现代汽车车载诊断系统（OBD）的研究

三多

内容提要：

汽车尾气排放对大气环境造成严重污染，现代汽车车载诊断系统（OBD）正是最新推出的监控汽车尾气排放的手段之一。本文介绍了OBD系统的发展历程、基本组成、工作原理、主要特点和监测对象，并对OBD系统的局限性做了简要的概述。
关键词：车载诊断系统  排放  检测  故障
随着全球汽车保有量的逐年增加和人类环保意识的增强，汽车排放物的污染也越来越受世人的关注，世界各国制定的排放法规也越来越严格。由于环保机构要求用更精确的方法探测造成排放上升的发动机性能问题，OBD（On-Board Diagnostic：车载诊断）系统应运而生。最新推出的第二代车载诊断系统是监测汽车排放的有效手段之一。第二代车载诊断系统最重要的一点就是该系统的设计是为了探测汽车尾气排放物HC、CO、NOx和燃油蒸发污染值是否超过排放限值。OBD系统不会代替定期的排放测试，但是会起随车排放监测器的作用。作为欧盟汽车排放法规的响应者，中国在不久的将来必定实施EOBD（European On-Board Diagnostic：欧洲车载诊断系统）。


1 OBD系统概述

1.1 OBD系统的发展历程


OBD系统经历了OBDⅠ（第一代车载诊断系统）和OBDⅡ（第二代车载诊断系统）、EOBD 2个阶段。OBDⅠ最早在1991年由美国加州规定使用，功能相对简单，主要是诊断与排放有关的零部件的完全失效。OBDⅠ没有统一的标准，OBD连接器插口、故障代码、通讯协议等形式内容大都不同，给电控汽车的故障诊断和维修带来了诸多不便。第二阶段OBDⅡ、EOBD系统则非常复杂。OBDⅡ、EOBD除了对排放有关的部件完全失效诊断外，还要对由于部件老化、部分失效引起的排放超标进行诊断。因此，OBDⅡ、EOBD系统才是真正意义上的实现对在用车整个使用寿命范围内的排放控制。OBDⅡ、EOBD使用统一的标准，只要用一台仪器即可对各种车辆进行诊断检测，这给全球汽车维修检测提供了极大的方便。
因为美国和欧洲采用了两种不同的排放法规体系，所以第二代车载诊断系统有OBDⅡ、EOBD两种形式。美国实施OBDⅡ，而采用欧洲排放法规的国家则实施EOBD系统。从根源上来说，美国的OBDⅡ系统实施得更早，标准更严格。美国环保局规定1996年以后生产的轿车和轻型卡车（载重在6.5t以下）的电控系统都要求配置OBDⅡ系统，并在2000年1月1日开始所有汽车制造商生产的轿车及轻型卡车都必须配置OBDⅡ系统。加拿大于1998年开始实施OBDⅡ系统。欧洲则从2000年开始逐步实施EOBD系统，2001年欧洲所有新生产的轿车（载重2.5t以下）仅限于汽油发动机配置EOBD系统，而对于柴油发动机轿车要求到2004年必须强制配置EOBD系统。在我国目前己经颁布的排放法规中欧Ⅱ标准里尚无OBD的有关规定，但随着欧Ⅲ标准的实施，EOBD的使用必将提上日程。


1.2 OBD系统的组成


OBD系统非常复杂。美国加州空气资源委员会（California Air Resources Board: CARB）的OBDⅡ系统规定包括70多页的详细法规和几百页的详细SAE及ISO标准。OBD系统在功能上由软件和硬件共同实现。OBD的软件包括故障诊断控制策略代码和标定，与发动机控制部分一起构成整个发动机控制系统的软件包。在一个典型的发动机控制系统软件包中，OBD部分的代码占整个软件内容的一半，有超过150个可能的故障代码。典型的EOBD软件包括6万行代码和1.5万个标定。OBD的硬件主要由各传感器、ECU（Electronic Control Unit:电子控制单元）、OBD连接器插口、故障显示灯、执行器及线路等与发动机废气控制相关的子系统组成。OBD的硬件系统如下图1所示。


1.3 OBD系统的工作原理


汽车在正常运行时，汽车的电子控制系统输入和输出的信号（电压或电流）会在一定的范围内有一定规律地变化；当电子控制系统电路的信号出现异常且超出了正常的变化范围，并且这一异常现象在一定时间（3个连续行程）内不会消失，ECU则判断为这一部分出现故障， 故障显示灯点亮，同时监测器把这一故障以代码的形式存入内部RAM（Random Access Memory: 随机存储器），被存储的故障代码在检修时可以通过故障显示灯或OBDⅡ扫描仪来读取。如果故障不再存在，监控器在连续3次未接收到相关信号后，将指令故障显示灯熄灭。故障显示灯熄灭后，发动机暖机循环约40次，则故障代码会自动从存储器中被清除掉。


1.4 OBD系统的主要特点


OBDⅡ与OBDⅠ相比较，最大的改进之处在于OBDⅡ具有统一的标准，这给电控汽车的故障诊断和检测维修提供了诸多方便。1988年，SAE（美国工程师学会）创建了第一个故障诊断连接器插口和一套故障代码作为标准推广，美国环保局采用了SAE大多数标准并作为推荐世界范围统一使用的标准。所有OBDII或EOBD装备的汽车都必须包括以下标准化的硬件和软件：标准化的数据诊断接口（SAE-J1962）（见图2），标准化的解码器（SAE-J1978）， 标准化的电子通讯协议（kW2000，CAN，CLASSII，ISO9141等），标准化的诊断故障码（DTC，SAE-J2012），标准化的维修服务情报（SAE-J2000）。


2 OBD系统的检测对象


OBDⅡ要求检测任何一个与排放有关的部件或系统。重点检测燃油和空气测定系统故障、点火系统故障或发动机间歇熄火故障、废气控制辅助装置故障。表1为EOBD监测的零部件和系统。


3 OBD系统的局限性


（1） OBD系统不能测量车辆的排放物CO、NOx和HC等，只是起随车排放监测器的作用。因此，如果需要准确分析车辆尾气排污状况，尚需要其他的监测手段或配备其他尾气分析仪。
（2） OBD系统的可靠性受车辆运行环境的影响，在一定的工作场合，如恶劣的运行状况和异常的工作环境中，OBD系统有可能出错，此时一般要暂停OBD系统的工作。而且错误的故障指示会降低用户对OBD系统的可信度，以至于部分用户在OBD发出故障警告后对此不予理会，使OBD应有的功能无法实现。
（3） OBD系统不能指示如何对车辆进行维修，它只能对车辆进行实时监测，把检测到的故障以代码的形式存入存储器，以点亮故障灯的方式通知驾驶员发生故障的部位或表明存在着被确诊的故障，提醒驾驶员对车辆进行维修。
（4） OBD系统不能诊断出汽车电控系统内的所有故障，它仅能监测出汽车电控系统中70%～80%的故障。仅依靠故障显示灯的方式还不能有效地判断汽车系统的恶化状况。
（5） OBD系统对软件带来了巨大的挑战。OBD软件大约是整个电控汽车软件的一半。其中任何一个软件错误都能导致错误的故障指示或违规。在软件精度上，即使99.9% 的精度依然会造成很多系统问题。
另外，还有许多关于OBD系统软件及检测的困难，例如太敏感、太不敏感和检测不准确等等。


4结束语


OBD是一个非常复杂的自诊断系统，用于检测影响汽车排放的零部件和系统的故障。实施OBD系统的目的就是确定是否由于零部件或子系统的故障导致排放超过最高值。目前，国产汽车排放控制系统基本是直接采用国外成熟产品，国内对OBD领域的研究尚处于起步阶段。由于车用排放法规日趋严格，OBD将会被提到一个非常重要的地位。随着我国排放法规的不断提升，我国政府必将制定严格的OBD法规，控制在用车的排放水平。尽管OBD系统还存在某些方面的局限性，但它才是目前真正意义上对在用车整个使用寿命范围内的排放控制。随着我国欧Ⅲ排放法规的实施，OBD已成为汽车行业的热门话题。