1. 引言
随着全球对环境保护意识的增强和能源结构的转型，电动车作为清洁能源交通工具的代表，近年来得到了快速发展和广泛应用[1]。然而，随着电动车数量的不断增加，其安全性和可靠性问题也日益凸显，特别是在车辆故障诊断和维护方面。
OBD (车载诊断)系统作为电动车的重要组成部分，通过实时监控车辆运行状态和排放性能，能够及时发现并报告潜在的故障，为车辆维护和安全行驶提供重要保障[2]。OBD系统生成的故障码是故障诊断的关键信息，对于准确判断故障类型、位置和原因具有重要意义[3] [4]。然而，目前关于电动车OBD故障码的研究相对较少，尤其是对于故障码与车辆能耗之间关系的探索更是缺乏系统性。
因此，本研究旨在通过系统的试验方法，深入探究电动车OBD故障码的生成机制、诊断流程及其对车辆能耗的影响。有助于完善电动车OBD系统的故障诊断理论和技术体系，提高故障诊断的准确性和效率，为电动车的能耗管理和性能优化提供新的思路和方法。通过研究试验发现，电动系统故障在车辆还能正常工作的条件下对动力及能耗有显著影响。
2. 研究方法
为了全面且深入地研究电动车OBD故障码及其对车辆能耗的影响，本研究采用了以下综合性的试验方法：
试验选取了一款在市场上广泛应用的电动车作为试验对象，这款车型应具有代表性的OBD系统，能够确保试验结果的普遍性和实用性。在试验前对车辆进行了全面地检查和调试，确保其处于最佳工作状态，并清除所有历史故障码。
接着，我们设计了一系列故障模拟场景，这些场景覆盖了电动车可能遇到的各种常见故障类型，包括但不限于电池管理系统故障、电机控制器故障、传动系统故障以及充电系统故障等。利用专业的OBD故障模拟设备和软件，我们能够在不损坏车辆硬件的前提下，精确地模拟这些故障状态，并实时记录OBD系统生成的故障码。
在故障模拟的过程中，我们使用高精度的能耗监测设备，对车辆的能耗数据进行了连续、实时地采集和分析。为了确保试验结果的准确性和可靠性，对于每个故障模拟场景，我们都进行了至少3次以上的重复试验，并对每次试验的结果进行了详细地记录和分析。同时，我们还利用统计软件对试验数据进行了处理，通过计算平均值、标准差等统计量，进一步验证了试验结果的稳定性和可靠性。
最后，我们还结合了车辆的实际运行数据，对试验结果进行了验证和补充。通过对比和分析车辆在正常状态和故障状态下的能耗数据，我们能够更加准确地评估故障码对车辆能耗的实际影响，并为后续的车辆维护和性能优化提供了有力的支持。
3. 车载诊断系统研究
根据对国外ZEV OBD标准SAE J1979-2的调查研究，结果表明OBDonUDS，旨在为行业提供统一的、标准化的诊断服务，不只是将SAE J1979 $01-$0A服务转换成UDS服务增加了故障代码基础就绪状态、故障代码拓展了1个byte、各项服务下的子功能、最多5个故障代码的冻结帧以及每个故障第一次发生和最后一次发生的冻结帧等，如表1所示。
Table 1. OBD protocol standards
表1. OBD协议标准
Applicability |
OSI 7 Layers |
Emissions-Related OBD Communication Requirements |
Emissions-related OBD Communication Requirements Based on UDS |
Seven layer according to ISO/IEC 7498-1 and ISO/IEC 10731 |
Application (Layer 7) |
ISO 15031-5 SAE J 1979 |
ISO 14229-1 SAE J1979-2/3 |
Presentation |
SAE J1930DA SAE J1979DA SAE J2012DA |
SAE J1930DA SAE J1979DA SAE J2012DA SAE J1939DA |
Session (Layer 5) |
ISO 14229-2 |
ISO 14229-2 |
Transport (Layer 4) |
ISO 15765-2 |
ISO 15765-4 |
ISO 15765-2 |
ISO 15765-4 |
ISO 13400-2 |
Network (Layer 3) |
Date link (Layer 2) |
ISO 11898-1/2 |
ISO 11898-1/2 |
ISO 13400-3 |
Physical (Layer 1) |
OBD标准统一了物理接口，定义了排放相关系统必须支持的诊断服务和数据传输格式。随着车载电子设备的功能逐渐复杂，原有的底层协议较难满足开发需求，因此引入了统一诊断服务UDS。目前新能源部件的故障诊断基本是基于UDS进行开发，然后对UDS故障进行筛选，将排放相关故障列为OBD故障。OBD是与UDS并列的一套应用层协议，对于与排放相关的ECU来说，通常这种ECU上既要实现OBD，也要实现UDS，而UDS是面向整车所有ECU，如表2所示。
根据对企业的调研发现，对于混动和电动车电力系统故障诊断开发标准，目前均为基于UDS协议开发诊断，再将排放相关故障列为OBD故障，但大部分诊断均基于经验和相关性评估，未进行过排放和能耗试验验证，少部分进行过测试或虚拟仿真。此外，当前国六标准综合零部件混动部分要求应进一步详细、明确；关于电动车OBD接口和诊断功能，65%具有OBD接口，纯电动车OBD端口没有相关标准，公安部GB 7258标准只规定企业需有工具能读取车辆VIN，非通用诊断仪，而功能安全诊断则是基于UDS协议开发；远程联网功能，多数企业在新生产的传统燃油M1类车和所有新能源汽车均已实现联网功能，GB/T 32960要求采样频率1次/s，30 s上报，车载终端内部存储容量应满足至少7日的实时数据存储，但对设备性能和车辆网络影响有待进一步技术评估。此外，数据存储方面，控制器无法识别时间、ECU存储空间小等问题会导致硬件升级，增加成本。
Table 2. Differences in OBD and UDS protocol standards
表2. OBD及UDS协议标准差异
条目 |
OBD服务ISO-15031/ISO-15765 |
UDS服务ISO-14229/ISO-15765 |
主旨 |
关注车辆售后实时排放的理念形成的行业规范 |
诊断服务的统一标准，只是应用层的规范 |
诊断应用层协议 |
ISO-15031-5 |
ISO-14229-1 |
传输、网络层 |
ISO-15765 |
ISO-15765 |
标准故障码(DTC) |
ISO-15031-6 SAE J2012 |
部分要求 |
标准接口 |
√ |
√ |
故障诊断仪 |
所有车辆通用 |
OEM自定义 |
数据链路 |
CAN线(主流) |
CAN线(主流) |
适用对象 |
排放相关ECU |
所有ECU |
数据标识符 |
PID (Parameter Identifier) |
DID (Data Identifier) |
服务ID (SID) |
SID < 0 × 10 |
SID ≥ 0 × 10 |
3.1. 混合动力系统诊断研究
当前混动车驱动系统诊断集中在综合零部件监测，相较于传统车，混动的控制架构要复杂得多，控制器数量更多，涉及的新能源部件成倍增加，其结构如图1所示。
Figure 1. Hybrid vehicle control system architecture
图1. 混动车辆控制系统架构
3.1.1. 代表性故障进行实车排放能耗测试
为全方位分析各OBD故障(含电动部件)对能耗和排放影响，选取3辆混动车辆为试验对象，点亮OBD MIL灯的控制器分别为：发动机控制器器(EMS)、变速器控制器(TCU)、电机控制器(PEU)、电池控制器(BMS)、热管理系统(TMS)、充电机(OBC)和底盘控制器(IBCU)；为了确保WLTC试验可具操作性，首先按照以下原则对OBD故障码进行筛选：1、不会造成车辆物理性损坏或危及人身安全诊断；2、故障植入后，功率限制不影响车辆覆盖WLTC全工况，涉及故障如表3所示。
Table 3. Name of power limit faults
表3. 功率限值故障名称
序号 |
控制器 |
故障码 |
故障名称 |
后处理运行策略 |
1 |
PEU |
P19CE1B |
第1路NTC电路温度过高 |
PEU根据温度从100%到0限额 |
2 |
P19CE1A |
第1路NTC电路温度过低 |
3 |
P19CF12 |
定子NTC对电源短路 |
4 |
P19D011 |
定子NTC对地短路等故障 |
5 |
PCU |
U0116 |
与热管理系统丢失通讯 |
— |
6 |
U014B |
与车载充电机系统丢失通讯 |
— |
7 |
BMS |
P1B91 |
第一电流传感器AFE采集Shunt温度过高二级故障 |
BMS电池功率 |
8 |
TMS |
B141515 |
电池水温传感器故障 |
TMS风扇全开 |
9 |
B141615 |
电机水温传感器故障等各类传感器故障 |
10 |
IBCU |
C0034 |
右后轮速传感器故障 |
IBCU制动能量回收降级 |
11 |
C0037 |
左后轮速传感器故障 |
3.1.2. 功率限制类故障测试
电驱部件或电池部件出现故障时，电驱输出功率或者电池输出功率下降，为确保驾驶人员的整车功率需求，既而发动机输出功率增加，一方面会导致发动机油耗增加，另一方面发动机因运行工况点偏移影响也存在一定劣化；下面以电机故障(PEU电机输出功率限制到60%)为例阐明：1、PEU故障模式下，PEU输出功率下降，WLTC工况发动机几乎全程运行(绿色部分)，整个工况下油耗净增为73%，若扣除电池充电(按充100 w电约消耗0.15 L)，则整车能耗增加约16%；2、排放方面，受工况点影响整个循环下PN存在约20%劣化，排放劣化波动在−76%~−73% (具体见下表4)范围。
Table 4. Performance of emission data for power limit faults
表4. 功率限值类故障排放数据表现
故障模式 |
油耗及电耗 |
排放 |
起始 SOC |
终止 SOC |
充电量(Wh) |
油耗 |
THC |
CO |
NOx |
CO2 |
CH4 |
NMHC |
N2O |
PN |
正常试验 |
18.5 |
16.9 |
— |
5.511 |
31.95 |
274.02 |
12.01 |
130.2 |
4.3 |
27.42 |
3.3 |
4.70E + 10 |
PEU故障数据 |
18.3 |
25.6 |
2064 |
9.538 |
20.8 |
186.5 |
8.27 |
225.9 |
2.487 |
17.85 |
0.785 |
5.6E + 10 |
劣化程度 |
— |
— |
— |
73.07% |
−34.90% |
−31.94% |
−31.14% |
73.50% |
−42.16% |
−34.90% |
−76.21% |
19.15% |
电驱部件或电池部件出现故障时，电驱输出功率或者电池输出功率下降，为确保驾驶人员的整车功率需求，既而发动机输出功率增加，一方面会导致发动机油耗增加，另一方面发动机因运行工况点偏移影响也存在一定劣化；下面以两个电池控制器故障为例阐明：
Figure 2. performance of fuel consumption for power limit faults
图2. 功率限值类故障油耗数据表现
而对于下面以两个整车混动控制器HCU故障为例阐明：1、档位限制使发动机运行工况改变，启动次数变多，转速升高，原排累碳量PM升高；2、HCU故障限值电池功率，使得发动机运行工况改变，NOx增加67%，油耗增加21%，结果如图3所示。
Figure 3. Performance of particle data for power limit faults
图3. 功率限值类故障颗粒物数据表现
3.1.3. 制动能量回收类故障测试
Table 5. Energy consumption distribution list
表5. 能耗分布列表
试验序号 |
发动机做功Wh |
电池放电量Wh |
电池回收量Wh |
制动回收能量Wh |
制动回收能量占比 |
1 |
4543.27 |
2243.24 |
−2496.02 |
984.28 |
18.66% |
2 |
4525.32 |
2278.44 |
−2459.31 |
1026.72 |
19.12% |
3 |
4235.83 |
2560.73 |
−2441.54 |
1009.37 |
18.82% |
4 |
4335.06 |
2241.13 |
−2310.15 |
1006.42 |
19.09% |
当底盘控制器(如轮速、制动助力电机、制动液压回路等)出现故障时，对制动能量回收功能降级或者导致制动能量回收功能失效，主要影响整车能耗，排放主要受发动机工况点变化导致，劣化程度有限；下面以CS模式WLTC工况下的试验结果为例分析：1、在CS模式下，电量基本保持平衡情况下，制动能量占比分别为18.66%、19.12%、18.82%和19.09%，即受制动能量回收降级程度，能耗增加约在18.7~19.1%左右；2、未额外植入底盘类故障，理论分析由发动机工况点变化引起的排放劣化和功率限制类的排放结果大致相当，分析数据如表5所示。
3.1.4. 热管理类故障测试
热管理类的水泵类故障(短路、开路、堵转、干转、过温)和风扇类故障(过载、过流、接插不良)，导致相关部件(电驱、发动机、电池)的冷却性能衰减，既而相关部件因超温类故障出现输出功率下降，若下降功率依然可让车辆覆盖WLTC全工况，则能耗和排放影响可借鉴功率限制类的分析结果；若下将功率不能让车辆覆盖WLTC工况，则车辆无法完成WLTC试验甚至下高压无法行驶。热管理类的温度传感器类发生故障时，热管理进入风扇全开后运行，电耗略有增加(0.15%)、排放有明显劣化(−25%~50%左右，具体见下表)，但增加和裂化幅度有限(如表6所示)。
Table 6. Performance of thermal management faults emission data
表6. 热管理故障排放数据表现
故障模式 |
起始SOC |
终止SOC |
油耗 |
THC |
CO |
NOx |
CO2 |
CH4 |
NMHC |
N2O |
PN |
正常试验 |
18.5 |
16.9 |
5.51 |
32.0 |
274.0 |
12.0 |
130.2 |
4.3 |
27.4 |
3.3 |
4.70E + 10 |
TMS温度类故障 |
18.6 |
16.8 |
5.52 |
36.0 |
336.0 |
8.9 |
130.2 |
4.5 |
31.2 |
3.8 |
7.19E + 10 |
劣化程度 |
\ |
\ |
0.15% |
12.68% |
22.62% |
25.90% |
0.00% |
4.65% |
13.60% |
14.55% |
52.98% |
3.2. 纯电动力系统诊断研究
纯电车的OBD诊断实质是对能耗的监测，OBD系统通过监测“驱动系统相关部件”的性能，来帮助解决可能导致碳排放增加的任何系统故障。目前电动车故障诊断均按照UDS协议开发，部分纯电企业反馈不能与目前通用诊断仪通讯，为车管所上牌，OBD只开发了mode01/09，读取VIN，调研显示，65%具有OBD接口，需进一步讨论，经过调研有如下较为代表性的故障，见表7。
Table 7. Representative faults
表7. 代表性故障
MCU故障 |
序号 |
DTC英文名 |
DTC中文名 |
说明 |
1 |
Over-Current detected by Software |
相电流软件过流故障 |
制动能量回收停止 |
2 |
Foult status of Stator Phase currents |
三相电流之和超限 |
制动能量回收停止 |
3 |
error of RDC singna |
旋变型号故障 |
制动能量回收停止 |
4 |
Check the faults at GateDrive |
驱动芯片故障 |
制动能量回收停止 |
5 |
the HV voltage is above upper threshold |
母线电压传感器上限检查 |
传感器输入故障 |
续表
6 |
High Range Check of phase current sensor |
相电流传感器上限检查 |
传感器输入故障 |
7 |
Low Range Check of phase cument sensor |
相电流传想器下限检查 |
传感器输入故障 |
8 |
Over-voltage of UT30 |
蓄电池过压 |
制动能量回收受限 |
9 |
Under-voltage of UT30 |
蓄电池欠压 |
制动能量回收受限 |
10 |
communication CAN bus off |
BUSOFF故障 |
制动能量回收停止 |
11 |
VCU node missing |
VCU节点丢失 |
制动能量回收停止 |
VCU故障 |
1 |
HV in Lock short to battery fault |
高压互锁线路对电源短路 |
导致车辆限速的故障 |
2 |
HV in Lock open load fault |
高压互锁线路开路故障标状态 |
延迟下电的故障 |
3 |
HV In Lock short to ground fault |
亮压互锁线路对地短路 |
延迟下电的故障 |
4 |
HV in Lock Status is OL or SCB or SCG from FMCU |
前电机高压互锁回路状态开路/对地短路/对地电源短路 |
延迟下电的故障 |
5 |
HV in Lock Status is OL or SCB or SCG from RMCU |
后电机高压互锁回路状态开路/对地短路/对电源短路 |
延迟下电的故障 |
6 |
HV in Lock Status is OL or SCB or SCG from OBC |
OBC高压互锁回路状态开路/对地短路/对电源短路 |
延迟下电的故障 |
7 |
HV in Lock Status is OL or SCB or SCG from HVC |
HVC高压互锁回路状态开路/对地短路/对电源短路 |
延迟下电的故障 |
8 |
HV in Lock Status is OL or SCB or SCG from WPTC |
WPTC高压互锁回路状态开路/对地短路/对电源短路 |
延迟下电的故障 |
9 |
CAN bus off fault |
CAN通信总线错误标志位 |
延迟下电的故障 |
10 |
CAN mute fault |
CAN mute故障 |
延迟下电的故障 |
BMS故障 |
1 |
Cell Over voltage 1 |
单体电压过高1级 |
限制放电功率，导致限制能量回收 |
2 |
Cell Over voltage 2 |
单体电压过高2级 |
限制放电功率，导致限制能量回收 |
3 |
Cell Over voltage 3 |
单体电压过高3级 |
限制放电功率，导致限制能量回收 |
3.2.1. 电驱系统故障分析
Figure 4. Schematic diagram of efficiency of electric drive system
图4. 电驱系统效率示意图
电驱系统效率在故障发生前后的高效率区效率变化从95%降为80%，低效率区在故障发生前后的效率变化从80%降为62%，见图4，说明故障导致的电驱系统的电能利用表现变差，如果持续故障下运行，那么将会同等条件下产生更多的碳排放。零部件内部控制系统、传感器或者执行器等输入输出部件出现偏差时，当这个偏差大于容忍范围时，进而带来的转矩和功率变差，从而带来效率变低并增大电耗，因此需要监测此异常并及时阻止碳的超量排放。
3.2.2. 电驱动系统运行能效性能诊断
失效特征：偏移角或永久磁通量或电流等降低能效的因素出现异常或变差时，使得电驱动系统运行能量效率降低，电耗增大，即相比健康系统的输出功率实际输出功率偏小。失效影响：
a) 影响电驱动系统输出功率；b) 影响电驱动系统输出转矩；c) 影响动力电池能量利用率。
3.2.3. 电流传感器合理性故障
失效特征：电流传感器系数偏差较大；电流传感器零漂较大；电流传感器采样值相差较大；失效影响：a) 电流采样精度降低；b) 影响电驱动系统实际输出功率；c) 影响电驱动系统实际输出转矩。
3.2.4. 位置传感器幅值波动合理性故障
失效特征：SinCos幅值波动比例过大；角度精度变差；失效影响：a) 角度采样精度降低；b) 影响电流环电流的分配；c) 影响电驱动系统实际输出功率；d) 影响电驱动系统实际输出转矩。
4. 现阶段试验方法的差异
国六阶段综合零部件混动部分与美标OBDII的主要差异：
电池(REESS)：相比OBDII删除了电池的SOH部分的诊断要求，建议增加。一旦HEV/PHEV的电池SOH降低到无法正确驱动车辆，然而没有诊断的话，必然导致无法维持正确的排放或无法正确驱动车辆将导致HEV/PHEV不能正确维持排放水平；相比OBDII删除了电芯平衡的诊断要求，建议增加。一旦电芯发生故障导致某电芯与其他电芯的电压相差较多而无法通过技术手段实施平衡时，通常电池包会限制功率输出以保障电池内阻的低水平，降低热失控的可能而这种限制功率输出，势必导致发动机相对正常状态时输出更多的能量，产生额外的排放。
热管理系统：相比OBDII删除了冷却系统性能的诊断要求，建议增加。
纯电动车的数字标准化和诊断要求：参考CCR 1962.5，要求具备OBD接口、与扫描工具正确通讯，能够读取数据流、故障代码、车辆跟踪数据等；诊断要求监测“驱动系统相关部件”，并提出监测条件：1) 扭矩或功率下降；2) 能耗增加或全电里程下降；3) 影响充电；4) 制动能量回收被禁止；5) 影响电池SOH计算；6) 影响热管理；7) 属于其他诊断的一部分。
5. 结论
随着电动车的快速发展，其安全性和可靠性问题日益凸显，特别是在故障诊断和维护方面。OBD系统作为电动车的重要组成部分，能够实时监控车辆状态并报告故障，对于保障车辆安全和行驶稳定至关重要。但目前电动车OBD系统由于法规方面的缺失并不完善，对故障的显示、监控并无统一标准。
故障码对能耗的影响：研究结果显示，通过对比不同故障状态下的能耗数据，故障码对电动车动力系统效率会有一定程度的降低、导致能耗增加；对于混合动力汽车，电动系统故障由于需要发动机参与更多动力输出，使得发动机更加频繁有效地启动，使得部分冷启动下表现较差的污染物反而有一定程度的较低，但相对的会使油耗增加。
实际应用与价值：
本研究为电动车OBD系统的故障诊断、能耗管理以及车辆维护提供了重要的理论支持和实践指导。研究成果有助于完善电动车OBD系统的故障诊断理论和技术体系，提高故障诊断的准确性和效率。还能够为电动车的能耗管理和性能优化提供新的思路和方法，推动电动车行业的健康发展。
6. 展望
随着电动车技术的不断进步和市场的持续发展，OBD系统在电动车中的应用将更加广泛和深入。未来研究可以进一步探索OBD故障码与车辆性能之间的更多关联，以及如何利用OBD数据进行更加精准的故障诊断和性能优化。同时，也可以关注OBD系统在电动车智能化、网联化等方面的应用前景，为电动车行业的创新发展提供新的动力。综上所述，本研究在电动车OBD故障码试验方法及故障码对车辆能耗影响方面取得了重要成果，为电动车行业的可持续发展做出了积极贡献。未来，随着技术的不断进步和市场的持续发展，OBD系统将在电动车领域发挥更加重要的作用。