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实际诊断率（IUPR）功能开发和验证
李根深 祁克光 杨俊伟 刘旭
奇瑞汽车股份有限公司 安徽省芜湖市 241009
摘 要： 本文全面介绍了IUPR 功能模块的开发过程,包括详细策略设计、整车标定和道路验证.最终经过实验证明,本文所设计的IUPR 功能完全满足OBD 法规要求.
关键词：诊断率；车载诊断系统；发动机管理系统
1 前言
21世纪初是中国汽车业高速发展的时期,2015年中国汽车市场销量超过2000万台.随着汽车保有量的不断增加,其带来的尾气排放问题也越来越突出.为了控制整车排放污染物,中国环保部引入汽车排放标准和OBD（On-Board Diagnosis,车载诊断系统）法规,确保当影响排放的某部件老化时,EMS（发动机管理系统）应该检测到该故障,并且将该故障传输给整车仪表,通过故障灯点亮的方式来通知客户进维修店排查.
OBD技术的使用,极大程度上提高了整车的排放污染物控制,但是在整车实际使用中,OBD系统对诊断的执行频率没有进行监测,无法保证诊断功能是否一直处于激活状态并且工作良好.在此背景下,从国五法规开始,增加了对OBD系统诊断实际监测频率（In-Use Performance Ratio,缩写为IUPR）的功能要求,由此,OBD系统就被套上了一个紧箍咒,要求各EMS开发商对诊断策略的设计以及整车标定工作更加的细致和严密.
本文根据OBD法规,设计了一套IUPR功能的软件实现方法,并且分析了该功能的标定以及实验验证过程.
2 IUPR 功能开发
2.1 功能介绍
IUPR是用于检测非连续性OBD诊断的计数器,代表了车辆运行过程中诊断发生的真实频率（满足基本驾驶工况条件下的诊断完成次数）.是法规对OBD诊断系统提出的更高要求.要求诊断适应范围更宽广,诊断系统更可靠.IUPR值的大小直接体现出诊断频率的高低,其基础计算方法如下：
分子计数器：某一特定监测的分子计数器用于测量汽车执行该监测的次数.为了检测故障并通知驾驶员,只有当制造厂规定的所有监测条件满足时才会执行该监测.除非有合理的技术性理由,每个运转循环分子计数器增加应不超过一次.
分母计数器：显示汽车行驶事件的次数,并考虑特定监测的特定条件.如果在运转循环期间特定条件满足,则在该运转循环中分母计数器至少应增加一次.
点火循环计数器：显示汽车经历的点火循环的数量.在每个运转循环,点火循环计数器的累加将不会超过一次.
通用分母计数器：用于测量汽车运行的次数.在单个运转循环中,当且仅当满足下列标准时,计数器将在10s内增加：
–海拔低于2440m （72kPa）.
–环境温度大于或等于-7°C.
–发动机起动累计时间大于或等于600s.
–汽车在40km/h或以上的速度累计运行的时间大于或等于300s.
–汽车持续怠速运行（如司机松开加速踏板并且车速小于或等于1.6km/h）时间大于或等于30s.
IUPR监测的法规要求：对于汽车装备的某一特定监测M,国五法规要求IUPRM应大于等于0.1.汽车应至少在160000km的里程内满足这一要求.
对于某一特定监测M,如果某一年度制造的且属于某一OBD系族的所有汽车满足下述统计要求,则认为符合本附件关于IUPR的要求：
IUPRM的平均值大于等于0.1；
超过50%的汽车的IUPRM值大于等于0.1.
2.2 IUPR 策略设计
IUPR是基于现有OBD系统的基础上新增加的诊断功能,因此,策略设计也是在当前EMS系统的基础上新增DIUPR策略模型.利用MathWork公司matlab软件下的simulink工具,根据法规要求,结合当前发动机功能,在现有OBD软件基础上搭建新的DIUPR策略模型,该模型算法包括点火循环计数器,通用分母计数器以及前（后）氧传感器诊断,催化器诊断,VVT诊断等分子和分母计数器等功能,这些计数器值最终通过诊断协议通用模式9输出给诊断仪工具.
点火循环计数器软件设计,根据发动机启动成功的标志位,把该标志位经过一个上升沿触发信号转变成一个脉冲信号,该脉冲信号作为计数器的增加条件,实现了计数器加1功能,并且由于是脉冲信号,单个驾驶循环,仅仅加1,完全符合法规要求.
通用分母计数器软件设计,设计上主要分成两个部分：计数条件的设计以及计数器功能实现的设计.通用分母计数条件法规上有明确的说明,把相关的温度,海拔,车速以及持续怠速时间等条件经过逻辑与,并且无相关传感器故障,则作为通用分母的增加条件.计数器功能的实现,由于计数器单个驾驶循环只能增加一次,并且在条件满足后并不是立即增加,而是要求在10秒内增加,因此单纯的脉冲信号无法实现信号持续几秒然后使计数器仅增加一次.基于这个问题,我们将脉冲信号经过一个RS触发器实现信号保持功能,然后将触发器的输出信号经由一个上升沿延时功能（可以实现任意时间延迟）,当延迟时间达到后,一方面将计数器加1,另一方面,采用信号返回的方式,再将RS触发器复位,这样就保证了一个驾驶循环仅加1次的功能.在本文中,所有当前驾驶循环最多只能增加1的计数器都将采用该控制算法,以后不再赘述.计数器控制逻辑如图一所示.
分母计数器软件设计,对于任意一种分母计数器的实现,其基本过程与通用分母计数器一致,只不过,要更多考虑特定诊断的分母增加限定条件,比如VVT诊断需要当VVT控制器连续开启两次或者持续开启时间超过10秒,才能满足分母增加条件,并且当影响该特定诊断的故障发生时,要暂停该特定诊断分母计数器的增加.
分子计数器软件设计,与EMS诊断算法的关联最大,从主机厂角度,分子计数器越快增长越好,但是必须与具体诊断策略相结合,只有特定诊断在当前驾驶循环诊断完成,并且确保如果有故障发生,必须能报出故障的前提下,其分子计数器才能加1,且当前驾驶循环最多加1.同时,分子计数器与分母计数器一样,如果有影响该诊断的故障发生,其分子计数器必须与分母计数器保持一致,同时暂停其计数功能,直到故障消失10秒以后才能继续增长.
上述几项基础计数器功能实现以后,IUPR主体功能已基本实现,但仍有不少细节需要统筹考虑.由于IUPR诊断率的计算公式是分子除以分母,那么对于同一个诊断内容,可能存在超过一种以上的诊断方法,针对多种诊断方法,其分子和分母计数器是单独计算的,但是总的输出只能输出其诊断率最小的那种诊断方法对应的分子和分母,如果诊断率相等,则输出分母计数器值最大的那种诊断方法对应的分子和分母.另外,在EMS软件中,计数器一般都采用16位的字长进行存储,这也意味着其能存储的最大值为65535,当点火循环计数器或者通用分母计数器达到最大值时,其下一个驾驶循环,所有的分子分母计数器都将从零开始；如果特定诊断的分子或者分母计数器达到最大值,则从下一个驾驶循环开始,对应特定诊断的分子分母计数器将除以二然后开始计数.
将以上所有内容通过simulink建模实现以后,IUPR策略功能就已经实现.IUPR总体功能框架如图二所示.（图中X代表某一特定诊断内容）
3 IUPR 标定
当IUPR策略设计实现以后,首先在电脑上进行模型级的仿真测试——MIL测试（Mode-In-Loop）,当确认模型功能实现以后,接下来就是要进行整车级的测试与标定了.以奇瑞某车型E4G16发动机作为基准,需要进行IUPR计算的诊断项目分别是上游氧传感器诊断,下游氧传感器诊断,催化器诊断以及VVT诊断.下面将对这几种诊断的IUPR标定进行说明.
上游氧传感器诊断标定,上游氧传感器是发动机系统燃油闭环控制的关键部件,其好坏直接关系着整车的排放、油耗和驾驶性.氧传感器与其他传感器不一样,并不是任何时候都能立即工作,他有着独特的要求,只有当发动机工况满足要求后,氧传感器才能开始起振和工作.因此,在OBD系统设计中,氧传感器的诊断也会设置很多工况条件要求,确保在氧传感器工作区域并且易于识别的条件下进行诊断,避免误报.在之前的OBD系统中,氧传感器诊断主要基于NEDC排放工况进行标定,但是引入IUPR策略之后,正常城市工况和郊区工况驾驶一般都会偏离NEDC工况.采用老的诊断方式很可能导致分母增加但是分子由于诊断未完成而不会增加,长时间累积下去就无法满足IUPR诊断率法规要求.基于此现况,我们根据城市工况与郊区工况的采集数据进行分析,在原来的诊断工况下,新增了车速在50km/h、60km/h、100km/h等诊断区域.经过测试,拓宽诊断区域后,上游氧传感器诊断标定可以满足IUPR诊断率要求.
下游氧传感器诊断标定,下游氧传感器是催化器老化检测的关键部件,同时也对燃油闭环控制起辅助的修正作用,其性能的好坏对整车的排放和油耗有着很大的影响.下游氧传感器与上游氧传感器工作特性一致,但由于二者安装的位置不同,其功能也差异明显.传统下游氧传感器诊断采用有振荡测试法,断油测试法和动态测试法,为了保证IUPR率,在IUPR策略设计的时候,其分子增加会同时考虑这三种方法,当其中任意一种完成了诊断,并且确保当有故障发生可以报出故障的时候,分子就会增加.经过测试验证,下游氧传感器诊断标定也可以满足IUPR诊断率要求.
催化器诊断标定,三元催化器是发动机的尾气后处理机制,是整车排放控制的核心部件,也是污染物控制的最后一道关卡,其一旦发生劣化,就直接导致整车排放超标,污染大气.在整车上,考虑到成本,没有专门检测催化器劣化度的传感器,一般对催化器的检测就是通过其前后端氧传感器信号的对比来进行判断.在国家第五阶段排放法规之前,对催化器的检测一般选择在中速中负荷稳定工况进行,对应EUDC排放循环也就是5档70km/h区域,当整车在该区域运行时,发动机燃烧稳定,转速波动小,氧传感器信号振动合理,能准确无误的判断出催化器的劣化状态.但是在国五法规引入IUPR功能以后,由于客户用车行驶工况与EUDC循环差别太大,仅仅在中速中负荷区域进行催化器诊断基本上无法满足IUPR统计率要求.为应对IUPR要求,催化器诊断增加了怠速诊断工况以及高速诊断工况.诊断区域增加后,诊断率可以满足要求,但对于诊断阀值的合理性标定就变得极其重要,必须确认不能误报.在实车验证中,经过多重标定和测试,催化器诊断能够满足IUPR诊断率要求.
VVT（可变气门正时）诊断标定,VVT是用来提高发动机的充气效率,降低油耗的一个执行器,在整车运行中,只要发动机机油温度超过一定值,VVT即可进入工作状态.由于对VVT诊断的条件本身就比较宽,因此VVT诊断只需要增加IUPR接口即可,无需额外优化诊断策略.在实车验证中,VVT诊断能够满足IUPR诊断率要求.
经过对各个诊断功能的独立标定以后,经过整车测试验证,该系统所有分子分母能够准确可靠地增加,诊断率也都符合法规要求.图三所示,即为测试中的一组整车IUPR计数器正确增加数据.
图3中,分子计数器都大于分母计数器,这是由于试验车在测试过程中,有很多的驾驶循环从运行时间上并不满足通用分母增加要求,但是分子增加条件已经满足,因此会导致上述情况发生,另一方面也可以证明,该IUPR策略是可以满足法规要求的.
4 IUPR 路试验证
IUPR是对诊断完成次数的统计算法,为了验证该功能,必须经过多轮路试,尽可能覆盖绝大部分客户驾驶工况,采集整车诊断率数据,最终进行数据统计和分析,才能确保该功能的可靠性和覆盖性.为了真实有效地完成路试验证,需要经历以下几个步骤：资源准备、实验路线规划、数据记录分析和结果统计.
4.1 资源准备
IUPR路试的前提条件是整车基础标定和OBD基础标定结束,整车状态为批产验证车辆.为确保数据的有效性,考虑一致性因素,需要准备两辆试验车同时进行路试.因此需要准备试验车两辆,驾驶员两位（要求驾驶技术熟练,如果驾驶过程中异常熄火,会导致数据失效）,而且每辆车都要装上行驶记录仪,记录一些必要的EMS数据信息,该信息应包含整车所有运行状态,故障信息以及IUPR相关计数器信息.
4.2 实验路线规划
由于IUPR是一种统计客户真实使用情况下的诊断率,因此实验也要尽量的模拟真实客户开车工况.根据客户每天上下班工况,一般分为城市工况和郊区工况.在路线规划的时候,经过多次实地勘探和数据采集分析,我们选择了4条不同的城市路线,分别定义成A、B、C和D；另外再选择两条郊区路线E和F.在实验进行的时候,我们把总体实验分成四个阶段,每一个阶段每条路线跑两天,这样一个阶段就是12天,并且每天要规划好实验时间,覆盖冷机高峰、热机非高峰、冷机非高峰和热机高峰四种情况.试验路线的规划既要考虑覆盖性,同时也要考虑IUPR通用分母的增长条件,本次实验规划路线详细情况如表1所示.
4.3 过程数据记录与分析：
在实验进行过程中,根据行驶记录仪存储卡容量情况,安排专业工程师每一天或者两天进行一次数据导出,然后进行数据分析,如果涉及到分子分母非正常增长或者不增长,则需要深入分析,判断是IUPR标定不合理,还是策略设计不合理亦或是EMS系统其它故障导致的IUPR功能失效.并把数据结果进行分类处理,每天累加直至实验结束.并且要求驾驶员对实验过程进行记录,尤其是当整车有异常故障发生或者行驶中异常熄火时,一定要通知专业工程师进行处理.
4.4 结果统计：
实验结束后,摒弃其中一些异常数据,比如整车系统故障,记录失败,行车过程中异常熄火等原因导致的数据.对剩下的所有有效数据进行分类统计,两台试验车最终统计数据如表二和表三所示.从表中可以看出,所有诊断功能的分子比上分母的值（IUPR率）都大于0.1,并且有相当大的安全范围,则可证明该EMS平台下的整车IUPR功能符合法规要求.
5 结语
IUPR不是一个独立的功能模块,他与OBD各诊断模块紧密连接,尤其在IUPR标定的时候,更多的是对其他诊断功能诊断条件提出了更高的要求,既要求诊断范围变宽,但是又不能误报.经过路试验证,各个诊断模块的IUPR率都远远大于国五法规要求的0.1.该EMS系统已经匹配数款车型,并且全部拿到了公告核准证书.经过上述一系列的开发,标定以及验证过程,证明本文所设计的IUPR功能完全满足法规要求,可以在整车上应用和持续推广.
当前国六法规即将出台,国六结合了欧六与美标OBDII的法规,对OBD与IUPR诊断率都提出了更多更严格的要求,多个诊断模块的IUPR率要求达到0.336,但是DIUPR基础策略不需要变更,只需增加一些新的诊断功能接口即可.结合目前的IUPR诊断率结果来看,该EMS系统中的 IUPR软件也能满足国六要求.
安徽省自主创新项目资金支持,项目号：12z0101017.
参考文献：
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[ 4 ]Co m m i s s i o n Re g u l a t i o n（EC）, No692/2008 of 18 July 2008.
作者简介
李根深： （1985 年—）,男,安徽省技术领军人才,主要研究方向为动力总成控制器系统开发.
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