基于OBD 系统的量产车评估（PVE）测试方法研究*

王力辉 刘 乐 凌 健

（1-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津 300300 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

量产车评估（PVE）测试是国Ⅵ标准中新增的认证要求[1]。国内大多数汽车生产企业从未进行过PVE测试，没有相关的测试经验。尤其部分汽车生产企业的OBD（on board diagnostics，车载自动诊断）系统开发是以外包供应商的方式进行的，对OBD 系统控制策略缺乏技术理解。而PVE J2 需要对每个故障码进行模拟，要求对故障诊断原理和故障模拟方法有深入的理解。不同的汽车生产企业采用不同的OBD 系统供应商和控制策略，ECU 软硬件不同，使得PVE测试无法形成统一的试验规范。本文研究了故障诊断机制、PVE 测试方法和故障模拟方法，形成一套完整的PVE 测试规范。

1 OBD 系统

PVE 测试是针对OBD 系统进行验证，掌握PVE测试，首先需要对OBD 系统有一定了解。

OBD 系统是一套嵌入车辆控制器的车载诊断系统，时刻监控着所有影响排放性能的部件，确保车辆排放在整个生命周期维持在合格水平。如果监测到与排放相关的部件出现故障，OBD 系统会点亮车辆仪表上的警示灯，提醒驾驶员，并存储相应的故障码及故障信息，以便维修使用。除警示故障功能外，OBD 系统还提供通过外部工具读取动力总成、排放系统以及车辆VIN（vehicle identification number，车辆识别码）等信息的功能。

OBD 系统具有完善的标准化协议，但不同国家和地区采取的协议不同。比如，欧洲采用的是ISO 标准，而美国采用的是SAE 标准。ISO 标准和SAE 标准对于底层协议的要求在一定程度上是等效的，从而形成了全球统一的标准化OBD 系统。早在20 世纪70 年代，大众、通用等汽车生产厂家开始研制自己的发动机诊断系统。1988 年，SAE 发布标准化的车载诊断协议；1991 年，CARB（California air resources board，加州空气资源委员会）发布了OBDI 标准；1994～1996 年，CARB 引入OBDII 标准[2]，经过2002年、2006 年、2012 年的3 次修订，逐渐形成了现在广泛使用的OBDII 标准，我国国Ⅵ标准中的OBD 相关要求均参照了美国的OBDII 标准。欧洲从2000 年开始形成了自己的EOBD 标准体系[3-4]，经过多年的发展和完善，不断向美国OBDII 标准靠近。

OBD 系统已经形成了标准化的故障码清单、外部工具通讯接口、可读取的模式/服务01～0A 和相应的PID 信息等，如表1 所示。

表1 OBD 系统模式/服务

表1 中，没有Mode05、Mode08。因为，在OBD标准发展的过程中，Mode05、Mode08 逐渐被Mode06取代，目前已不使用。

正如表1 中的Mode03、Mode07、Mode0A 所示，OBD 系统定义了未决、确认、永久故障码，形成了一套完整的故障监测条件、激活阈值、故障码生成、点亮MIL（malfunction indicator lamp，故障指示灯）灯、故障恢复的故障诊断机制。每一个部件和系统通过各自的诊断逻辑检查自身的功能是否正常。一旦发现故障，OBD 系统会经过一系列诊断步骤，点亮MIL灯，警示驾驶员，如图1 所示。

图1 OBD 系统点亮MIL 灯机制

根据诊断逻辑，每个故障码均有各自的监测激活条件和阈值，满足相应的激活条件，OBD 系统对其进行监测，验证部件和系统性能、功能性和合理性，达到相应阈值后，故障生成未决故障码，此时MIL 灯不点亮。下个驾驶循环中，如果此故障再次被检测出，则点亮MIL 灯，并生成确认故障码、冻结帧和永久故障码。如果到下个驾驶循环结束未检测到故障，则系统自动清除未决故障码。接下来，如果连续3 个驾驶循环均未检测到故障，则熄灭MIL 灯并清除永久故障码，但确认故障码仍将存在于41 个暖机循环。MIL 灯和故障信息能通过扫描工具进行清除，但永久故障码不能清除。

为了保证车辆整个生命周期均能满足排放要求，OBDII 标准明确规定了需要被监测的系统及参数，如表2 所示。有些部件可以连续地被监控，但有些部件则不能。此时，OBDII 标准明确指出，汽车生产企业必须标明重要排放部件和子系统的监控条件，且必须满足最小在用监测性能（IUPR）要求。

表2 中主要是汽油发动机监测要求，与柴油发动机略有不同。

OBD 系统根据不同故障的监测参数判断是否超过其阈值从而报出相应故障码。一些故障码阈值的设定相对简单，如合理性和电路故障，判断电路的通断即可。有些故障监测阈值相对复杂，如EGR 系统、燃油系统和氧传感器故障等，OBD 系统必须判断系统和部件的恶化及破坏程度是否导致排放超过标准限值。试验表明，国Ⅴ标准车辆的OBD 诊断项目中，催化器故障、氧传感器故障、失火故障会造成部分排放污染物增加10 倍左右；OBDII 中特有的诊断项目，包括冷启动减排策略、发动机冷却系统、EGR、燃油系统、VVT 等，分别造成NMHC、CO、NOx排放污染物增加1～9 倍。所以，将部件性能和车辆排放联系起来，判断系统故障何时导致排放超限值是OBD 系统和故障阈值设计的难点之一。

表2 OBD 系统监测要求案例

2 PVE 基本方法及故障分类

量产车评估（PVE）测试是国Ⅵ标准中OBD 认证新增的要求，美国从2002 年开始实行PVE 测试[5]，已历经了17 年的发展历程，国Ⅵ标准中的PVE 测试要求基本参照了美国的相关要求。

国Ⅵ标准要求汽车生产企业按照图2 所示的流程进行PVE 认证。每一年度，汽车生产企业的PVE各项测试不应少于3 个车型，原则上，PVE J1 和PVE J3 测试应涵盖测试年度的所有新增OBD 系族。当年生产的所有OBD 系族测试组少于3 个时，可以少于3 个车型，但不能少于测试组数量。

PVE 测试包括3 个部分，分别是PVE J1 标准化验证、PVE J2 监测要求验证、PVE J3 在用监测性能验证。其中PVE J1 测试主要是验证车辆能够和扫描工具正常通讯以及OBD 系统满足SAE J1979 的相关协议要求；PVE J2 测试要求验证车辆的所有OBD故障码，OBD 系统应能够监测到故障、点亮MIL 灯并存储相应的确认和永久故障码；PVE J3 测试主要用于在用监测性能（IUPR）追踪数据的收集。

图2 PVE 认证流程

2.1 PVE 测试方法

2.1.1 PVE J1 标准化验证

就整个PVE 测试而言，PVE J1 测试相对较为简单，操作人员只需使用正确的OBD 通讯接口设备，运行SAE J1699-3 软件的静态测试部分即可。大多数通讯接口均可以用来进行PVE J1 测试，但部分接口设备由于不支持某些协议导致测试过程失败并报告不合格。故选用正确的通讯接口设备是成功完成PVE J1 测试的必要条件，SAE J1699-3 协议要求PVE J1 测试使用的通讯接口必须支持CAN、ISO 9141、ISO 14230、ISO 15765、J1850 VPW、J1850 PWM等协议要求。

PVE J1 测试内容已经完全嵌入SAE J1699-3 软件中，操作人员只需按照软件提示，如启动、熄火、断开传感器等步骤逐步操作即可，直至完成软件的5.1～9.22 要求的全部内容，软件会自动于根目录生成报告。

2.1.2 PVE J2 监测要求验证

PVE J2 测试是整套PVE 测试中工作量最大、最难的部分，每个点亮MIL 灯的OBD 故障码都应被验证，如何植入故障是PVE J2 测试的难点。每个故障码的基本测试流程如图3 所示。

1）根据故障码的模拟方法对车辆植入故障，OBD II 标准明确要求使用硬件方法而不能使用修改标定的方法进行故障模拟。

2）车辆分别运行2 个驾驶循环，检查车辆是否存储相应的未决故障码、确认故障码和永久故障码，并且点亮MIL 灯，每个驾驶循环均需存储测量文件。驾驶循环是指一个完整的车辆上电、启动发动机、怠速、行驶、熄火、休眠的全过程。

图3 PVE J2 测试基本流程

3）选取自然清除或者被动清除的方式清除车辆的永久故障码。

2.1.3 PVE J3 在用监测性能验证

PVE J3 测试要求收集量产后6～12 个月的在用车的在用监测性能（IUPR）数据，其中，要求一个车型至少选取15 个样本车辆，样本车辆必须正常维护，无滥用驾驶和大修等行为，并且需满足相应的最小分母要求。数据收集的方法较为简单，即使用扫描工具通过车辆OBD 接口读取相关诊断信息。而样本车辆的选取方法是PVE J3 测试的难点，关键是如何保证数据的有效性和代表性。故PVE J3 测试的取样方法应使用统计学方法，在全国范围内大量收集该车型的OBD 信息，使得IUPR 数据形成正态分布图，进而在图中平均选取分布点的数据，以确保PVE J3 报告数据具有代表性。

2.2 故障分类

一辆传统轻型汽油车故障码数量在200～350 左右，而一辆新能源汽车的故障码数量是传统车数量的2～3 倍。其中，直接导致排放超过限值的故障占10%。大部分故障码均为非排放限值监测，属于综合部件监测，如传感器的电路故障、合理性故障和输出系统的功能性故障等。在进行PVE 测试时，往往根据故障码的类型及模拟方法将所有故障码进行分类，以提高测试效率。

按照故障模拟方法可以将故障码分为8 类，如表3 所示。

值得注意的是，近40%的故障码是PVE 测试无法模拟的故障码。因为PVE 测试要求必须使用硬件法模拟，不能使用修改标定的方法进行故障模拟，并且OBD 演示认证完成的故障码以及可能造成车辆损坏或需要破坏车辆才能模拟的故障码均可以申请免除PVE 测试。例如，安全监控类故障（转矩监控故障P061A）、ECU 内部软硬件类故障（芯片供电通道过温故障P0634）、空燃比闭环控制自学习故障（P2177）等需要修改标定才能够模拟，油位传感器的故障可能需要破坏车辆座椅下的接插件线束才能够模拟。

表3 故障码分类

3 PVE 故障模拟方法

故障模拟方法需根据各个故障码的诊断原理、激活条件和阈值进行设计，基本参考OBD 系统监测的排放控制系统信息表中的监测辅助参数和故障阈值等信息来设定使用的硬件、具体操作、车辆行驶工况等。如果OBD 系统满足相应故障码的监测激活条件，则进入有效的监测工况。当各项参数超过故障阈值后，即生成故障，从而验证OBD 系统监测部件和子系统的电路完整性、合理性、功能性等。

3.1 电路类故障

3.1.1 开路

开路故障是指传感器或执行器的控制电路断开所造成的一类故障，主要涉及进排气VVT 控制电路、氧传感器加热控制电路、喷油器控制电路、点火线圈控制电路、电子节气门驱动级、碳罐通风阀控制电路、增压泄流阀控制电路和流量控制阀控制电路等。通常，模拟方法为通过拔掉BOB 信号转接盒上传感器或执行器控制电路对应的PIN 端子[6]，如图4所示。大部分电路类故障只需车辆原地怠速即可满足监测工况进而报出故障，个别故障码可能需要提高转速或者行驶车辆来达到监测工况。

图4 开路故障模拟方法

3.1.2 短路

短路故障包括信号短路到地、信号短路到电源、两信号互相短接的故障，涉及传感器和执行器的进气歧管压力传感器、氧传感器信号线、增压压力传感器、喷油器高低边控制电路互短、爆震传感器、进排气凸轮轴传感器等。模拟方法为通过BOB 信号转接盒将传感器或执行器信号PIN 和相应的地、电源、其他信号PIN 端子进行短接[6]，如图5 所示。车辆状态类似开路故障。

图5 短路故障模拟方法

3.1.3 电压过低和过高

电压过低和过高是指传感器或执行器的输出电压小于或大于正常的输出电压，主要涉及氧传感器加热控制电路、进气温度传感器、增压泄流阀控制电路、冷却液温度传感器、电子节气门位置传感器、轨压传感器、流量控制阀高低边控制电路、油箱压力传感器、喷油器高低边控制电路、油泵控制电路、VVT控制电路、点火线圈控制电路等。

通常，模拟传感器和执行器的电压过低和过高故障，应使用电压调节盒或稳压电源输出超过部件正常工作范围的电压到相应信号PIN 端子，干涉原线路信号电压，使发动机控制器接收到电压调节盒输入的电压。一般传感器的工作范围为0.2～4.8 V，当电压调节盒输入的电压值超过4.8 V 时，ECU 会报相应传感器的电压过高故障；电压调节盒输入的电压值低于0.2 V 时，ECU 则会报相应的电压过低故障。

根据目前的诊断逻辑，一般OBD 系统供应商很难区分电压过低、过高和短路故障。电压过低故障可以使用短接信号线和地线的方法进行模拟，电压过高故障可以使用短接信号线和电源线的方法进行模拟。

3.2 合理性和功能性故障

合理性故障是指传感器等输入部件的信号与参考信号存在一定差异，控制器判断输入部件信号不合理。主要涉及轨压传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、凸轮轴传感器、进气压力传感器等。功能性故障主要指输出部件/系统未对控制器作出合理的功能性响应，主要涉及怠速控制系统、催化器加热系统、燃油系统、曲轴箱通风系统等。通常可以通过在传感器信号线路上串联或并联电阻来模拟信号偏移、粘滞和校验不合理等故障，如图6 所示。

图6 合理性和功能性故障模拟方法

根据故障激活条件行驶车辆达到监测工况，通过调节电阻值使信号超过阈值，进而生成相应的故障码。一般电路类故障属于连续性诊断，只要车辆上电或怠速即可生成故障。但合理性故障和功能性故障的激活条件较为复杂，需要深入研究各故障的监测辅助参数，解读满足条件需要的行驶工况，才能够进行故障模拟。需要的行驶工况可能有驾驶车辆达到一定车速、怠速时间满足一定时长、浸车超过6～8 h、激烈驾驶组合等。例如，冷却液温度传感器的合理性故障包括信号低边不合理P0116 23 和信号粘滞不合理P0116 26、冷启动校验不合理（正负偏差）的P050C 24 和P050C 23 等，分别需要2 种监测工况（正常怠速和冷启动后行驶车辆）。模拟此类故障首先应分析传感器特性，NTC 温度传感器特性是电阻值随温度降低而升高，如图7 所示。

图7 NTC 冷却液温度传感器特性图

通过图7 所示的特性图可以得到电阻值和温度的对应关系，进而可以通过将信号串联或并联相应的电阻得到需要的冷却液温度，当调节冷却液温度超过故障阈值后，则报出相应故障码，如图8 所示。可以通过在冷却液温度传感器所对应的PIN 端子内串联3 000 Ω 电阻的方式在怠速工况模拟P0116，也可以通过并联40 kΩ 电阻的方式在冷启动工况模拟P050C。

图8 冷却液温度经模拟后随时间变化趋势

3.3 工具模拟故障

PVE J2 测试中，使用工具模拟的故障主要包括失火故障、氧传感器故障、凸轮轴信号不合理故障、CAN 通讯故障等。主要使用的工具包括失火发生器、氧传感器故障模拟器、信号发生器以及CANoe软件等[6]。

失火发生器可以直接控制发动机的点火线圈，通过一定频率的通断信号使点火线圈在一定频率下失效，从而模拟发动机失火故障。通过设定失火频率以及随机和周期的方式，可以分别模拟单缸失火和随机失火故障。

凸轮轴信号为PWM（pulse width modulation，脉宽调制）信号，故应使用信号发生器，以故障要求的占空比进行信号干涉，从而生成相应故障。

CAN 通讯故障可以通过CANoe 软件发送报文屏蔽对应模块传来的信息，从而生成模块通讯丢失故障。

氧传感器是车辆上必不可少的部件[7]，用来调节发动机控制参数，使混合气的空燃比维持在理论空燃比附近，并且评估催化器转化性能。

氧传感器特性为理论空燃比（14.7 ∶1）附近输出电压发生突变[8]，因此被用来监测排气中的氧浓度并反馈给发动机控制器，以形成闭环控制调节空燃比。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，催化器对CO、HC 和NOx的净化转化能力将急剧下降，有效使用催化器是目前车辆减少排放的主要手段，如图9所示。

图9 氧传感器电压特性及催化器对排放的影响

通常，车辆在催化器前后安装2 个氧传感器，通过前后氧传感器的信号差异可以判断催化器储氧能力老化程度。正常情况下，前氧传感器信号电压远高于后氧传感器，当催化器老化或失效后，2 个氧传感器信号电压趋于相同，如图10 所示。

图10 前后氧传感器信号对比

氧传感器信号特性较为复杂，使用一般的植入电阻或输入电压的方式无法达到相关故障要求，使用氧传感器故障模拟器是目前氧传感器故障模拟的通用方法。氧传感器故障模拟器可以在原信号的基础上进行低通、延迟、浓到稀或稀到浓过渡等修正，从而达到故障要求，生成相应故障码。

3.4 硬件模拟故障

PVE 测试还存在一类需要使用相关硬件进行模拟的故障，如部件卡滞、催化器老化、蒸发1mm 泄露等。需要使用的硬件包括电子节气门、气门正时阀、碳罐通风阀、节温器、三元催化器、碳罐电磁阀、油箱盖等。其中，卡滞故障只需将部件卡在一定位置并接入信号转接盒旁通原车部件即可，如图11 所示。

图11 电子节气门卡滞故障模拟方法

4 结论

1）国Ⅵ标准要求汽车生产企业每年至少进行3个车型的PVE 测试，其中，PVE J2 测试最复杂，需要对车辆全部OBD 故障码进行一一验证。

2）按照模拟方法，可以将故障码分为电路类故障、合理性故障、工具模拟故障、硬件模拟故障、无法模拟故障等5 类。

3）通过BOB 信号转接盒和电阻盒进行模拟的故障占全部故障的50%。

4）目前，已有国内汽车生产企业进行自动化故障模拟装置的研发，但仍不够成熟。

5）大多数故障模拟仍需手动操作，各汽车生产企业采用不同的诊断控制策略，通用的PVE 测试方法仍有待开发。