基于OBD 系統的量產車評估（PVE）測試方法研究*

王力輝 劉 樂 凌 健

（1-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

量產車評估（PVE）測試是國Ⅵ標準中新增的認證要求[1]。國內大多數汽車生產企業從未進行過PVE測試，沒有相關的測試經驗。尤其部分汽車生產企業的OBD（on board diagnostics，車載自動診斷）系統開發是以外包供應商的方式進行的，對OBD 系統控制策略缺乏技術理解。而PVE J2 需要對每個故障碼進行模擬，要求對故障診斷原理和故障模擬方法有深入的理解。不同的汽車生產企業采用不同的OBD 系統供應商和控制策略，ECU 軟硬件不同，使得PVE測試無法形成統一的試驗規范。本文研究了故障診斷機制、PVE 測試方法和故障模擬方法，形成一套完整的PVE 測試規范。

1 OBD 系統

PVE 測試是針對OBD 系統進行驗證，掌握PVE測試，首先需要對OBD 系統有一定了解。

OBD 系統是一套嵌入車輛控制器的車載診斷系統，時刻監控著所有影響排放性能的部件，確保車輛排放在整個生命周期維持在合格水平。如果監測到與排放相關的部件出現故障，OBD 系統會點亮車輛儀表上的警示燈，提醒駕駛員，并存儲相應的故障碼及故障信息，以便維修使用。除警示故障功能外，OBD 系統還提供通過外部工具讀取動力總成、排放系統以及車輛VIN（vehicle identification number，車輛識別碼）等信息的功能。

OBD 系統具有完善的標準化協議，但不同國家和地區采取的協議不同。比如，歐洲采用的是ISO 標準，而美國采用的是SAE 標準。ISO 標準和SAE 標準對于底層協議的要求在一定程度上是等效的，從而形成了全球統一的標準化OBD 系統。早在20 世紀70 年代，大眾、通用等汽車生產廠家開始研制自己的發動機診斷系統。1988 年，SAE 發布標準化的車載診斷協議；1991 年，CARB（California air resources board，加州空氣資源委員會）發布了OBDI 標準；1994～1996 年，CARB 引入OBDII 標準[2]，經過2002年、2006 年、2012 年的3 次修訂，逐漸形成了現在廣泛使用的OBDII 標準，我國國Ⅵ標準中的OBD 相關要求均參照了美國的OBDII 標準。歐洲從2000 年開始形成了自己的EOBD 標準體系[3-4]，經過多年的發展和完善，不斷向美國OBDII 標準靠近。

OBD 系統已經形成了標準化的故障碼清單、外部工具通訊接口、可讀取的模式/服務01～0A 和相應的PID 信息等，如表1 所示。

表1 OBD 系統模式/服務

表1 中，沒有Mode05、Mode08。因為，在OBD標準發展的過程中，Mode05、Mode08 逐漸被Mode06取代，目前已不使用。

正如表1 中的Mode03、Mode07、Mode0A 所示，OBD 系統定義了未決、確認、永久故障碼，形成了一套完整的故障監測條件、激活閾值、故障碼生成、點亮MIL（malfunction indicator lamp，故障指示燈）燈、故障恢復的故障診斷機制。每一個部件和系統通過各自的診斷邏輯檢查自身的功能是否正常。一旦發現故障，OBD 系統會經過一系列診斷步驟，點亮MIL燈，警示駕駛員，如圖1 所示。

圖1 OBD 系統點亮MIL 燈機制

根據診斷邏輯，每個故障碼均有各自的監測激活條件和閾值，滿足相應的激活條件，OBD 系統對其進行監測，驗證部件和系統性能、功能性和合理性，達到相應閾值后，故障生成未決故障碼，此時MIL 燈不點亮。下個駕駛循環中，如果此故障再次被檢測出，則點亮MIL 燈，并生成確認故障碼、凍結幀和永久故障碼。如果到下個駕駛循環結束未檢測到故障，則系統自動清除未決故障碼。接下來，如果連續3 個駕駛循環均未檢測到故障，則熄滅MIL 燈并清除永久故障碼，但確認故障碼仍將存在于41 個暖機循環。MIL 燈和故障信息能通過掃描工具進行清除，但永久故障碼不能清除。

為了保證車輛整個生命周期均能滿足排放要求，OBDII 標準明確規定了需要被監測的系統及參數，如表2 所示。有些部件可以連續地被監控，但有些部件則不能。此時，OBDII 標準明確指出，汽車生產企業必須標明重要排放部件和子系統的監控條件，且必須滿足最小在用監測性能（IUPR）要求。

表2 中主要是汽油發動機監測要求，與柴油發動機略有不同。

OBD 系統根據不同故障的監測參數判斷是否超過其閾值從而報出相應故障碼。一些故障碼閾值的設定相對簡單，如合理性和電路故障，判斷電路的通斷即可。有些故障監測閾值相對復雜，如EGR 系統、燃油系統和氧傳感器故障等，OBD 系統必須判斷系統和部件的惡化及破壞程度是否導致排放超過標準限值。試驗表明，國Ⅴ標準車輛的OBD 診斷項目中，催化器故障、氧傳感器故障、失火故障會造成部分排放污染物增加10 倍左右；OBDII 中特有的診斷項目，包括冷啟動減排策略、發動機冷卻系統、EGR、燃油系統、VVT 等，分別造成NMHC、CO、NOx排放污染物增加1～9 倍。所以，將部件性能和車輛排放聯系起來，判斷系統故障何時導致排放超限值是OBD 系統和故障閾值設計的難點之一。

表2 OBD 系統監測要求案例

2 PVE 基本方法及故障分類

量產車評估（PVE）測試是國Ⅵ標準中OBD 認證新增的要求，美國從2002 年開始實行PVE 測試[5]，已歷經了17 年的發展歷程，國Ⅵ標準中的PVE 測試要求基本參照了美國的相關要求。

國Ⅵ標準要求汽車生產企業按照圖2 所示的流程進行PVE 認證。每一年度，汽車生產企業的PVE各項測試不應少于3 個車型，原則上，PVE J1 和PVE J3 測試應涵蓋測試年度的所有新增OBD 系族。當年生產的所有OBD 系族測試組少于3 個時，可以少于3 個車型，但不能少于測試組數量。

PVE 測試包括3 個部分，分別是PVE J1 標準化驗證、PVE J2 監測要求驗證、PVE J3 在用監測性能驗證。其中PVE J1 測試主要是驗證車輛能夠和掃描工具正常通訊以及OBD 系統滿足SAE J1979 的相關協議要求；PVE J2 測試要求驗證車輛的所有OBD故障碼，OBD 系統應能夠監測到故障、點亮MIL 燈并存儲相應的確認和永久故障碼；PVE J3 測試主要用于在用監測性能（IUPR）追蹤數據的收集。

圖2 PVE 認證流程

2.1 PVE 測試方法

2.1.1 PVE J1 標準化驗證

就整個PVE 測試而言，PVE J1 測試相對較為簡單，操作人員只需使用正確的OBD 通訊接口設備，運行SAE J1699-3 軟件的靜態測試部分即可。大多數通訊接口均可以用來進行PVE J1 測試，但部分接口設備由于不支持某些協議導致測試過程失敗并報告不合格。故選用正確的通訊接口設備是成功完成PVE J1 測試的必要條件，SAE J1699-3 協議要求PVE J1 測試使用的通訊接口必須支持CAN、ISO 9141、ISO 14230、ISO 15765、J1850 VPW、J1850 PWM等協議要求。

PVE J1 測試內容已經完全嵌入SAE J1699-3 軟件中，操作人員只需按照軟件提示，如啟動、熄火、斷開傳感器等步驟逐步操作即可，直至完成軟件的5.1～9.22 要求的全部內容，軟件會自動于根目錄生成報告。

2.1.2 PVE J2 監測要求驗證

PVE J2 測試是整套PVE 測試中工作量最大、最難的部分，每個點亮MIL 燈的OBD 故障碼都應被驗證，如何植入故障是PVE J2 測試的難點。每個故障碼的基本測試流程如圖3 所示。

1）根據故障碼的模擬方法對車輛植入故障，OBD II 標準明確要求使用硬件方法而不能使用修改標定的方法進行故障模擬。

2）車輛分別運行2 個駕駛循環，檢查車輛是否存儲相應的未決故障碼、確認故障碼和永久故障碼，并且點亮MIL 燈，每個駕駛循環均需存儲測量文件。駕駛循環是指一個完整的車輛上電、啟動發動機、怠速、行駛、熄火、休眠的全過程。

圖3 PVE J2 測試基本流程

3）選取自然清除或者被動清除的方式清除車輛的永久故障碼。

2.1.3 PVE J3 在用監測性能驗證

PVE J3 測試要求收集量產后6～12 個月的在用車的在用監測性能（IUPR）數據，其中，要求一個車型至少選取15 個樣本車輛，樣本車輛必須正常維護，無濫用駕駛和大修等行為，并且需滿足相應的最小分母要求。數據收集的方法較為簡單，即使用掃描工具通過車輛OBD 接口讀取相關診斷信息。而樣本車輛的選取方法是PVE J3 測試的難點，關鍵是如何保證數據的有效性和代表性。故PVE J3 測試的取樣方法應使用統計學方法，在全國范圍內大量收集該車型的OBD 信息，使得IUPR 數據形成正態分布圖，進而在圖中平均選取分布點的數據，以確保PVE J3 報告數據具有代表性。

2.2 故障分類

一輛傳統輕型汽油車故障碼數量在200～350 左右，而一輛新能源汽車的故障碼數量是傳統車數量的2～3 倍。其中，直接導致排放超過限值的故障占10%。大部分故障碼均為非排放限值監測，屬于綜合部件監測，如傳感器的電路故障、合理性故障和輸出系統的功能性故障等。在進行PVE 測試時，往往根據故障碼的類型及模擬方法將所有故障碼進行分類，以提高測試效率。

按照故障模擬方法可以將故障碼分為8 類，如表3 所示。

值得注意的是，近40%的故障碼是PVE 測試無法模擬的故障碼。因為PVE 測試要求必須使用硬件法模擬，不能使用修改標定的方法進行故障模擬，并且OBD 演示認證完成的故障碼以及可能造成車輛損壞或需要破壞車輛才能模擬的故障碼均可以申請免除PVE 測試。例如，安全監控類故障（轉矩監控故障P061A）、ECU 內部軟硬件類故障（芯片供電通道過溫故障P0634）、空燃比閉環控制自學習故障（P2177）等需要修改標定才能夠模擬，油位傳感器的故障可能需要破壞車輛座椅下的接插件線束才能夠模擬。

表3 故障碼分類

3 PVE 故障模擬方法

故障模擬方法需根據各個故障碼的診斷原理、激活條件和閾值進行設計，基本參考OBD 系統監測的排放控制系統信息表中的監測輔助參數和故障閾值等信息來設定使用的硬件、具體操作、車輛行駛工況等。如果OBD 系統滿足相應故障碼的監測激活條件，則進入有效的監測工況。當各項參數超過故障閾值后，即生成故障，從而驗證OBD 系統監測部件和子系統的電路完整性、合理性、功能性等。

3.1 電路類故障

3.1.1 開路

開路故障是指傳感器或執行器的控制電路斷開所造成的一類故障，主要涉及進排氣VVT 控制電路、氧傳感器加熱控制電路、噴油器控制電路、點火線圈控制電路、電子節氣門驅動級、碳罐通風閥控制電路、增壓泄流閥控制電路和流量控制閥控制電路等。通常，模擬方法為通過拔掉BOB 信號轉接盒上傳感器或執行器控制電路對應的PIN 端子[6]，如圖4所示。大部分電路類故障只需車輛原地怠速即可滿足監測工況進而報出故障，個別故障碼可能需要提高轉速或者行駛車輛來達到監測工況。

圖4 開路故障模擬方法

3.1.2 短路

短路故障包括信號短路到地、信號短路到電源、兩信號互相短接的故障，涉及傳感器和執行器的進氣歧管壓力傳感器、氧傳感器信號線、增壓壓力傳感器、噴油器高低邊控制電路互短、爆震傳感器、進排氣凸輪軸傳感器等。模擬方法為通過BOB 信號轉接盒將傳感器或執行器信號PIN 和相應的地、電源、其他信號PIN 端子進行短接[6]，如圖5 所示。車輛狀態類似開路故障。

圖5 短路故障模擬方法

3.1.3 電壓過低和過高

電壓過低和過高是指傳感器或執行器的輸出電壓小于或大于正常的輸出電壓，主要涉及氧傳感器加熱控制電路、進氣溫度傳感器、增壓泄流閥控制電路、冷卻液溫度傳感器、電子節氣門位置傳感器、軌壓傳感器、流量控制閥高低邊控制電路、油箱壓力傳感器、噴油器高低邊控制電路、油泵控制電路、VVT控制電路、點火線圈控制電路等。

通常，模擬傳感器和執行器的電壓過低和過高故障，應使用電壓調節盒或穩壓電源輸出超過部件正常工作范圍的電壓到相應信號PIN 端子，干涉原線路信號電壓，使發動機控制器接收到電壓調節盒輸入的電壓。一般傳感器的工作范圍為0.2～4.8 V，當電壓調節盒輸入的電壓值超過4.8 V 時，ECU 會報相應傳感器的電壓過高故障；電壓調節盒輸入的電壓值低于0.2 V 時，ECU 則會報相應的電壓過低故障。

根據目前的診斷邏輯，一般OBD 系統供應商很難區分電壓過低、過高和短路故障。電壓過低故障可以使用短接信號線和地線的方法進行模擬，電壓過高故障可以使用短接信號線和電源線的方法進行模擬。

3.2 合理性和功能性故障

合理性故障是指傳感器等輸入部件的信號與參考信號存在一定差異，控制器判斷輸入部件信號不合理。主要涉及軌壓傳感器、曲軸位置傳感器、節氣門位置傳感器、凸輪軸傳感器、進氣壓力傳感器等。功能性故障主要指輸出部件/系統未對控制器作出合理的功能性響應，主要涉及怠速控制系統、催化器加熱系統、燃油系統、曲軸箱通風系統等。通常可以通過在傳感器信號線路上串聯或并聯電阻來模擬信號偏移、粘滯和校驗不合理等故障，如圖6 所示。

圖6 合理性和功能性故障模擬方法

根據故障激活條件行駛車輛達到監測工況，通過調節電阻值使信號超過閾值，進而生成相應的故障碼。一般電路類故障屬于連續性診斷，只要車輛上電或怠速即可生成故障。但合理性故障和功能性故障的激活條件較為復雜，需要深入研究各故障的監測輔助參數，解讀滿足條件需要的行駛工況，才能夠進行故障模擬。需要的行駛工況可能有駕駛車輛達到一定車速、怠速時間滿足一定時長、浸車超過6～8 h、激烈駕駛組合等。例如，冷卻液溫度傳感器的合理性故障包括信號低邊不合理P0116 23 和信號粘滯不合理P0116 26、冷啟動校驗不合理（正負偏差）的P050C 24 和P050C 23 等，分別需要2 種監測工況（正常怠速和冷啟動后行駛車輛）。模擬此類故障首先應分析傳感器特性，NTC 溫度傳感器特性是電阻值隨溫度降低而升高，如圖7 所示。

圖7 NTC 冷卻液溫度傳感器特性圖

通過圖7 所示的特性圖可以得到電阻值和溫度的對應關系，進而可以通過將信號串聯或并聯相應的電阻得到需要的冷卻液溫度，當調節冷卻液溫度超過故障閾值后，則報出相應故障碼，如圖8 所示。可以通過在冷卻液溫度傳感器所對應的PIN 端子內串聯3 000 Ω 電阻的方式在怠速工況模擬P0116，也可以通過并聯40 kΩ 電阻的方式在冷啟動工況模擬P050C。

圖8 冷卻液溫度經模擬后隨時間變化趨勢

3.3 工具模擬故障

PVE J2 測試中，使用工具模擬的故障主要包括失火故障、氧傳感器故障、凸輪軸信號不合理故障、CAN 通訊故障等。主要使用的工具包括失火發生器、氧傳感器故障模擬器、信號發生器以及CANoe軟件等[6]。

失火發生器可以直接控制發動機的點火線圈，通過一定頻率的通斷信號使點火線圈在一定頻率下失效，從而模擬發動機失火故障。通過設定失火頻率以及隨機和周期的方式，可以分別模擬單缸失火和隨機失火故障。

凸輪軸信號為PWM（pulse width modulation，脈寬調制）信號，故應使用信號發生器，以故障要求的占空比進行信號干涉，從而生成相應故障。

CAN 通訊故障可以通過CANoe 軟件發送報文屏蔽對應模塊傳來的信息，從而生成模塊通訊丟失故障。

氧傳感器是車輛上必不可少的部件[7]，用來調節發動機控制參數，使混合氣的空燃比維持在理論空燃比附近，并且評估催化器轉化性能。

氧傳感器特性為理論空燃比（14.7 ∶1）附近輸出電壓發生突變[8]，因此被用來監測排氣中的氧濃度并反饋給發動機控制器，以形成閉環控制調節空燃比。由于混合氣的空燃比一旦偏離理論空燃比，催化器對CO、HC 和NOx的凈化轉化能力將急劇下降，有效使用催化器是目前車輛減少排放的主要手段，如圖9所示。

圖9 氧傳感器電壓特性及催化器對排放的影響

通常，車輛在催化器前后安裝2 個氧傳感器，通過前后氧傳感器的信號差異可以判斷催化器儲氧能力老化程度。正常情況下，前氧傳感器信號電壓遠高于后氧傳感器，當催化器老化或失效后，2 個氧傳感器信號電壓趨于相同，如圖10 所示。

圖10 前后氧傳感器信號對比

氧傳感器信號特性較為復雜，使用一般的植入電阻或輸入電壓的方式無法達到相關故障要求，使用氧傳感器故障模擬器是目前氧傳感器故障模擬的通用方法。氧傳感器故障模擬器可以在原信號的基礎上進行低通、延遲、濃到稀或稀到濃過渡等修正，從而達到故障要求，生成相應故障碼。

3.4 硬件模擬故障

PVE 測試還存在一類需要使用相關硬件進行模擬的故障，如部件卡滯、催化器老化、蒸發1mm 泄露等。需要使用的硬件包括電子節氣門、氣門正時閥、碳罐通風閥、節溫器、三元催化器、碳罐電磁閥、油箱蓋等。其中，卡滯故障只需將部件卡在一定位置并接入信號轉接盒旁通原車部件即可，如圖11 所示。

圖11 電子節氣門卡滯故障模擬方法

4 結論

1）國Ⅵ標準要求汽車生產企業每年至少進行3個車型的PVE 測試，其中，PVE J2 測試最復雜，需要對車輛全部OBD 故障碼進行一一驗證。

2）按照模擬方法，可以將故障碼分為電路類故障、合理性故障、工具模擬故障、硬件模擬故障、無法模擬故障等5 類。

3）通過BOB 信號轉接盒和電阻盒進行模擬的故障占全部故障的50%。

4）目前，已有國內汽車生產企業進行自動化故障模擬裝置的研發，但仍不夠成熟。

5）大多數故障模擬仍需手動操作，各汽車生產企業采用不同的診斷控制策略，通用的PVE 測試方法仍有待開發。