OBD系統(tǒng)(on-board diagnostic system)是嵌入車輛各控制器的一套車載診斷系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)排放控制系統(tǒng)的性能，確保有效控制在用機(jī)動(dòng)車輛的排放。當(dāng)與排放相關(guān)的任何部件發(fā)生故障時(shí)，OBD系統(tǒng)應(yīng)存儲(chǔ)相應(yīng)的故障代碼、凍結(jié)幀等信息，并通過點(diǎn)亮故障指示器(MIL)來通知駕駛員。

維修人員可通過診斷工具讀取車載控制單元內(nèi)的相關(guān)故障信息，便于車輛的維修。隨著車輛電氣化程度的不斷提高，在2016年12月23日國(guó)家環(huán)保部發(fā)布的GB18352.6－2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)六法規(guī)”)中對(duì)電子動(dòng)力系統(tǒng)部件/系統(tǒng)提出了更詳細(xì)的監(jiān)測(cè)要求，特別是擴(kuò)展到了混合動(dòng)力車輛部件。

因此，設(shè)計(jì)出滿足法規(guī)監(jiān)測(cè)要求且適合車輛的OBD系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)于OBD系統(tǒng)的開發(fā)至關(guān)重要。本文基于一款插電式混合動(dòng)力車型OBD通信架構(gòu)，介紹如何設(shè)計(jì)開發(fā)滿足國(guó)六法規(guī)要求的混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)分布式架構(gòu)。

1  混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)要求

插電式混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)主要由內(nèi)燃機(jī)、離合器、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、變速器、差速器、高壓電池組、車載充電器、DC/DC、高壓附件和低壓附件等系統(tǒng)或部件組成。圖1為采用P2架構(gòu)的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)示意圖，電機(jī)位于內(nèi)燃機(jī)和變速器之間，通過C0離合器的耦合、解耦來實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)力系統(tǒng)工作模式?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以在純電驅(qū)動(dòng)模式或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下工作，也可以由內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛。


考慮到混合動(dòng)力部件發(fā)生故障可能導(dǎo)致車輛耗電量增加或使得內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)非預(yù)期改變，造成排放量增加，國(guó)六法規(guī)“J．4.14.2.3”章節(jié)中新增了混合動(dòng)力車輛部件的OBD監(jiān)測(cè)內(nèi)容、要求和故障標(biāo)準(zhǔn)。法規(guī)明確要求，對(duì)于混合動(dòng)力車輛，包括混合動(dòng)力和OVC-HEV車輛，OBD系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)(REESS)、混合動(dòng)力車輛熱管理系統(tǒng)、再生制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)和OVC-HEV車輛REESS充電器等主要電力部件進(jìn)行輸入、輸出部件的監(jiān)測(cè)，包括電路故障、數(shù)值超范圍故障、合理性故障或功能性檢查。對(duì)于未提及的混合動(dòng)力車輛部件，若該部件故障可以引起完全充電車輛的內(nèi)燃機(jī)在WLTP測(cè)試過程中起動(dòng)，或與無故障車輛相比，在不起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)完成WLTP測(cè)試時(shí)所消耗的累計(jì)凈電量的平均增幅超過15%，也需要作為綜合部件進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，如混合動(dòng)力車輛變速箱控制系統(tǒng)(TCU)、DC/DC逆變器和空調(diào)管理系統(tǒng)等部件或系統(tǒng)。美國(guó)加州和韓國(guó)的OBD法規(guī)中也有類似的監(jiān)測(cè)要求及故障標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外，設(shè)計(jì)OBD系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，還需考慮其他系統(tǒng)要求，如實(shí)現(xiàn)OBD功能的同時(shí)，對(duì)各OBD相關(guān)控制單元的硬件性能和存儲(chǔ)資源要求盡可能小，對(duì)整車CAN總線負(fù)載率的影響盡可能小，以及減少各控制單元之間的功能耦合，便于后期OBD功能的擴(kuò)展等。

2  典型OBD系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

2.1  集中式OBD系統(tǒng)架構(gòu)

目前，典型的OBD系統(tǒng)架構(gòu)主要有集中式和分布式2種。所謂集中式OBD系統(tǒng)架構(gòu)就是指總控制器集成了OBD系統(tǒng)的所有功能，其負(fù)責(zé)控制MIL的狀態(tài)、與滿足SAEJ1978規(guī)定的診斷工具進(jìn)行通信，同時(shí)還需實(shí)現(xiàn)SAEJ1979中規(guī)定的所有診斷服務(wù)/模式。OBD系統(tǒng)中其他關(guān)鍵診斷或排放相關(guān)控制單元均被定義為二級(jí)控制器，其不支持與診斷工具通訊，無需支持任何診斷服務(wù)，只需在完成故障診斷后將相關(guān)數(shù)據(jù)通過CAN總線實(shí)時(shí)發(fā)送給總控制器。圖2所示為集中式系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

集中式架構(gòu)具有拓?fù)浼軜?gòu)簡(jiǎn)單，開發(fā)難度低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于所有功能均由總控制器集中處理，對(duì)總控制器硬件性能和存儲(chǔ)資源要求較高、后期拓展不靈活等弊端，特別是不適用于車載電子控制單元類型和數(shù)量較多、數(shù)據(jù)交互復(fù)雜的混合動(dòng)力車輛。


2.2  分布式OBD系統(tǒng)架構(gòu)

混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)開發(fā)中往往采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，其拓?fù)浼軜?gòu)如圖3所示。

分布式OBD系統(tǒng)架構(gòu)將有1個(gè)總控制器，多個(gè)一級(jí)控制器和零或多個(gè)二級(jí)控制器。允許總控制器和一級(jí)控制器都能與診斷工具進(jìn)行通訊。

其中，總控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)所有診斷服務(wù)并進(jìn)行MIL狀態(tài)的仲裁，一級(jí)控制器和總控制器在功能上基本一致，可根據(jù)數(shù)據(jù)交互需要，支持部分診斷服務(wù)即可。二級(jí)控制器從屬于某個(gè)一級(jí)控制器或總控制器，不需要同診斷工具直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此，二級(jí)控制器一般不支持OBD的診斷服務(wù)，但需要具備故障管理功能，存儲(chǔ)故障代碼(DTC)、判定DTC狀態(tài)等，并將上述信息提供給其所屬的一級(jí)控制器或總控制器。



分布式系統(tǒng)架構(gòu)將總控制器的OBD功能分解到各一級(jí)控制器中實(shí)現(xiàn)，降低了對(duì)總控制器的要求，同時(shí)整體技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載影響較小，后期還可按需拓展，所以在實(shí)際中經(jīng)常被采用。

3  混合動(dòng)力車輛OBD架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1  控制單元類型定義

針對(duì)法規(guī)對(duì)混合動(dòng)力車輛綜合部件的監(jiān)控要求，本文結(jié)合一款插電式混合動(dòng)力車輛通信架構(gòu)，分析其分布式OBD架構(gòu)是如何設(shè)計(jì)開發(fā)的。圖4所示為本文所研究的插電式混合動(dòng)力車輛整車通信架構(gòu)圖，4條CAN總線通過中央網(wǎng)關(guān)(GW)連接。

ECAN主要實(shí)現(xiàn)與前后電機(jī)控制器(FMCU、RMCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、直流轉(zhuǎn)換器(DCDC)和車載充電機(jī)控制器(OBC)等電力部件控制器的信息交互;PCAN主要實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力控制器(HCU)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)、變速箱控制器(TCU)、電子換擋控制器(GCU)等車輛動(dòng)力相關(guān)控制器間的信息交互;CCAN主要實(shí)現(xiàn)與安全氣囊系統(tǒng)(SRS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP/EPB)與電子助力轉(zhuǎn)向(EPS/SAS)等控制器的信息交互;BCAN主要實(shí)現(xiàn)車輛整體狀態(tài)信息顯示及空調(diào)系統(tǒng)(CLM)的控制;中央網(wǎng)關(guān)作為整車網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互樞紐，將CAN、LIN等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由。

混合動(dòng)力車輛中控制器數(shù)量較多，OBD系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要將所有與排放相關(guān)的控制單元(OBDECU)進(jìn)行分類，以定義不同的OBD功能。國(guó)六法規(guī)中，將OBDECU分為關(guān)鍵診斷或排放電子動(dòng)力控制單元(DECECU)和智能裝置兩種類型。不同的DECECU類型需要支持相應(yīng)的診斷服務(wù)，同時(shí)智能裝置無需支持法規(guī)要求的OBD診斷服務(wù)和故障管理功能。因此，正確判定控制單元所屬類型，對(duì)于OBD系統(tǒng)的開發(fā)十分重要。依據(jù)國(guó)六法規(guī)“J．2.24”和“J．2.42”給出的DECECU和智能裝置的定義、判定要求，本文總結(jié)出圖5所示的判定流程圖，可將車輛通信架構(gòu)中的所有動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元進(jìn)行類型分配。






其中，安全氣囊系統(tǒng)(SRS)、全景監(jiān)控控制器(AVW)、數(shù)字視頻顯示器(DVD)均為非動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元，不作為OBD系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象。而電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS/SAS)不符合國(guó)六法規(guī)“J．4.14.1.4”中對(duì)綜合部件的監(jiān)測(cè)要求，因此可以對(duì)其不進(jìn)行OBD監(jiān)測(cè)。

對(duì)于已經(jīng)被定義好的DECECU，根據(jù)支持診斷服務(wù)的數(shù)量，可進(jìn)一步劃分為總控制器、一級(jí)控制器和二級(jí)控制器。

其中，HCU和EMS均可作為混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)的總控制器。雖然國(guó)六法規(guī)新增對(duì)混合動(dòng)力車輛綜合部件的監(jiān)測(cè)要求，但OBD系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)仍集中在發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件或功能，其診斷要求、故障標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)條件等要求也較綜合部件更為詳細(xì)?？紤]到相同平臺(tái)車型EMS的通用性，一般將EMS作為混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)的總控制器以降低OBD系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。而一級(jí)控制器的確定需要綜合考慮電子控制單元的重要程度和硬件底層是否支持標(biāo)準(zhǔn)診斷服務(wù)。BMS、MCU、TCU、HCU或EMS一般可作為一級(jí)控制器(當(dāng)EMS為總控制器時(shí)，HCU作為一級(jí)控制器)，其余DECECU可分配為二級(jí)控制器。當(dāng)然，如果控制單元硬件本身不支持要求的診斷服務(wù)，則只能分配為二級(jí)控制器。

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合車輛的設(shè)計(jì)狀態(tài)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌C合給出各控制單元類型定義，如表1所示。

3.2   OBD系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為了滿足某插電式混合動(dòng)力車輛的OBD系統(tǒng)監(jiān)控要求，開發(fā)了帶有1個(gè)總控制器，5個(gè)一級(jí)控制器，1個(gè)二級(jí)控制器和13個(gè)智能裝置的分布式OBD系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示。

EMS作為該款插電式混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)的總控制器，其主要負(fù)責(zé):診斷內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)排放相關(guān)故障，判斷是否需要點(diǎn)亮/熄滅MIL。同時(shí)，支持SAEJ1979規(guī)定的診斷服務(wù)$01～$0A，接收來自HCU上報(bào)的混合動(dòng)力系統(tǒng)MIL點(diǎn)亮/熄滅請(qǐng)求并進(jìn)行最終仲裁，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給儀表控制器，控制MIL的點(diǎn)亮/熄滅。

BMS、FMCU、RMCU、HCU和TCU均作為OBD系統(tǒng)的一級(jí)控制器。上述一級(jí)控制器主要負(fù)責(zé):支持診斷服務(wù)$01，$02，$03，$04，$07，$09和$0A，以滿足與診斷工具進(jìn)行準(zhǔn)備就緒狀態(tài)、數(shù)據(jù)流、凍結(jié)幀、故障代碼、軟件標(biāo)定識(shí)別碼(CALID)、軟件標(biāo)定驗(yàn)證碼(CVN)和車輛識(shí)別碼(VIN)等數(shù)據(jù)交互需要;同時(shí)，HCU作為混合動(dòng)力系統(tǒng)控制器，接收來自BMS、TCU、FMCU和RMCU提供的MIL點(diǎn)亮/熄滅請(qǐng)求，經(jīng)過仲裁得到混合動(dòng)力系統(tǒng)點(diǎn)亮/熄滅MIL的請(qǐng)求，并將其發(fā)送至EMS。此外，各一級(jí)控制器還需接受從屬的二級(jí)控制器或智能裝置上報(bào)的故障信息，并在診斷工具請(qǐng)求時(shí)，上報(bào)從屬二級(jí)控制器或智能裝置的關(guān)鍵故障信息。

為了降低系統(tǒng)開發(fā)難度，其余的DECECU在法規(guī)允許情況下盡可能簡(jiǎn)化為智能裝置，因此僅保留了一個(gè)二級(jí)控制器，即CLM空調(diào)控制器。由于智能裝置數(shù)量較多，為了降低新增的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇自身所屬CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的二級(jí)控制器或一級(jí)控制器進(jìn)行故障信息上報(bào)。

CLM作為二級(jí)控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)相關(guān)部件的診斷，具備完整的故障管理功能，并響應(yīng)由HCU轉(zhuǎn)發(fā)的上傳DTC、清除存儲(chǔ)的DTC等各種請(qǐng)求。

DCDC等13個(gè)控制器被定義為智能裝置，其OBD功能較為簡(jiǎn)單，只負(fù)責(zé)診斷項(xiàng)相關(guān)信號(hào)的采集，并將自身處理的故障結(jié)果，通過CAN或LIN總線上報(bào)給上級(jí)控制器，由上級(jí)控制器代為進(jìn)行故障管理。




4  結(jié)論

綜上所述，混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)開發(fā)中常采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)，其整體技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控，后期拓展靈活。本文總結(jié)了混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、DECECU和智能裝置的判定方法以及總控制器、一級(jí)控制器、二級(jí)控制器3種類型控制器的分配原則，分析了插電式混合動(dòng)力車輛分布式OBD架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)敘述了四種不同類型的控制單元的特性和數(shù)據(jù)交互等應(yīng)用的情況，對(duì)其他混合動(dòng)力車輛OBD系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)具有借鑒意義。