国六轻型车OBD系统故障管理机制研究

白晓鑫，吴春玲，周文瑾，郭向阳

国六轻型车OBD系统故障管理机制研究

白晓鑫，吴春玲，周文瑾，郭向阳

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

文章详细分析了国六轻型车OBD系统未决故障代码、确认故障代码、永久故障代码和冻结帧的判定、存储和清除要求，以及MIL的点亮、熄灭原则，总结出一套满足国六排放法规要求的OBD系统故障管理机制，并通过典型案例下单个或多个OBD故障同时发生时的故障代码、冻结帧和MIL的处理时序进一步阐述了OBD系统故障监测及响应机制。

国六法规；OBD；故障管理

前言

OBD系统（On-board Diagnostic System）是嵌入车辆各控制器的一套车载诊断系统，通过监测排放控制系统的性能，确保有效控制在用机动车辆的排放。当与排放相关的部件发生故障时，OBD系统应存储相应的故障代码等信息，并通过点亮故障指示器（MIL）来通知驾驶员[1]。其中，故障管理模块是OBD系统的中枢，其负责将OBD相关的故障信息进行融合，生成故障所对应的代码和冻结帧信息，并按照法规的要求做出进一步处理[2-4]。2020年7月，GB18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（以下简称“国六法规”）正式开始实施。与国五法规[5]相比，国六法规中对OBD系统除了在测试循环、OBD阈值、监测项目、在用监测频率、生产一致性要求等方面有不同程度的加严外，还新增了永久故障代码，并规定了未决故障代码、确认故障代码和永久故障代码的存储、清除要求以及MIL点亮与熄灭的原则，这使得OBD系统故障监测和响应机制变得更为复杂，特别是一个驾驶循环内多故障发生时。因此，需要重新制定OBD系统故障管理机制，以满足国六法规的要求。

1 国六法规对OBD系统故障管理要求

对于汽油机失火、汽油机蒸发系统、汽油机燃油系统、柴油机NOx催化器、柴油机失火和柴油机燃油系统的故障管理和MIL控制原则，国六法规J4.3.4、J4.4.4、J4.6.4、J5.2.4、J5.3.4、J5.4.4中分别给出了特殊的要求。本文主要针对国六法规对于OBD系统故障管理的一般要求。

1.1 未决故障代码的管理要求

未决故障代码为在点亮MIL之前，首次监测到故障时所存储的诊断故障代码。国六法规中明确要求，如果检测到出现了故障，OBD系统应在10 s内储存一个未决故障代码，并同时指示出可能存在的故障。在存储了OBD未决故障代码的下一个诊断进行的驾驶循环中，若没有监测到该故障的存在，则在驾驶循环结束前该未决故障代码应被清除。一般在车辆下电（key off）后，且在控制器休眠前清除所存储的未决故障代码。否则，未决故障代码将继续被保留，直到经历一个完整的无故障驾驶循环。除此之外，在车辆处于ON状态时，当OBD系统收到扫描工具发出的清除故障码请求时（SAE J1979规定的诊断模式4），其存储的未决故障代码也需要被清除[6]。

1.2 确认故障代码的管理要求

确认故障代码是指当OBD系统经过诊断确认故障存在时所存储的诊断故障代码。按照故障发生后对整车排放或OBD系统的影响程度，OBD相关故障可以分为两类[1]：一次驾驶循环确认故障（A类）和两次驾驶循环确认故障（B类）。A类故障包括能导致车辆动力系统进入一种默认或跛行模式，直接影响车辆排放或OBD系统性能的故障，如总正/总负继电器粘连、CAN总线关闭等，或一些控制器内部故障，虽不会导致车辆进入一种默认或跛行模式，但同样影响到OBD系统性能，如控制器内部存储器错误等。为了快速确认故障的存在，降低故障对车辆排放可能产生的影响，当A类故障发生时，OBD诊断系统应在首次监测到该故障10 s内点亮MIL，同时存储一个未决故障代码和一个确认故障代码。

除A类外的其他OBD故障均为B类故障，OBD故障大部分为B类故障。对于B类故障，在两个连续的驾驶循环中都监测到同一个故障发生，当第二个驾驶循环首次监测到该故障时，OBD系统需要点亮MIL，并在10 s内存储一个确认故障代码。

如果在40个连续的暖机循环中，OBD系统都没有监测到与该确认故障代码所对应的故障，则OBD系统需要在第40个暖机循环结束后，且在第41个暖机循环结束前清除该确认故障代码。除此之外，若未决故障代码、确认故障代码存储于可保持存储器（KAM）中，使用扫描工具或断电均可将OBD系统已存储的未决故障代码和确认故障代码清除。

1.3 永久故障代码的管理要求

为了防止人为清除OBD系统已存储的确认故障代码，国六法规中新增了永久故障代码。永久故障代码是经过确认且被存储在非易失性随机访问存储器（NVRAM）的故障代码，无法通过断电或OBD扫描工具清除。基于对法规的解读，图1给出了永久故障代码的存储和清除判定流程图。

图1 永久故障代码管理要求

对于永久故障代码的存储条件，法规明确要求，如果一个确认故障代码正请求点亮MIL，OBD系统应在该点火循环结束前将这个确认故障代码存储为永久故障代码。但是，国六法规中未给出点火循环的详细定义。参考加州OBD法规[7]，对于传统车辆，点火循环定义为发动机起动后的2±1 s开始至发动机关闭结束；对于混合动力车辆，点火循环定义为车辆驱动系统激活后的2±1 s开始至车辆驱动系统不再处于激活状态时结束。此外，对于OBD系统中永久故障代码存储的数量，国六法规中也提出了要求。当多个故障先后发生时，OBD系统应按照确认故障代码存储的先后顺序将其存储在NVRAM作为永久故障代码，同时OBD系统应至少能存储4个永久故障代码。如果NVRAM中已经存储了最大数量的永久故障代码，OBD系统将无法存储新的永久故障代码。

根据MIL是否点亮，永久故障代码的清除路径有以下两种：（1）若MIL已被点亮，则OBD系统经过连续三个驾驶循环诊断，均未监测到该故障的存在，此时OBD系统需要在第三个无故障驾驶循环结束前清除该永久故障代码，但永久故障代码不应在MIL熄灭前清除。（2）车辆断电或使用扫描工具将已存储的除永久故障代码外所有故障信息清除，且MIL处于熄灭状态。若导致该永久故障代码存储的故障监测有最小IUPR要求（如输入部件的合理性诊断），当一个驾驶循环中，OBD系统经过一次或多次诊断均未监测到故障存在，则在此驾驶循环结束时，可以清除该永久故障代码；若该故障无最小IUPR的监测要求（如电路连续性监测），当一个驾驶循环中OBD系统未监测到故障存在，且车辆在一个特定的驾驶循环中也没有监测到该故障存在，则在此特定驾驶循环结束前OBD系统需要清除永久故障代码。对于该特定驾驶循环，国六法规J.3.2.5.2(B) (ⅲ)给出了具体的工况条件[1]。

1.4 冻结帧的管理要求

冻结帧是随故障码一同被保存的车辆运行状态数据，如确认故障代码数量、MIL状态以及发动机转速等诊断或控制的信号，用于后续的故障分析。OBD系统只要求存储一帧数据，即Frame $00[6]，但是生产企业可以根据需求定义多个冻结帧。

根据国六法规对冻结帧的要求，结合行业内相关处理方案[8]，冻结帧的存储可以遵循以下方式：若冻结帧未存储有效数据，存储未决故障代码时，存储相应冻结帧。存储确认故障代码时，需要更新冻结帧。此外，OBD系统中最多只能存储一个故障相关冻结帧，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)中描述的汽油机和柴油机失火、燃油系统故障外[1]，新故障码的冻结帧不能替代已存在的冻结帧，若多个故障先后发生，应存储最早发生故障的冻结帧。

对于冻结帧的清除，同一个故障监测中，若只存储了该故障的未决故障代码，则未决故障代码清除时，需要清除相应冻结帧。若已经存储了该故障的确认故障代码，则确认故障代码清除时，才能清除相应冻结帧。

1.5 MIL点亮与熄灭原则

MIL作为OBD系统给驾驶员提供的唯一指示装置，正确控制其点亮和熄灭有着重要意义。对于B类故障，在储存了未决故障代码后，如果该故障在下一个诊断进行的驾驶循环结束前再次被检测到，MIL灯应持续点亮；而对于A类故障，当检测到故障首次出现时，OBD系统应在10 s内点亮MIL。

当出现故障点亮MIL灯以后，如果在至少三个连续驾驶循环中，OBD检测系统不再需要点亮MIL，之前导致点亮MIL的故障也没有再出现，并且也没有检测到其他根据要求需要单独点亮MIL的故障，可以熄灭MIL。

2 OBD系统故障管理机制

2.1 故障监测及响应机制

基于以上法规解读，本文总结出国六轻型车OBD系统状态转换及故障响应机制图，如图2所示。

OBD系统故障监测可以分为4个阶段：初始化阶段、未决阶段、确认阶段和故障自愈阶段，图中状态跳转条件和故障响应机制具体描述如表1所示。其中，未决阶段将存储未决故障代码和冻结帧数据，且故障信息能为符合标准SAE J1978的扫描工具模式7所读取[9]。确认阶段将存储确认故障代码和永久故障代码，并将点亮MIL。确认故障代码可以为模式3读取，永久故障代码可以为模式A读取。

图2 OBD系统状态转换及故障响应机制

2.2 OBD故障码类型转换时序

为进一步解释OBD系统的故障响应机制，本文给出了一个OBD故障在两种典型案例下的故障代码状态变化时序和OBD系统响应机制。该故障为B类故障，且没有IUPR率的要求。

表中所示的响应机制阐述了在不同的驾驶循环或者暖机循环下，OBD系统需要采取的措施。时序图表示了不同的驾驶循环下，未决故障代码、确认故障代码、永久故障代码、冻结帧和MIL的状态。若故障码、冻结帧状态为高表示故障码、冻结帧被存储，若故障码、冻结帧状态为低则表示故障码、冻结帧被清除。MIL的状态为高说明MIL被点亮，反之说明MIL被熄灭。

（1）案例1：连续两个驾驶循环监测到OBD故障，后续驾驶循环均为正常状态，故障自愈。案例1情况下，故障监测结果和OBD系统响应机制如表2所示，OBD系统中故障代码状态时序如图3所示。

（2）案例2：连续三个驾驶循环监测到了故障，并且在监测到故障的第三个驾驶循环结束后，通过诊断仪清除了未决故障代码、确认故障代码、冻结帧并熄灭MIL。第五个驾驶循环为满足国六法规J.3.2.5.2(B)(ⅲ)规定的特定驾驶循环。案例2情况下，故障监测结果和OBD系统响应机制如表3所示，OBD系统中故障代码状态时序如图3所示。

图3 案例1 OBD系统故障管理时序

图4 案例2 OBD系统故障管理时序

2.3 多故障发生时的故障响应机制

与单一故障相比，多故障发生时OBD系统对于冻结帧的管理和MIL控制较为复杂。图5给出了两个OBD故障在同一个驾驶循环或者暖机循环中的监测情况及响应机制，图中分别记录了故障1和故障2的暖机循环次数，故障1和故障2的监测结果，故障代码、冻结帧的存储、清除情况，以及MIL的点亮请求及状态。

由图5可以看出，由于故障1先于故障2发生，因此OBD系统只能存储DTC1相关冻结帧，而无法存储DTC2相关冻结帧。此外，多个OBD故障发生时，MIL需要持续进行点亮，直至无任何故障请求OBD系统点亮MIL。

图5 多故障发生时的OBD故障响应机制

表1 跳转条件及响应机制描述

跳转条件跳转条件描述故障响应机制 1在一个驾驶循环中首次监测到OBD故障，适用于B类故障存储未决故障代码和冻结帧 2在一个驾驶循环中首次监测到OBD故障，适用A类故障存储未决故障代码、确认故障代码，存储冻结帧和永久故障代码，点亮MIL 3在第二个连续的驾驶循环中再次监测到该OBD故障存储确认故障代码、更新冻结帧，存储永久故障代码，点亮MIL 4三个连续的驾驶循环均未监测到该OBD故障清除永久故障代码，熄灭MIL 5确认故障代码未被清除前再次监测到该OBD故障存储永久故障代码和未决故障代码，点亮MIL 640个连续的暖机循环均未监测到该OBD故障清除确认故障代码和冻结帧 7下一个连续的驾驶循环未监测到该OBD故障清除未决故障代码和冻结帧 8已存储未决故障代码，在一个驾驶循环中未监测到该故障清除未决故障代码

表2 案例1 OBD系统故障监测及响应机制

类别OBD系统监测结果及故障响应 驾驶循环12345678～4344 暖机循环 12345～4041 故障诊断故障故障正常正常正常正常正常正常～～～ 响应机制监测存储未决故障代码存储冻结帧存储确认故障代码/点亮MIL/存储永久故障代码/更新冻结帧清除未决故障代码监测熄灭MIL/清除永久故障代码监测监测～清除确认故障代码/清除冻结帧监测

3 结论

本文总结了轻型车国六排放法规对OBD系统不同类型故障代码、冻结帧及MIL的管理要求，重点阐述了国六轻型车OBD系统故障管理机制。基于对法规理解和相关开发经验，提出了满足国六法规要求的OBD系统故障监测及响应机制，给出了两种典型案例下单个故障发生时OBD系统故障类型、冻结帧和MIL的转换时序，并分析了多个故障同时发生时OBD系统的故障管理机制，对国六轻型车OBD系统的开发具有借鉴意义。

表3 案例2 OBD系统故障监测及响应机制

类别OBD系统监测结果及故障响应 驾驶循环1234诊断仪清除未决故障代码/确认故障代码/冻结帧/熄灭MIL567～4041 暖机循环 故障诊断正常故障故障故障正常正常正常～正常正常 响应机制监测存储未决故障代码/存储冻结帧存储确认故障代码/点亮MIL/存储永久故障代码/更新冻结帧监测清除永久故障代码监测监测～监测监测

[1] 环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):GB18352.6—2016[S].北京:中国环境出版社,2016.

[2] Mischker K,Hillner H,Schiemann J.A new object-oriented diagnostic system management for powertrain control units with OBD[J].SAE transactions, 1998: 614-627.

[3] Palai D.Vehicle level approach for optimization of on-board diagnos- tic strategies for fault management[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems,2013(6):261-275.

[4] 吴向畅,石平,郭文军.国六轻型车车载诊断系统开发[J].汽车工程学报,2020,10(01):28-33.

[5] 环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段):GB 18352.5—2013[S].北京:中国环境出版社,2013.

[6] Standard SAE.E/E diagnostic test modes[S].SAE J1979,2002.

[7] CARB.Title 13,California Code of Regulations,Section1968.2,OBD Ⅱ Regulation[S].CARB, 2016.

[8] Guo Y,Wei L U,Terauchi K.A Proposal to Re-architect Automotive OBD Freeze Frame Storage Requirements and the Associated Service- Oriented Freeze Frame Storage Algorithm Design[R].SAE Techni- cal Paper, 2018.

[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

白晓鑫，男，硕士，就职于中国汽车技术研究中心有限公司，研究方向为混合动力车辆OBD系统开发。

国家重点研发计划（2017YFB0103401）资助。