国六排放下汽车PVE 试验方法及原理研究

李波辉，周振亮

（广西壮族自治区汽车拖拉机研究所有限公司，广西 柳州 545006）

0 引言

随着中国汽车工业化进程进一步加速，中国汽车保有量增长速度较为迅猛。截至2021 年6 月，全国机动车保有量达3.84 亿辆，机动车驾驶人4.69 亿人。我国汽车产量的持续增长，汽车污染物排放量高居世界首位。目前，城市雾霾问题突出，汽车尾气中的CO2、CO、NOx 和挥发性有机物VOCS 排放污染是主要污染源。

OBD（On Board Diagnostics）是一种车载诊断系统，用于排放控制系统监测。当与排放相关的任何部件发生故障时，OBD 系统的监测应显示出现了故障，将相应的故障代码存入车载电脑，并点亮故障指示器（MIL），车辆驾驶员能够通过一个标准的诊断系统识别故障代码。因此，车辆OBD 系统对车辆排气污染物的监测及控制尤为关键。

OBD 生产一致性测试作为汽车生产企业生产一致性自查及环境主管生产一致性抽查的重要环节，因其检查测试难度高、工作内容多且繁琐、没有统一的测试规范，成为了一项业界难题。

量产车OBD 生产一致性测试，俗称PVE（Production Vehicle Evaluation）量产车评估测试。PVE 测试的工作内容，主要是在一定的车辆行驶条件下，进行故障模拟触发并修复的验证，并检查车辆OBD 系统是否满足相应的故障监测要求。其中，故障监测包括对车辆数据流的读取、故障发生时冻结帧的生成、在用监测频率（IUPR）正确显示等。故障验证即为根据标准要求或汽车生产厂家定义的故障触发条件，模拟故障条件，以验证OBD 诊断仪能否读取到车辆相应的故障信息，及故障指示器（MIL）是否能正确点亮。MIL 灯点亮的故障类型可以分为线路故障、合理性故障、通讯故障、硬件故障及监控故障。但监控故障属于软件层面故障，其触发条件较为特殊，PVE 测试可申请豁免。

本文主要研究量产车评估PVE（Production Vehicle Evaluation）测试的故障验证。研究将以某车型的PVE 测试为例，分别阐述线路故障、合理性故障、通讯故障、硬件故障这四种故障类型下，模拟故障所使用的设备、模拟方法及模拟故障经验总结[1]。

1 试验设备及原理

在进行PVE 测试时，现今大部分企业仍然采用传统的方式，即采用直接拆装，短接或破坏传感器的方法，但此方法成本高昂且效率低下。为了提升工作效率且节约成本，使用到的设备及相关软件包括DiagRA_D 诊断软件、eDiAT 自动化测试软件、总线通讯软件CANoe、SENT 信号模拟装置（SU150）、传感器信号模拟装置（SU160）、执行器驱动信号模拟装置（SU190）、FIU 机箱及ECU 线束模块对故障码逐个进行测试。故障模拟原理图是PC 软件ACME 通过CAN 总线实现对信号发生器的控制，模拟ECU 引脚电气故障的注入。比如SU150、SU160、SU190 各类模拟装置实现相关的执行器电磁阀动作迟缓、卡滞等。如图1 所示。

图1 故障模拟构架

对法规GB18352.6-2016 提到要求的每个诊断应用缺陷部件或电子装置模拟故障，验证其检测到故障、点亮MIL 并存储确认故障码，并在PVE 表格中记录验证结果。根据不同的故障诊断要求，在满足国六法规要求的条件下，采取对应的测试形式：如车辆原地启停和怠速、整车转鼓、市区道路、高速公路，试验过程记录同时记录INCA 数据和OBD 诊断数据。永久故障码的清除：在上述故障检测验证工作全部结束后，企业应在有IUPR 率要求和无IUPR 率要求的诊断项中各挑选一个有代表性的诊断进行消除测试，并记录相关测量LOG文件并记录保存输出。如图2 所示。

图2 故障模拟系统原理

2 PVE 难点及挑战

2.1 难点

PVE 作为国六标准的新增项目，企业完全没有相关的测试经验，部分企业OBD 系统开发是外包供应商进行的，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，但前提是要对故障诊断原理、故障模拟方法有一定掌握。PVE 测试过程涉及大部分电气诊断，包括原地部分的诊断，比如某些传感器的通断以及改变电压幅值的高低，需要在专用设备上进行通断操作及改变电压幅值的操作。还有一部分是在特殊工况下进行的通断以及改变电压幅值的高低，比如氧传感器的诊断，就需要在特殊工况下进行。这两类诊断一般都需要利用信号发生器输出电压或利用过程标定仪输出电压。在传统的设备及方法下进行PVE 测试，不仅费时费力，而且需要准时执行，难以掌控时间，所以导致试验成功率不高。不同的企业采用不同的OBD 控制策略，ECU 硬件及软件均不同，使得PVE 无法形成统一的测试规范。

2.2 挑战

PVE 要求每年至少完成三个车型的J1、J2、J3 的试验，其中J2 根据车型故障码数量所需的周期不同，通常200 个故障码的传统能源车辆需400 ～500 h，而800 个故障码的新能源车辆所需时间更长，并且需要相应的测试设备、转鼓或道路资源支持，因此对于人员和资源相对紧张的企业来说，很难在量产后的6 个月内完成3 个车型的J2 的全部测试[2]。熟练掌握PVE 测试流程后，PVE 则成为十分耗时的重复性劳动，对企业工程师的能力发展有一定局限，建议交由专业的检测机构完成所。以本文举例阐述PVE 测试流程方法，通过专业的测试硬件和软件相结合。使用基于模型的诊断可以提高发动机诊断系统的性能[3]，可以大大加快测试速度，减少测试时间，以至于在规定的时间节点内完成相关测试。

3 故障验证

3.1 线路故障验证

线路故障主要包括传感器控制电路开路、控制电路电压过高/过低故障、传感器对地短路故障、传感器对电源短路故障和压力过高/过低故障见表1。

表1 线路故障示例

（1）故障持续时间可设置，1～65 534 ms（除去继电器闭合断开时间）或持续故障。

（2）非断路故障可设置是否带载，即ECU 引脚故障时，外部传感器和执行器是否同时接入。

（3）如需要模拟传感器信号对传感器电源短路故障，可以直接将传感器信号和传感器电源两个引脚通过引脚间短路故障模拟的方式实现。

3.2 合理性故障验证

合理性故障主要包括传感器信号不合理、信号丢失、粘滞见表2。

表2 合理性故障示例

（1）可以通过两路模拟量输出通道：输出范围±10 V，精度±10 mV，可模拟相关传感器合理性故障；

（2）两路电阻信号输出：输出范围0 ～65.536 kΩ，步进精度10 kΩ，可模拟相关温度传感器合理性故障。

（3）通过SU190 模拟执行器驱动信号故障，PC 软件ACME 通过CAN 总线实现控制，模拟ECU 相关驱动故障的注入，如执行器动作迟缓、粘滞等，最大驱动峰值电流10 A，持续电流5 A。

3.3 通讯故障验证

通讯故障主要包括CAN、LIN 通讯信号不合理、报文丢失等故障，见表3。CAN 总线是将整车各种不同的控制单元连接起来，实现信息可靠共享，也减少了整车线束的数量，但是实时通讯的故障问题也较为复杂。CANOE 最初主要为了汽车CAN 总线的开发、仿真、测试盒分析而设计，随着车载总线网络的发展，扩展加入了Lin、FlexRay、MOST 和Ethernet 等网络[4]。可以使用Python 脚本自定义测试步骤及流程，进行自动化闭环测试，无需工程师的人工操作就能自动模拟故障，大大节省了PVE 测试的时间和人力成本，可以轻松实现不同总线（CAN、LIN）故障测试报文丢失、信号不合理、Checksum 错误等。设备如图3 所示。

表3 通讯故障示例

图3 CANOE 设备

Python 脚本：可实现如下功能：

（1）屏蔽某个报文；

（2）修改信号内容并转发至整车网络中；

（3）修改报文Checksum 并转发至整车网络中；

（4）总线节点仿真。

3.4 硬件故障验证

硬件故障主要是将与排放相关的硬件破坏或者移除替换件代替，监测是否发生异常情况，此类故障是整个PVE 测试中比较浪费时间的一个步骤，也是不可缺少的。传统方法是破坏更换，但是也可以用模拟器的方法模拟故障老化，需要较高的设备投入，增加企业研发资金投入。国六标准要求OBD 监测硬件有：催化转化器、排气传感器（前氧传感器、后氧传感器）、废气再循环系统（EGR）、曲轴箱通风系统（PCV）、发动机冷却系统、V V T系统、颗粒捕集器，并要求NMHC 与NOx 转化效率，监测的输入部件的电路、数值超限、合理性，输出部件或系统的功能性诊断和电路诊断，混动还汽车需要诊断电量存储、热管理、再生制动、驱动电机等部件见表4。

表4 硬件故障示例

4 结论

PVE J2 故障码测试是将整车上所有的故障码都要测试一遍。在不更改控制器的控制系统的前提下，每一个故障码都要通过特定的方法触发。与排放相关的故障码报码后，确保J1979 服务的正确支持，消耗时间最大的就是这一部分，因为整车可能有好几个与排放相关的控制器。当然还有ECU 和TCU，几百个故障码，逐一进行测试。需要准备专业的设备有：OBD 信号转换盒、传感器信号模拟装置SU160、故障注入装置FIU、曲轴及凸轮轴信号模拟装置SU170、轮速信号模拟装置SU180、执行器驱动信号模拟装置SU190、失火发生器、氧模拟器、SENT 模拟器和测试软件eDIAT、Python 脚本、CANoe 总线通讯软件，各类故障件。

目前，PVE 测试主要由汽车厂商或其研究院自行完成，也有找外包公司完成的，为了更快地完成测试需要企业提供OBD summary table 及DTC 故障列表，及OBD系统控制策略支持，包括但不限于：故障描述、OBD 故障码、故障等级、故障监测激活条件、故障监测周期、故障确认时间、故障恢复时间、监测策略说明、监测用辅助参数、阈值大小、点亮MIL 灯条件、故障响应方式、故障注入模式、DTC 存入NVRAM 条件、需要写入冻结帧的数据、冻结帧存入NVRAM 条件、最小IUPR 率等，从而达到低企业在PVE 测试中的人效成本。