實際診斷率（IUPR）功能開發與驗證

摘 要：本文全面介紹了 IUPR功能模塊的開發過程，包括詳細策略設計、整車標定和道路驗證。最終經過實驗證

明，本文所設計的 IUPR功能完全滿足 OBD法規要求。關鍵詞：診斷率；車載診斷系統；發動機管理系統

1 前言

21世紀初是中國汽車業高速發展的時期，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，中國環保部引入汽車排放標準和OBD（On-Board Diagnosis，車載診斷系統）法規，確保當影響排放的某部件老化時，EMS（發動機管理系統）應該檢測到該故障，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維修店排查。

OBD技術的使用，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系統對診斷的執行頻率沒有進行監測，無法保證診斷功能是否一直處于激活狀態并且工作良好。在此背景下，從國五法規開始，增加了對 OBD系統診斷實際監測頻率（In-Use Performance Ratio，縮寫為IUPR）的功能要求，由此， OBD系統就被套上了一個緊箍咒，要求各EMS開發商對診斷策略的設計以及整車標定工作更加的細致和嚴密。

本文根據OBD法規，設計了一套IUPR功能的軟件實現方法，并且分析了該功能的標定以及實驗驗證過程。

2 IUPR功能開發

2.1 功能介紹

IUPR是用于檢測非連續性OBD診斷的計數器，代表了車輛運行過程中診斷發生的真實頻率（滿足基本駕駛工況條件下的診斷完成次數）。是法規對 OBD診斷系統提出的更高要求。要求診斷適應范圍更寬廣，診斷系統更可靠。IUPR值的大小直接體現出診斷頻率的高低，其基礎計算方法如下：

分子計數器

IUPR=分母計數器

分子計數器：某一特定監測的分子計數器用于測量汽車執行該監測的次數。為了檢測故障并通知駕駛員，只有當制造廠規定的所有監測條件滿足時才會執行該監測。除非有合理的技術性理由，每個運轉循環分子計數器增加應不超過一次。

分母計數器：顯示汽車行駛事件的次數，并考慮特定監測的特定條件。如果在運轉循環期間特定條件滿足，則在該運轉循環中分母計數器至少應增加一次。

點火循環計數器：顯示汽車經歷的點火44bc1600270b1d429e22ca70adc91b1d循環的數量。在每個運轉循環，點火循環計數器的累加將不會超過一次。

通用分母計數器：用于測量汽車運行的次數。在單個運轉循環中，當且僅當滿足下列標準時，計數器將在10s內增加：

–海拔低于2440m （72kPa）。

–環境溫度大于或等于-7°C。

–發動機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行的時間大于或等于300s。

–汽車持續怠速運行（如司機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監測的法規要求：對于汽車裝備的某一特定監測M，國五法規要求IUPRM應大于等于0.1。汽車應至少在160000km的里程內滿足這一要求。

對于某一特定監測 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計要求，則認為符合本附件關于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策略設計

IUPR是基于現有OBD系統的基礎上新增加的診斷功能，因此，策略設計也是在當前 EMS系統的基礎上新增DIUPR策略模型。利用MathWork公司matlab軟件下的simulink工具，根據法規要求，結合當前發動機功能，在現有OBD軟件基礎上搭建新的DIUPR策略模型，該模型算法包括點火循環計數器，通用分母計數器以及前（后）氧傳感器診斷，催化器診斷，VVT診斷等分子和分母計數器等功能，這些計數器值最終通過診斷協議通用模式9輸出給診斷儀工具。

點火循環計數器軟件設計，根據發動機啟動成功的標志位，把該標志位經過一個上升沿觸發信號轉變成一個脈沖信號，該脈沖信號作為計數器的增加條件，實現了計數器加1功能，并且由于是脈沖信號，單個駕駛循環，僅僅加1，完全符合法規要求。

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

分母計數器軟件設計，對于任意一種分母計數器的實現，其基本過程與通用分母計數器一致，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 VVT控制器連續開啟兩次或者持續開啟時間超過10秒，才能滿足分母增加條件，并且當影響該特定診斷的故障發生時，要暫停該特定診斷分母計數器的增加。

分子計數器軟件設計，與EMS診斷算法的關聯最大，從主機廠角度，分子計數器越快增長越好，但是必須與具體診斷策略相結合，只有特定診斷在當前駕駛循環診斷完成，并且確保如果有故障發生，必須能報出故障的前提下，其分子計數器才能加1，且當前駕駛循環最多加1。同時，分子計數器與分母計數器一樣，如果有影響該診斷的故障發生，其分子計數器必須與分母計數器保持一致，同時暫停其計數功能，直到故障消失10秒以后才能繼續增長。

上述幾項基礎計數器功能實現以后， IUPR主體功能已基本實現，但仍有不少細節需要統籌考慮。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的分子和分母，如果診斷率相等，則輸出分母計數器值最大的那種診斷方法對應的分子和分母。另外，在 EMS軟件中，計數器一般都采用16位的字長進行存儲，這也意味著其能存儲的最大值為 65535，當點火循環計數器或者通用分母計數器達到最大值時，其下一個駕駛循環，所有的分子分母計數器都將從零開始；如果特定診斷的分子或者分母計數器達到最大值，則從下一個駕駛循環開始，對應特定診斷的分子分母計數器將除以二然后開始計數。

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

3 IUPR標定

當IUPR策略設計實現以后，首先在電腦上進行模型級的仿真測試—— MIL測試（Mode-In-Loop），當確認模型功能實現以后，接下來就是要進行整車級的測試與標定了。以奇瑞某車型 E4G16發動機作為基準，需要進行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標定進行說明。

上游氧傳感器診斷標定，上游氧傳感器是發動機系統燃油閉環控制的關鍵部件，其好壞直接關系著整車的排放、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，只有當發動機工況滿足要求后，氧傳感器才能開始起振和工作。因此，在 OBD系統設計中，氧傳感器的診斷也會設置很多工況條件要求，確保在氧傳感器工作區域并且易于識別的條件下進行診斷，避免誤報。在之前的OBD系統中，氧傳感器診斷主要基于 NEDC排放工況進行標定，但是引入IUPR策略之后，正常城市工況和郊區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診斷率法規要求。基于此現況，我們根據城市工況與郊區工況的采集數據進行分析，在原來的診斷工況下，新增了車速在 50km/h、 60km/h、100km/h等診斷區域。經過測試，拓寬診斷區域后，上游氧傳感器診斷標定可以滿足IUPR診斷率要求。

下游氧傳感器診斷標定，下游氧傳感器是催化器老化檢測的關鍵部件，同時也對燃油閉環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。傳統下游氧傳感器診斷采用有振蕩測試法，斷油測試法和動態測試法，為了保證 IUPR率，在IUPR策略設計的時候，其分子增加會同時考慮這三種方法，當其中任意一種完成了診斷，并且確保當有故障發生可以報出故障的時候，分子就會增加。經過測試驗證，下游氧傳感器診斷標定也可以滿足IUPR診斷率要求。

催化器診斷標定，三元催化器是發動機的尾氣后處理機制，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卡，其一旦發生劣化，就直接導致整車排放超標，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定就變得極其重要，必須確認不能誤報。在實車驗證中，經過多重標定和測試，催化器診斷能夠滿足IUPR診斷率要求。

VVT（可變氣門正時）診斷標定， VVT是用來提高發動機的充氣效率，降低油耗的一個執行器，在整車運行中，只要發動機機油溫度超過一定值，VVT即可進入工作狀態。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。

經過對各個診斷功能的獨立標定以后，經過整車測試驗證，該系統所有分子分母能夠準確可靠地增加，診斷率也都符合法規要求。圖三所示，即為測試中的一組整車IUPR計數器正確增加數據。

圖3中，分子計數器都大于分母計數器，這是由于試驗車在測試過程中，有很多的駕駛循環從運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滿足，因此會導致上述情況發生，另一方面也可以證明，該IUPR策略是可以滿足法規要求的。

4 IUPR路試驗證

IUPR是對診斷完成次數的統計算法，為了驗證該功能，必須經過多輪路試，盡可能覆蓋絕大部分客戶駕駛工況，采集整車診斷率數據，最終進行數據統計和分析，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，需要經歷以下幾個步驟：資源準備、實驗路線規劃、數據記錄分析和結果統計。

4.1 資源準備

IUPR路試的前提條件是整車基礎標定和OBD基礎標定結束，整車狀態為批產驗證車輛。為確保數據的有效性，考慮一致性因素，需要準備兩輛試驗車同時進行路試。因此需要準備試驗車兩輛，駕駛員兩位（要求駕駛技術熟練，如果駕駛過程中異常熄火，會導致數據失效），而且每輛車都要裝上行駛記錄儀，記錄一些必要的EMS數據信息，該信息應包含整車所有運行狀態，故障信息以及IUPR相關計數器信息。

4.2 實驗路線規劃

由于IUPR是一種統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。根據客戶每天上下班工況，一般分為城市工況和郊區工況。在路線規劃的時候，經過多次實地勘探和數據采集分析，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路線E和F。在實驗進行的時候，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，并且每天要規劃好實驗時間，覆蓋冷機高峰、熱機非高峰、冷機非高峰和熱機高峰四種情況。試驗路線的規劃既要考慮覆蓋性，同時也要考慮 IUPR通用分母的增長條件，本次實驗規劃路線詳細情況如表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。經過路試驗證，各個診斷模塊的IUPR率都遠遠大于國五法規要求的

0.1。該 EMS系統已經匹配數款車型，并且全部拿到了公告核準證書。經過上述一系列的開發，標定以及驗證過程，證明本文所設計的IUPR功能完全滿足法規要求，可以在整車上應用和持續推廣。

當前國六法規即將出臺，國六結合了歐六與美標OBDII的法規，對OBD與IUPR診斷率都提出了更多更嚴格的要求，多個診斷模塊的 IUPR率要求達到 0.336，但是 DIUPR基礎策略不需要變更，只需增加一些新的診斷功能接口即可。結合目前的IUPR診斷率結果來看，該EMS系統中的 IUPR軟件也能滿足國六要求。

4.3 過程數據記錄與分析：

在實驗進行過程中，根據行駛記錄儀存儲卡容量情況，安排專業工程師每一天或者兩天進行一次數據導出，然后進行數據分析，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標定不合理，還是策略設計不合理亦或是EMS系統其它故障導致的IUPR功能失效。并把數據結果進行分類處理，每天累加直至實驗結束。并且要求駕駛員對實驗過程進行記錄，尤其是當整車有異常故障發生或者行駛中異常熄火時，一定要通知專業工程師進行處理。

4.4 結果統計：

實驗結束后，摒棄其中一些異常數據，比如整車系統故障，記錄失敗，行車過程中異常熄火等原因導致的數據。對剩下的所有有效數據進行分類統計，兩臺試驗車最終統計數據如表二和表三所示。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功能符合法規要求。

[1]朱小慧，費繼兵 .車載故障診斷系統的研究 .車用發動機.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.