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)測排放控制系統(tǒng)的性能，確保有效控制在用機動車輛的排放。當與排放相關的任何部件發(fā)生故障時，OBD系統(tǒng)應存儲相應的故障代碼、凍結幀等信息，并通過點亮故障指示器(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的相關故障信息，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量方法(中國第六階段)》(以下簡稱“國六法規(guī)”)中對電子動力系統(tǒng)部件/系統(tǒng)提出了更詳細的監(jiān)測要求，特別是擴展到了混合動力車輛部件。

因此，設計出滿足法規(guī)監(jiān)測要求且適合車輛的OBD系統(tǒng)架構，對于OBD系統(tǒng)的開發(fā)至關重要。本文基于一款插電式混合動力車型OBD通信架構，介紹如何設計開發(fā)滿足國六法規(guī)要求的混合動力車輛OBD系統(tǒng)分布式架構。

1  混合動力車輛OBD系統(tǒng)要求

插電式混合動力車輛動力系統(tǒng)主要由內燃機、離合器、電動機/發(fā)電機、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架構的插電式混合動力系統(tǒng)示意圖，電機位于內燃機和變速器之間，通過C0離合器的耦合、解耦來實現(xiàn)不同的動力系統(tǒng)工作模式?；旌蟿恿ο到y(tǒng)可以在純電驅動模式或內燃機驅動模式下工作，也可以由內燃機和電機共同驅動車輛行駛。


考慮到混合動力部件發(fā)生故障可能導致車輛耗電量增加或使得內燃機工作狀態(tài)非預期改變，造成排放量增加，國六法規(guī)“J．4.14.2.3”章節(jié)中新增了混合動力車輛部件的OBD監(jiān)測內容、要求和故障標準。法規(guī)明確要求，對于混合動力車輛，包括混合動力和OVC-HEV車輛，OBD系統(tǒng)應對電量儲存系統(tǒng)(REESS)、混合動力車輛熱管理系統(tǒng)、再生制動、驅動電機、發(fā)電機和OVC-HEV車輛REESS充電器等主要電力部件進行輸入、輸出部件的監(jiān)測，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。對于未提及的混合動力車輛部件，若該部件故障可以引起完全充電車輛的內燃機在WLTP測試過程中起動，或與無故障車輛相比，在不起動內燃機完成WLTP測試時所消耗的累計凈電量的平均增幅超過15%，也需要作為綜合部件進行故障監(jiān)測，如混合動力車輛變速箱控制系統(tǒng)(TCU)、DC/DC逆變器和空調管理系統(tǒng)等部件或系統(tǒng)。美國加州和韓國的OBD法規(guī)中也有類似的監(jiān)測要求及故障標準。

除此之外，設計OBD系統(tǒng)架構時，還需考慮其他系統(tǒng)要求，如實現(xiàn)OBD功能的同時，對各OBD相關控制單元的硬件性能和存儲資源要求盡可能小，對整車CAN總線負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功能的擴展等。

2  典型OBD系統(tǒng)拓撲架構

2.1  集中式OBD系統(tǒng)架構

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

集中式架構具有拓撲架構簡單，開發(fā)難度低等優(yōu)點，但是由于所有功能均由總控制器集中處理，對總控制器硬件性能和存儲資源要求較高、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)交互復雜的混合動力車輛。


2.2  分布式OBD系統(tǒng)架構

混合動力車輛OBD系統(tǒng)開發(fā)中往往采用分布式架構設計，其拓撲架構如圖3所示。

分布式OBD系統(tǒng)架構將有1個總控制器，多個一級控制器和零或多個二級控制器。允許總控制器和一級控制器都能與診斷工具進行通訊。

其中，總控制器負責實現(xiàn)所有診斷服務并進行MIL狀態(tài)的仲裁，一級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，支持部分診斷服務即可。二級控制器從屬于某個一級控制器或總控制器，不需要同診斷工具直接進行數(shù)據(jù)交互。因此，二級控制器一般不支持OBD的診斷服務，但需要具備故障管理功能，存儲故障代碼(DTC)、判定DTC狀態(tài)等，并將上述信息提供給其所屬的一級控制器或總控制器。



分布式系統(tǒng)架構將總控制器的OBD功能分解到各一級控制器中實現(xiàn)，降低了對總控制器的要求，同時整體技術風險可控，對整個系統(tǒng)網(wǎng)絡負載影響較小，后期還可按需拓展，所以在實際中經(jīng)常被采用。

3  混合動力車輛OBD架構設計

3.1  控制單元類型定義

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

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

混合動力車輛中控制器數(shù)量較多，OBD系統(tǒng)架構的設計需要將所有與排放相關的控制單元(OBDECU)進行分類，以定義不同的OBD功能。國六法規(guī)中，將OBDECU分為關鍵診斷或排放電子動力控制單元(DECECU)和智能裝置兩種類型。不同的DECECU類型需要支持相應的診斷服務，同時智能裝置無需支持法規(guī)要求的OBD診斷服務和故障管理功能。因此，正確判定控制單元所屬類型，對于OBD系統(tǒng)的開發(fā)十分重要。依據(jù)國六法規(guī)“J．2.24”和“J．2.42”給出的DECECU和智能裝置的定義、判定要求，本文總結出圖5所示的判定流程圖，可將車輛通信架構中的所有動力傳動系統(tǒng)控制單元進行類型分配。






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)均為非動力傳動系統(tǒng)控制單元，不作為OBD系統(tǒng)的監(jiān)控對象。而電子助力轉向系統(tǒng)(EPS/SAS)不符合國六法規(guī)“J．4.14.1.4”中對綜合部件的監(jiān)測要求，因此可以對其不進行OBD監(jiān)測。

對于已經(jīng)被定義好的DECECU，根據(jù)支持診斷服務的數(shù)量，可進一步劃分為總控制器、一級控制器和二級控制器。

其中，HCU和EMS均可作為混合動力車輛OBD系統(tǒng)的總控制器。雖然國六法規(guī)新增對混合動力車輛綜合部件的監(jiān)測要求，但OBD系統(tǒng)的監(jiān)測仍集中在發(fā)動機相關部件或功能，其診斷要求、故障標準和監(jiān)測條件等要求也較綜合部件更為詳細?？紤]到相同平臺車型EMS的通用性，一般將EMS作為混合動力車輛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準診斷服務。BMS、MCU、TCU、HCU或EMS一般可作為一級控制器(當EMS為總控制器時，HCU作為一級控制器)，其余DECECU可分配為二級控制器。當然，如果控制單元硬件本身不支持要求的診斷服務，則只能分配為二級控制器。

根據(jù)上述分析結果，結合車輛的設計狀態(tài)和現(xiàn)有網(wǎng)絡拓撲，綜合給出各控制單元類型定義，如表1所示。

3.2   OBD系統(tǒng)架構設計方案

為了滿足某插電式混合動力車輛的OBD系統(tǒng)監(jiān)控要求，開發(fā)了帶有1個總控制器，5個一級控制器，1個二級控制器和13個智能裝置的分布式OBD系統(tǒng)架構，如圖6所示。

EMS作為該款插電式混合動力車輛OBD系統(tǒng)的總控制器，其主要負責:診斷內燃機系統(tǒng)排放相關故障，判斷是否需要點亮/熄滅MIL。同時，支持SAEJ1979規(guī)定的診斷服務$01～$0A，接收來自HCU上報的混合動力系統(tǒng)MIL點亮/熄滅請求并進行最終仲裁，通過網(wǎng)關轉發(fā)給儀表控制器，控制MIL的點亮/熄滅。

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

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化為智能裝置，因此僅保留了一個二級控制器，即CLM空調控制器。由于智能裝置數(shù)量較多，為了降低新增的數(shù)據(jù)傳輸負載，設計時盡可能選擇自身所屬CAN網(wǎng)絡內的二級控制器或一級控制器進行故障信息上報。

CLM作為二級控制器，負責系統(tǒng)相關部件的診斷，具備完整的故障管理功能，并響應由HCU轉發(fā)的上傳DTC、清除存儲的DTC等各種請求。

DCDC等13個控制器被定義為智能裝置，其OBD功能較為簡單，只負責診斷項相關信號的采集，并將自身處理的故障結果，通過CAN或LIN總線上報給上級控制器，由上級控制器代為進行故障管理。




4  結論

綜上所述，混合動力車輛OBD系統(tǒng)開發(fā)中常采用分布式系統(tǒng)架構，其整體技術風險可控，后期拓展靈活。本文總結了混合動力車輛OBD系統(tǒng)設計要求、DECECU和智能裝置的判定方法以及總控制器、一級控制器、二級控制器3種類型控制器的分配原則，分析了插電式混合動力車輛分布式OBD架構的設計方法，重點敘述了四種不同類型的控制單元的特性和數(shù)據(jù)交互等應用的情況，對其他混合動力車輛OBD系統(tǒng)架構的開發(fā)具有借鑒意義。