李波輝，周振亮

（廣西壯族自治區(qū)汽車(chē)拖拉機(jī)研究所有限公司，廣西 柳州 545006）

0 引言

隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加速，中國(guó)汽車(chē)保有量增長(zhǎng)速度較為迅猛。截至2021 年6 月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.84 億輛，機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)?.69 億人。我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)，汽車(chē)污染物排放量高居世界首位。目前，城市霧霾問(wèn)題突出，汽車(chē)尾氣中的CO2、CO、NOx 和揮發(fā)性有機(jī)物VOCS 排放污染是主要污染源。

OBD（On Board Diagnostics）是一種車(chē)載診斷系統(tǒng)，用于排放控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)與排放相關(guān)的任何部件發(fā)生故障時(shí)，OBD 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)應(yīng)顯示出現(xiàn)了故障，將相應(yīng)的故障代碼存入車(chē)載電腦，并點(diǎn)亮故障指示器（MIL），車(chē)輛駕駛員能夠通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的診斷系統(tǒng)識(shí)別故障代碼。因此，車(chē)輛OBD 系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛排氣污染物的監(jiān)測(cè)及控制尤為關(guān)鍵。

OBD 生產(chǎn)一致性測(cè)試作為汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)一致性自查及環(huán)境主管生產(chǎn)一致性抽查的重要環(huán)節(jié)，因其檢查測(cè)試難度高、工作內(nèi)容多且繁瑣、沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范，成為了一項(xiàng)業(yè)界難題。

量產(chǎn)車(chē)OBD 生產(chǎn)一致性測(cè)試，俗稱(chēng)PVE（Production Vehicle Evaluation）量產(chǎn)車(chē)評(píng)估測(cè)試。PVE 測(cè)試的工作內(nèi)容，主要是在一定的車(chē)輛行駛條件下，進(jìn)行故障模擬觸發(fā)并修復(fù)的驗(yàn)證，并檢查車(chē)輛OBD 系統(tǒng)是否滿(mǎn)足相應(yīng)的故障監(jiān)測(cè)要求。其中，故障監(jiān)測(cè)包括對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)流的讀取、故障發(fā)生時(shí)凍結(jié)幀的生成、在用監(jiān)測(cè)頻率（IUPR）正確顯示等。故障驗(yàn)證即為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求或汽車(chē)生產(chǎn)廠家定義的故障觸發(fā)條件，模擬故障條件，以驗(yàn)證OBD 診斷儀能否讀取到車(chē)輛相應(yīng)的故障信息，及故障指示器（MIL）是否能正確點(diǎn)亮。MIL 燈點(diǎn)亮的故障類(lèi)型可以分為線路故障、合理性故障、通訊故障、硬件故障及監(jiān)控故障。但監(jiān)控故障屬于軟件層面故障，其觸發(fā)條件較為特殊，PVE 測(cè)試可申請(qǐng)豁免。

本文主要研究量產(chǎn)車(chē)評(píng)估PVE（Production Vehicle Evaluation）測(cè)試的故障驗(yàn)證。研究將以某車(chē)型的PVE 測(cè)試為例，分別闡述線路故障、合理性故障、通訊故障、硬件故障這四種故障類(lèi)型下，模擬故障所使用的設(shè)備、模擬方法及模擬故障經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[1]。

1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

在進(jìn)行PVE 測(cè)試時(shí)，現(xiàn)今大部分企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的方式，即采用直接拆裝，短接或破壞傳感器的方法，但此方法成本高昂且效率低下。為了提升工作效率且節(jié)約成本，使用到的設(shè)備及相關(guān)軟件包括DiagRA_D 診斷軟件、eDiAT 自動(dòng)化測(cè)試軟件、總線通訊軟件CANoe、SENT 信號(hào)模擬裝置（SU150）、傳感器信號(hào)模擬裝置（SU160）、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)模擬裝置（SU190）、FIU 機(jī)箱及ECU 線束模塊對(duì)故障碼逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試。故障模擬原理圖是PC 軟件ACME 通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的控制，模擬ECU 引腳電氣故障的注入。比如SU150、SU160、SU190 各類(lèi)模擬裝置實(shí)現(xiàn)相關(guān)的執(zhí)行器電磁閥動(dòng)作遲緩、卡滯等。如圖1 所示。

圖1 故障模擬構(gòu)架

對(duì)法規(guī)GB18352.6-2016 提到要求的每個(gè)診斷應(yīng)用缺陷部件或電子裝置模擬故障，驗(yàn)證其檢測(cè)到故障、點(diǎn)亮MIL 并存儲(chǔ)確認(rèn)故障碼，并在PVE 表格中記錄驗(yàn)證結(jié)果。根據(jù)不同的故障診斷要求，在滿(mǎn)足國(guó)六法規(guī)要求的條件下，采取對(duì)應(yīng)的測(cè)試形式：如車(chē)輛原地啟停和怠速、整車(chē)轉(zhuǎn)鼓、市區(qū)道路、高速公路，試驗(yàn)過(guò)程記錄同時(shí)記錄INCA 數(shù)據(jù)和OBD 診斷數(shù)據(jù)。永久故障碼的清除：在上述故障檢測(cè)驗(yàn)證工作全部結(jié)束后，企業(yè)應(yīng)在有IUPR 率要求和無(wú)IUPR 率要求的診斷項(xiàng)中各挑選一個(gè)有代表性的診斷進(jìn)行消除測(cè)試，并記錄相關(guān)測(cè)量LOG文件并記錄保存輸出。如圖2 所示。

圖2 故障模擬系統(tǒng)原理

2 PVE 難點(diǎn)及挑戰(zhàn)

2.1 難點(diǎn)

PVE 作為國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的新增項(xiàng)目，企業(yè)完全沒(méi)有相關(guān)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，部分企業(yè)OBD 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是外包供應(yīng)商進(jìn)行的，對(duì)OBD 系統(tǒng)控制策略缺乏技術(shù)理解，而PVE J2需要對(duì)每個(gè)故障碼進(jìn)行模擬，但前提是要對(duì)故障診斷原理、故障模擬方法有一定掌握。PVE 測(cè)試過(guò)程涉及大部分電氣診斷，包括原地部分的診斷，比如某些傳感器的通斷以及改變電壓幅值的高低，需要在專(zhuān)用設(shè)備上進(jìn)行通斷操作及改變電壓幅值的操作。還有一部分是在特殊工況下進(jìn)行的通斷以及改變電壓幅值的高低，比如氧傳感器的診斷，就需要在特殊工況下進(jìn)行。這兩類(lèi)診斷一般都需要利用信號(hào)發(fā)生器輸出電壓或利用過(guò)程標(biāo)定儀輸出電壓。在傳統(tǒng)的設(shè)備及方法下進(jìn)行PVE 測(cè)試，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且需要準(zhǔn)時(shí)執(zhí)行，難以掌控時(shí)間，所以導(dǎo)致試驗(yàn)成功率不高。不同的企業(yè)采用不同的OBD 控制策略，ECU 硬件及軟件均不同，使得PVE 無(wú)法形成統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范。

2.2 挑戰(zhàn)

PVE 要求每年至少完成三個(gè)車(chē)型的J1、J2、J3 的試驗(yàn)，其中J2 根據(jù)車(chē)型故障碼數(shù)量所需的周期不同，通常200 個(gè)故障碼的傳統(tǒng)能源車(chē)輛需400 ～500 h，而800 個(gè)故障碼的新能源車(chē)輛所需時(shí)間更長(zhǎng)，并且需要相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備、轉(zhuǎn)鼓或道路資源支持，因此對(duì)于人員和資源相對(duì)緊張的企業(yè)來(lái)說(shuō)，很難在量產(chǎn)后的6 個(gè)月內(nèi)完成3 個(gè)車(chē)型的J2 的全部測(cè)試[2]。熟練掌握PVE 測(cè)試流程后，PVE 則成為十分耗時(shí)的重復(fù)性勞動(dòng)，對(duì)企業(yè)工程師的能力發(fā)展有一定局限，建議交由專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)完成所。以本文舉例闡述PVE 測(cè)試流程方法，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的測(cè)試硬件和軟件相結(jié)合。使用基于模型的診斷可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)診斷系統(tǒng)的性能[3]，可以大大加快測(cè)試速度，減少測(cè)試時(shí)間，以至于在規(guī)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成相關(guān)測(cè)試。

3 故障驗(yàn)證

3.1 線路故障驗(yàn)證

線路故障主要包括傳感器控制電路開(kāi)路、控制電路電壓過(guò)高/過(guò)低故障、傳感器對(duì)地短路故障、傳感器對(duì)電源短路故障和壓力過(guò)高/過(guò)低故障見(jiàn)表1。

表1 線路故障示例

（1）故障持續(xù)時(shí)間可設(shè)置，1～65 534 ms（除去繼電器閉合斷開(kāi)時(shí)間）或持續(xù)故障。

（2）非斷路故障可設(shè)置是否帶載，即ECU 引腳故障時(shí)，外部傳感器和執(zhí)行器是否同時(shí)接入。

（3）如需要模擬傳感器信號(hào)對(duì)傳感器電源短路故障，可以直接將傳感器信號(hào)和傳感器電源兩個(gè)引腳通過(guò)引腳間短路故障模擬的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2 合理性故障驗(yàn)證

合理性故障主要包括傳感器信號(hào)不合理、信號(hào)丟失、粘滯見(jiàn)表2。

表2 合理性故障示例

（1）可以通過(guò)兩路模擬量輸出通道：輸出范圍±10 V，精度±10 mV，可模擬相關(guān)傳感器合理性故障；

（2）兩路電阻信號(hào)輸出：輸出范圍0 ～65.536 kΩ，步進(jìn)精度10 kΩ，可模擬相關(guān)溫度傳感器合理性故障。

（3）通過(guò)SU190 模擬執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障，PC 軟件ACME 通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)控制，模擬ECU 相關(guān)驅(qū)動(dòng)故障的注入，如執(zhí)行器動(dòng)作遲緩、粘滯等，最大驅(qū)動(dòng)峰值電流10 A，持續(xù)電流5 A。

3.3 通訊故障驗(yàn)證

通訊故障主要包括CAN、LIN 通訊信號(hào)不合理、報(bào)文丟失等故障，見(jiàn)表3。CAN 總線是將整車(chē)各種不同的控制單元連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息可靠共享，也減少了整車(chē)線束的數(shù)量，但是實(shí)時(shí)通訊的故障問(wèn)題也較為復(fù)雜。CANOE 最初主要為了汽車(chē)CAN 總線的開(kāi)發(fā)、仿真、測(cè)試盒分析而設(shè)計(jì)，隨著車(chē)載總線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，擴(kuò)展加入了Lin、FlexRay、MOST 和Ethernet 等網(wǎng)絡(luò)[4]?？梢允褂肞ython 腳本自定義測(cè)試步驟及流程，進(jìn)行自動(dòng)化閉環(huán)測(cè)試，無(wú)需工程師的人工操作就能自動(dòng)模擬故障，大大節(jié)省了PVE 測(cè)試的時(shí)間和人力成本，可以輕松實(shí)現(xiàn)不同總線（CAN、LIN）故障測(cè)試報(bào)文丟失、信號(hào)不合理、Checksum 錯(cuò)誤等。設(shè)備如圖3 所示。

表3 通訊故障示例

圖3 CANOE 設(shè)備

Python 腳本：可實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）屏蔽某個(gè)報(bào)文；

（2）修改信號(hào)內(nèi)容并轉(zhuǎn)發(fā)至整車(chē)網(wǎng)絡(luò)中；

（3）修改報(bào)文Checksum 并轉(zhuǎn)發(fā)至整車(chē)網(wǎng)絡(luò)中；

（4）總線節(jié)點(diǎn)仿真。

3.4 硬件故障驗(yàn)證

硬件故障主要是將與排放相關(guān)的硬件破壞或者移除替換件代替，監(jiān)測(cè)是否發(fā)生異常情況，此類(lèi)故障是整個(gè)PVE 測(cè)試中比較浪費(fèi)時(shí)間的一個(gè)步驟，也是不可缺少的。傳統(tǒng)方法是破壞更換，但是也可以用模擬器的方法模擬故障老化，需要較高的設(shè)備投入，增加企業(yè)研發(fā)資金投入。國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求OBD 監(jiān)測(cè)硬件有：催化轉(zhuǎn)化器、排氣傳感器（前氧傳感器、后氧傳感器）、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)（PCV）、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、V V T系統(tǒng)、顆粒捕集器，并要求NMHC 與NOx 轉(zhuǎn)化效率，監(jiān)測(cè)的輸入部件的電路、數(shù)值超限、合理性，輸出部件或系統(tǒng)的功能性診斷和電路診斷，混動(dòng)還汽車(chē)需要診斷電量存儲(chǔ)、熱管理、再生制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件見(jiàn)表4。

表4 硬件故障示例

4 結(jié)論

PVE J2 故障碼測(cè)試是將整車(chē)上所有的故障碼都要測(cè)試一遍。在不更改控制器的控制系統(tǒng)的前提下，每一個(gè)故障碼都要通過(guò)特定的方法觸發(fā)。與排放相關(guān)的故障碼報(bào)碼后，確保J1979 服務(wù)的正確支持，消耗時(shí)間最大的就是這一部分，因?yàn)檎?chē)可能有好幾個(gè)與排放相關(guān)的控制器。當(dāng)然還有ECU 和TCU，幾百個(gè)故障碼，逐一進(jìn)行測(cè)試。需要準(zhǔn)備專(zhuān)業(yè)的設(shè)備有：OBD 信號(hào)轉(zhuǎn)換盒、傳感器信號(hào)模擬裝置SU160、故障注入裝置FIU、曲軸及凸輪軸信號(hào)模擬裝置SU170、輪速信號(hào)模擬裝置SU180、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)模擬裝置SU190、失火發(fā)生器、氧模擬器、SENT 模擬器和測(cè)試軟件eDIAT、Python 腳本、CANoe 總線通訊軟件，各類(lèi)故障件。

目前，PVE 測(cè)試主要由汽車(chē)廠商或其研究院自行完成，也有找外包公司完成的，為了更快地完成測(cè)試需要企業(yè)提供OBD summary table 及DTC 故障列表，及OBD系統(tǒng)控制策略支持，包括但不限于：故障描述、OBD 故障碼、故障等級(jí)、故障監(jiān)測(cè)激活條件、故障監(jiān)測(cè)周期、故障確認(rèn)時(shí)間、故障恢復(fù)時(shí)間、監(jiān)測(cè)策略說(shuō)明、監(jiān)測(cè)用輔助參數(shù)、閾值大小、點(diǎn)亮MIL 燈條件、故障響應(yīng)方式、故障注入模式、DTC 存入NVRAM 條件、需要寫(xiě)入凍結(jié)幀的數(shù)據(jù)、凍結(jié)幀存入NVRAM 條件、最小IUPR 率等，從而達(dá)到低企業(yè)在PVE 測(cè)試中的人效成本。