00 00 00 00 00 00”。當(dāng)ECU監(jiān)測(cè)到當(dāng)前有且僅有前氧傳感器響應(yīng)慢故障P0133時(shí)，ECU 回復(fù)的數(shù)據(jù)也為單幀數(shù)據(jù)“0x 04 43 01 01 33 00 00 00”。

當(dāng)確認(rèn)故障代碼數(shù)超過(guò)2 個(gè)時(shí)，因故障代碼的響應(yīng)數(shù)據(jù)已超過(guò)8 個(gè)字節(jié)，無(wú)法通過(guò)單幀CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送，需進(jìn)行分包處理，通過(guò)多幀CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái)。具體的處理流程如圖3 所示。CAN 的波特率設(shè)置為500 kBit/s。

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證ECU 中OBD 軟件的功能，在某款燃?xì)獬擞密?chē)上，使用氧信號(hào)電子模擬器模擬劣化后響應(yīng)變慢的氧傳感器信號(hào)，并將該劣化后的信號(hào)輸入ECU，如圖7 所示。

將氧信號(hào)電子模擬器連接在車(chē)上并設(shè)置好，進(jìn)行了一輪WLTC 循環(huán)的預(yù)處理后，通過(guò)診斷工具，可讀取到未決故障代碼P0133。預(yù)處理后，將車(chē)輛停在排放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行冷浸處理。緊接著，進(jìn)行WLTC 排放測(cè)試循環(huán)，同步測(cè)量汽車(chē)排放的污染物。在排放試驗(yàn)結(jié)束之前，ECU 再次檢測(cè)到了該故障，點(diǎn)亮了MIL，同時(shí)存儲(chǔ)了一個(gè)確認(rèn)的故障代碼P0133、一個(gè)永久故障代碼P0133，和凍結(jié)幀數(shù)據(jù)。

圖7 前氧傳感器故障模擬

試驗(yàn)過(guò)程記錄的正常及故障氧傳感器信號(hào)對(duì)比如圖8（橫坐標(biāo)為時(shí)間，s；縱坐標(biāo)為電壓，V；測(cè)試條件：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 450±50 r/min，進(jìn)氣歧管壓力60±3 kPa，車(chē)速90±5 km/h）所示。

圖8 前氧傳感器信號(hào)

試驗(yàn)后，用診斷工具DiagRa D 可讀取上述存儲(chǔ)的故障信息，如圖9 所示。

圖9 診斷工具通信信息截圖

污染物排放測(cè)試結(jié)果均小于國(guó)六OBD 閾值，符合國(guó)六排放法規(guī)要求，見(jiàn)表3。

表3 污染物排放測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了國(guó)六輕型車(chē)OBD 系統(tǒng)，包括故障監(jiān)測(cè)、故障管理、協(xié)議棧3 個(gè)模塊，并通過(guò)整車(chē)試驗(yàn)測(cè)試，主要結(jié)論如下：

（1）故障檢測(cè)模塊可有效監(jiān)測(cè)綜合部件故障，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能故障，并實(shí)現(xiàn)ECU 自診斷功能。但催化器監(jiān)測(cè)、氧傳感器監(jiān)測(cè)、VVT 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等診斷項(xiàng)目需新增診斷策略、擴(kuò)大診斷邊界條件、增加標(biāo)定及驗(yàn)證工作，才能滿(mǎn)足IUPR 提升至0.336 的要求。

（2）故障管理模塊是OBD 系統(tǒng)的中樞，能有效完成故障監(jiān)測(cè)管理、故障確認(rèn)及清除、故障代碼相關(guān)信息存儲(chǔ)及清除、MIL 控制等功能。

（3）OBD 系統(tǒng)能正常檢測(cè)到故障，進(jìn)行故障代碼存儲(chǔ)，點(diǎn)亮MIL，與診斷工具正常通信并可讀取到故障代碼等相關(guān)故障信息，滿(mǎn)足了國(guó)六排放法規(guī)的要求。