國六輕型車OBD系統故障管理機制研究

白曉鑫，吳春玲，周文瑾，郭向陽

國六輕型車OBD系統故障管理機制研究

白曉鑫，吳春玲，周文瑾，郭向陽

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

文章詳細分析了國六輕型車OBD系統未決故障代碼、確認故障代碼、永久故障代碼和凍結幀的判定、存儲和清除要求，以及MIL的點亮、熄滅原則，總結出一套滿足國六排放法規要求的OBD系統故障管理機制，并通過典型案例下單個或多個OBD故障同時發生時的故障代碼、凍結幀和MIL的處理時序進一步闡述了OBD系統故障監測及響應機制。

國六法規；OBD；故障管理

前言

OBD系統（On-board Diagnostic System）是嵌入車輛各控制器的一套車載診斷系統，通過監測排放控制系統的性能，確保有效控制在用機動車輛的排放。當與排放相關的部件發生故障時，OBD系統應存儲相應的故障代碼等信息，并通過點亮故障指示器（MIL）來通知駕駛員[1]。其中，故障管理模塊是OBD系統的中樞，其負責將OBD相關的故障信息進行融合，生成故障所對應的代碼和凍結幀信息，并按照法規的要求做出進一步處理[2-4]。2020年7月，GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（以下簡稱“國六法規”）正式開始實施。與國五法規[5]相比，國六法規中對OBD系統除了在測試循環、OBD閾值、監測項目、在用監測頻率、生產一致性要求等方面有不同程度的加嚴外，還新增了永久故障代碼，并規定了未決故障代碼、確認故障代碼和永久故障代碼的存儲、清除要求以及MIL點亮與熄滅的原則，這使得OBD系統故障監測和響應機制變得更為復雜，特別是一個駕駛循環內多故障發生時。因此，需要重新制定OBD系統故障管理機制，以滿足國六法規的要求。

1 國六法規對OBD系統故障管理要求

對于汽油機失火、汽油機蒸發系統、汽油機燃油系統、柴油機NOx催化器、柴油機失火和柴油機燃油系統的故障管理和MIL控制原則，國六法規J4.3.4、J4.4.4、J4.6.4、J5.2.4、J5.3.4、J5.4.4中分別給出了特殊的要求。本文主要針對國六法規對于OBD系統故障管理的一般要求。

1.1 未決故障代碼的管理要求

未決故障代碼為在點亮MIL之前，首次監測到故障時所存儲的診斷故障代碼。國六法規中明確要求，如果檢測到出現了故障，OBD系統應在10 s內儲存一個未決故障代碼，并同時指示出可能存在的故障。在存儲了OBD未決故障代碼的下一個診斷進行的駕駛循環中，若沒有監測到該故障的存在，則在駕駛循環結束前該未決故障代碼應被清除。一般在車輛下電（key off）后，且在控制器休眠前清除所存儲的未決故障代碼。否則，未決故障代碼將繼續被保留，直到經歷一個完整的無故障駕駛循環。除此之外，在車輛處于ON狀態時，當OBD系統收到掃描工具發出的清除故障碼請求時（SAE J1979規定的診斷模式4），其存儲的未決故障代碼也需要被清除[6]。

1.2 確認故障代碼的管理要求

確認故障代碼是指當OBD系統經過診斷確認故障存在時所存儲的診斷故障代碼。按照故障發生后對整車排放或OBD系統的影響程度，OBD相關故障可以分為兩類[1]：一次駕駛循環確認故障（A類）和兩次駕駛循環確認故障（B類）。A類故障包括能導致車輛動力系統進入一種默認或跛行模式，直接影響車輛排放或OBD系統性能的故障，如總正/總負繼電器粘連、CAN總線關閉等，或一些控制器內部故障，雖不會導致車輛進入一種默認或跛行模式，但同樣影響到OBD系統性能，如控制器內部存儲器錯誤等。為了快速確認故障的存在，降低故障對車輛排放可能產生的影響，當A類故障發生時，OBD診斷系統應在首次監測到該故障10 s內點亮MIL，同時存儲一個未決故障代碼和一個確認故障代碼。

除A類外的其他OBD故障均為B類故障，OBD故障大部分為B類故障。對于B類故障，在兩個連續的駕駛循環中都監測到同一個故障發生，當第二個駕駛循環首次監測到該故障時，OBD系統需要點亮MIL，并在10 s內存儲一個確認故障代碼。

如果在40個連續的暖機循環中，OBD系統都沒有監測到與該確認故障代碼所對應的故障，則OBD系統需要在第40個暖機循環結束后，且在第41個暖機循環結束前清除該確認故障代碼。除此之外，若未決故障代碼、確認故障代碼存儲于可保持存儲器（KAM）中，使用掃描工具或斷電均可將OBD系統已存儲的未決故障代碼和確認故障代碼清除。

1.3 永久故障代碼的管理要求

為了防止人為清除OBD系統已存儲的確認故障代碼，國六法規中新增了永久故障代碼。永久故障代碼是經過確認且被存儲在非易失性隨機訪問存儲器（NVRAM）的故障代碼，無法通過斷電或OBD掃描工具清除。基于對法規的解讀，圖1給出了永久故障代碼的存儲和清除判定流程圖。

圖1 永久故障代碼管理要求

對于永久故障代碼的存儲條件，法規明確要求，如果一個確認故障代碼正請求點亮MIL，OBD系統應在該點火循環結束前將這個確認故障代碼存儲為永久故障代碼。但是，國六法規中未給出點火循環的詳細定義。參考加州OBD法規[7]，對于傳統車輛，點火循環定義為發動機起動后的2±1 s開始至發動機關閉結束；對于混合動力車輛，點火循環定義為車輛驅動系統激活后的2±1 s開始至車輛驅動系統不再處于激活狀態時結束。此外，對于OBD系統中永久故障代碼存儲的數量，國六法規中也提出了要求。當多個故障先后發生時，OBD系統應按照確認故障代碼存儲的先后順序將其存儲在NVRAM作為永久故障代碼，同時OBD系統應至少能存儲4個永久故障代碼。如果NVRAM中已經存儲了最大數量的永久故障代碼，OBD系統將無法存儲新的永久故障代碼。

根據MIL是否點亮，永久故障代碼的清除路徑有以下兩種：（1）若MIL已被點亮，則OBD系統經過連續三個駕駛循環診斷，均未監測到該故障的存在，此時OBD系統需要在第三個無故障駕駛循環結束前清除該永久故障代碼，但永久故障代碼不應在MIL熄滅前清除。（2）車輛斷電或使用掃描工具將已存儲的除永久故障代碼外所有故障信息清除，且MIL處于熄滅狀態。若導致該永久故障代碼存儲的故障監測有最小IUPR要求（如輸入部件的合理性診斷），當一個駕駛循環中，OBD系統經過一次或多次診斷均未監測到故障存在，則在此駕駛循環結束時，可以清除該永久故障代碼；若該故障無最小IUPR的監測要求（如電路連續性監測），當一個駕駛循環中OBD系統未監測到故障存在，且車輛在一個特定的駕駛循環中也沒有監測到該故障存在，則在此特定駕駛循環結束前OBD系統需要清除永久故障代碼。對于該特定駕駛循環，國六法規J.3.2.5.2(B) (ⅲ)給出了具體的工況條件[1]。

1.4 凍結幀的管理要求

凍結幀是隨故障碼一同被保存的車輛運行狀態數據，如確認故障代碼數量、MIL狀態以及發動機轉速等診斷或控制的信號，用于后續的故障分析。OBD系統只要求存儲一幀數據，即Frame $00[6]，但是生產企業可以根據需求定義多個凍結幀。

根據國六法規對凍結幀的要求，結合行業內相關處理方案[8]，凍結幀的存儲可以遵循以下方式：若凍結幀未存儲有效數據，存儲未決故障代碼時，存儲相應凍結幀。存儲確認故障代碼時，需要更新凍結幀。此外，OBD系統中最多只能存儲一個故障相關凍結幀，且除J.4.3.4.3、J.4.6.4.4、J.5.3.4.2(B)和J.5.4.4.2(D)中描述的汽油機和柴油機失火、燃油系統故障外[1]，新故障碼的凍結幀不能替代已存在的凍結幀，若多個故障先后發生，應存儲最早發生故障的凍結幀。

對于凍結幀的清除，同一個故障監測中，若只存儲了該故障的未決故障代碼，則未決故障代碼清除時，需要清除相應凍結幀。若已經存儲了該故障的確認故障代碼，則確認故障代碼清除時，才能清除相應凍結幀。

1.5 MIL點亮與熄滅原則

MIL作為OBD系統給駕駛員提供的唯一指示裝置，正確控制其點亮和熄滅有著重要意義。對于B類故障，在儲存了未決故障代碼后，如果該故障在下一個診斷進行的駕駛循環結束前再次被檢測到，MIL燈應持續點亮；而對于A類故障，當檢測到故障首次出現時，OBD系統應在10 s內點亮MIL。

當出現故障點亮MIL燈以后，如果在至少三個連續駕駛循環中，OBD檢測系統不再需要點亮MIL，之前導致點亮MIL的故障也沒有再出現，并且也沒有檢測到其他根據要求需要單獨點亮MIL的故障，可以熄滅MIL。

2 OBD系統故障管理機制

2.1 故障監測及響應機制

基于以上法規解讀，本文總結出國六輕型車OBD系統狀態轉換及故障響應機制圖，如圖2所示。

OBD系統故障監測可以分為4個階段：初始化階段、未決階段、確認階段和故障自愈階段，圖中狀態跳轉條件和故障響應機制具體描述如表1所示。其中，未決階段將存儲未決故障代碼和凍結幀數據，且故障信息能為符合標準SAE J1978的掃描工具模式7所讀取[9]。確認階段將存儲確認故障代碼和永久故障代碼，并將點亮MIL。確認故障代碼可以為模式3讀取，永久故障代碼可以為模式A讀取。

圖2 OBD系統狀態轉換及故障響應機制

2.2 OBD故障碼類型轉換時序

為進一步解釋OBD系統的故障響應機制，本文給出了一個OBD故障在兩種典型案例下的故障代碼狀態變化時序和OBD系統響應機制。該故障為B類故障，且沒有IUPR率的要求。

表中所示的響應機制闡述了在不同的駕駛循環或者暖機循環下，OBD系統需要采取的措施。時序圖表示了不同的駕駛循環下，未決故障代碼、確認故障代碼、永久故障代碼、凍結幀和MIL的狀態。若故障碼、凍結幀狀態為高表示故障碼、凍結幀被存儲，若故障碼、凍結幀狀態為低則表示故障碼、凍結幀被清除。MIL的狀態為高說明MIL被點亮，反之說明MIL被熄滅。

（1）案例1：連續兩個駕駛循環監測到OBD故障，后續駕駛循環均為正常狀態，故障自愈。案例1情況下，故障監測結果和OBD系統響應機制如表2所示，OBD系統中故障代碼狀態時序如圖3所示。

（2）案例2：連續三個駕駛循環監測到了故障，并且在監測到故障的第三個駕駛循環結束后，通過診斷儀清除了未決故障代碼、確認故障代碼、凍結幀并熄滅MIL。第五個駕駛循環為滿足國六法規J.3.2.5.2(B)(ⅲ)規定的特定駕駛循環。案例2情況下，故障監測結果和OBD系統響應機制如表3所示，OBD系統中故障代碼狀態時序如圖3所示。

圖3 案例1 OBD系統故障管理時序

圖4 案例2 OBD系統故障管理時序

2.3 多故障發生時的故障響應機制

與單一故障相比，多故障發生時OBD系統對于凍結幀的管理和MIL控制較為復雜。圖5給出了兩個OBD故障在同一個駕駛循環或者暖機循環中的監測情況及響應機制，圖中分別記錄了故障1和故障2的暖機循環次數，故障1和故障2的監測結果，故障代碼、凍結幀的存儲、清除情況，以及MIL的點亮請求及狀態。

由圖5可以看出，由于故障1先于故障2發生，因此OBD系統只能存儲DTC1相關凍結幀，而無法存儲DTC2相關凍結幀。此外，多個OBD故障發生時，MIL需要持續進行點亮，直至無任何故障請求OBD系統點亮MIL。

圖5 多故障發生時的OBD故障響應機制

表1 跳轉條件及響應機制描述

跳轉條件跳轉條件描述故障響應機制 1在一個駕駛循環中首次監測到OBD故障，適用于B類故障存儲未決故障代碼和凍結幀 2在一個駕駛循環中首次監測到OBD故障，適用A類故障存儲未決故障代碼、確認故障代碼，存儲凍結幀和永久故障代碼，點亮MIL 3在第二個連續的駕駛循環中再次監測到該OBD故障存儲確認故障代碼、更新凍結幀，存儲永久故障代碼，點亮MIL 4三個連續的駕駛循環均未監測到該OBD故障清除永久故障代碼，熄滅MIL 5確認故障代碼未被清除前再次監測到該OBD故障存儲永久故障代碼和未決故障代碼，點亮MIL 640個連續的暖機循環均未監測到該OBD故障清除確認故障代碼和凍結幀 7下一個連續的駕駛循環未監測到該OBD故障清除未決故障代碼和凍結幀 8已存儲未決故障代碼，在一個駕駛循環中未監測到該故障清除未決故障代碼

表2 案例1 OBD系統故障監測及響應機制

類別OBD系統監測結果及故障響應 駕駛循環12345678～4344 暖機循環 12345～4041 故障診斷故障故障正常正常正常正常正常正常～～～ 響應機制監測存儲未決故障代碼存儲凍結幀存儲確認故障代碼/點亮MIL/存儲永久故障代碼/更新凍結幀清除未決故障代碼監測熄滅MIL/清除永久故障代碼監測監測～清除確認故障代碼/清除凍結幀監測

3 結論

本文總結了輕型車國六排放法規對OBD系統不同類型故障代碼、凍結幀及MIL的管理要求，重點闡述了國六輕型車OBD系統故障管理機制。基于對法規理解和相關開發經驗，提出了滿足國六法規要求的OBD系統故障監測及響應機制，給出了兩種典型案例下單個故障發生時OBD系統故障類型、凍結幀和MIL的轉換時序，并分析了多個故障同時發生時OBD系統的故障管理機制，對國六輕型車OBD系統的開發具有借鑒意義。

表3 案例2 OBD系統故障監測及響應機制

類別OBD系統監測結果及故障響應 駕駛循環1234診斷儀清除未決故障代碼/確認故障代碼/凍結幀/熄滅MIL567～4041 暖機循環 故障診斷正常故障故障故障正常正常正常～正常正常 響應機制監測存儲未決故障代碼/存儲凍結幀存儲確認故障代碼/點亮MIL/存儲永久故障代碼/更新凍結幀監測清除永久故障代碼監測監測～監測監測

[1] 環境保護部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段):GB18352.6—2016[S].北京:中國環境出版社,2016.

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[9] Standard S A E. OBD Ⅱ Scan Tool[S].SAE J1978,2002.

Research on Fault Management Mechanism of On-board Diagnosis System for Light-duty Vehicles with China Ⅵ Emission Regulation Applied

BAI Xiaoxin, WU Chunling, ZHOU Wenjin, GUO Xiangyang

( China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 )

The definition, storage and erasure requirements for pending fault codes, confirmed fault codes, permanent fault codes and freeze frames of on-board diagnosis (OBD) system for light-duty vehicles with China Ⅵ emission regulation applied are analyzed in this paper.The lighting and extinguishing principles of malfunction indicator light (MIL) are also introduced. In addition, the fault management mechanism of OBD system which meets the requirements of regulations is proposed, and through the fault code, freeze frame and MIL processing sequence when single or multiple OBD faults occur simultaneously in some typical cases, the OBD system fault monitoring and response mechanism is further explained.

China Ⅵ emission regulation; OBD; Fault management

U471.14

A

1671-7988(2021)20-133-05

U471.14

A

1671-7988(2021)20-133-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.033

白曉鑫，男，碩士，就職于中國汽車技術研究中心有限公司，研究方向為混合動力車輛OBD系統開發。

國家重點研發計劃（2017YFB0103401）資助。