劉巖丁天威趙洪輝黃興曲祿成段盼郝志強(qiáng)

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130013）

主題詞：燃料電池汽車 故障診斷 處理措施

縮略語

FCV Fuel Cell Vehicle

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell

FDD Fault Detection and Diagnosis

SVM Support Vector Machine

PCA Principal Component Analysis

FDA Principal Discriminant Analysis

LDA Linear Discriminant Analysis

RVM Relevance Vector Machine

FCM Fuzzy C-Means

RC Resistance Capacitance

ESC External Short Circuit

BMS Battery Management System

OBD On-Board Diagnosis

1 前言

在當(dāng)前能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)的背景下，世界各國車企都在大力推進(jìn)新能源車型的研發(fā)，其中燃料電池汽車前景廣闊，大力發(fā)展、研究燃料電池汽車已經(jīng)成為國際共識和中國國家戰(zhàn)略之一。燃料電池汽車區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車，主要由燃料電池發(fā)動機(jī)、動力電池等組成。隨著燃料電池汽車的快速發(fā)展，其問題也隨之浮現(xiàn)，包括燃料電池發(fā)動機(jī)、動力電池、傳動系統(tǒng)等部件的故障。這些故障會導(dǎo)致車輛部件損傷，嚴(yán)重時(shí)給駕駛?cè)藛T的生命帶來安全隱患。為了防止燃料電池汽車安全事故的發(fā)生，故障診斷與預(yù)警技術(shù)逐漸得到廣泛關(guān)注[1-2]。

本文闡述了燃料電池汽車的故障分類及故障產(chǎn)生的機(jī)理，重點(diǎn)闡述了燃料電池發(fā)動機(jī)及動力電池的故障診斷研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展。最后，討論了未來燃料電池發(fā)動機(jī)及動力電池的故障診斷研究發(fā)展方向。

2 燃料電池汽車系統(tǒng)概述

燃料電池汽車構(gòu)型如圖1所示，其由燃料電池發(fā)動機(jī)、動力電池、傳動系統(tǒng)等主要部件組成，其中燃料電池發(fā)動機(jī)按照系統(tǒng)功能可分為：燃料電池堆、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。整車由動力電池、燃料電池共同提供行駛所需能量，最終由電機(jī)驅(qū)動車輛行駛[3]。

圖1 燃料電池汽車構(gòu)型

3 燃料電池汽車故障分類

燃料電池汽車各個(gè)重要子系統(tǒng)在整車工作過程中按照既定的控制策略進(jìn)行動作，保證整車安全、高效、可靠運(yùn)行。本節(jié)主要介紹燃料電池發(fā)動機(jī)、動力電池、電機(jī)和DC/DC這3個(gè)主要部件的故障類型。

3.1 燃料電池發(fā)動機(jī)故障

燃料電池發(fā)動機(jī)故障可分為電堆故障以及附件故障，如圖2所示，其中附件故障可以由系統(tǒng)組成進(jìn)行相應(yīng)分類。

圖2 燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)原理

3.1.1 空氣供應(yīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障

空氣供應(yīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障主要包括：空氣濾清器故障、空壓機(jī)故障、空氣管路傳感器故障、空氣管路故障、閥門響應(yīng)故障。

3.1.2 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障主要包括：氫瓶故障、氫氣供應(yīng)管路故障、氫氣循環(huán)裝置故障、氫氣路閥門故障。

3.1.3 冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的故障

冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的故障主要包括：水泵故障、循環(huán)水壓力溫度故障、循環(huán)水離子濃度過高故障、冷卻風(fēng)扇故障、去離子器故障、閥門故障以及散熱器故障。

3.1.4 電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的故障

電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的故障主要包括：通訊故障和電路故障。

3.1.5 電堆本身產(chǎn)生的故障

電堆本身產(chǎn)生的故障主要包括：膜電極故障、催化劑失效、雙極板故障[4-6]。

3.2 動力電池故障

如圖3所示為豐田燃料電池汽車動力電池示意，可以看到動力電池位于車輛底部，其作為燃料電池汽車的動力來源之一，其故障診斷對于整車具有十分重要的意義，其中動力電池故障方法有以下4種。

圖3 Mirai燃料電池汽車動力電池示意

3.2.1 電壓表現(xiàn)故障

動力電池可能會出現(xiàn)電壓波動的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為某幾節(jié)單體電壓出現(xiàn)偏低或偏高的情況。電壓差值在整車運(yùn)行過程中或充電時(shí)出現(xiàn)電壓值迅速上升或下降的現(xiàn)象，且該變化表現(xiàn)在某幾節(jié)單體電壓的突變。

3.2.2 溫度表現(xiàn)故障

由于動力電池需要考慮低溫啟動的情形，因此需要在溫度低于閾值時(shí)啟動加熱片裝置，使其能夠給動力電池加熱。當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)，會影響整車加熱功能。在動力電池中出現(xiàn)幾節(jié)溫度值超過閾值，并達(dá)到報(bào)警條件。運(yùn)行中出現(xiàn)動力電池中幾節(jié)的溫度偏低并達(dá)到報(bào)警條件。

3.2.3 充電故障

在燃料電池汽車充電時(shí)出現(xiàn)充電模塊異常，可以表現(xiàn)為充電無法開啟、充電無法正常結(jié)束。

3.2.4 通訊故障

在燃料電池汽車工作過程中出現(xiàn)通訊故障，或整車中關(guān)于動力電池信息缺失[7-8]。

3.3 電機(jī)系統(tǒng)故障

電機(jī)及電驅(qū)動控制系統(tǒng)在燃料電池汽車中發(fā)揮重要作用，其作用為進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輛行駛。在驅(qū)動車輛行駛時(shí)，燃料電池發(fā)動機(jī)或動力電池產(chǎn)生的能量經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力；在制動能量回收模式下，回收動能存儲于動力電池中，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電機(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)系統(tǒng)故障主要分為電氣類故障與機(jī)械類故障2部分。其中，機(jī)械類故障，包括但不限于內(nèi)部轉(zhuǎn)子、定子關(guān)鍵部件損壞；電氣類故障則主要包括控制器電路故障、電機(jī)內(nèi)部短路和斷路[9-10]。

3.4 DC/DC故障

DC/DC的作用為提升輸入電壓，使得輸出電壓能夠滿足燃料電池汽車整車高壓需求，如圖5為DC/DC變換器。

圖5 DC/DC變換器

DC/DC故障主要有以下原因：

（1）低壓信號故障，涉及低壓接線端的供電、接地和使能信號。

（2）DC/DC高壓故障。

（3）由于連接線路出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的輸出故障。

（4）由于DC/DC溫度達(dá)到閾值而產(chǎn)生的故障，并觸發(fā)報(bào)警[11-12]。

4 燃料電池整車故障診斷方法

燃料電池汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前許多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，本小節(jié)主要介紹燃料電池汽車中關(guān)鍵的能量供給系統(tǒng)：燃料電池發(fā)動機(jī)和動力電池故障的診斷方法。

4.1 燃料電池發(fā)動機(jī)故障診斷方法

燃料電池發(fā)動機(jī)故障診斷方法，主要可以分為2種：基于模型的故障診斷方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法[13]。

4.1.1 基于模型驅(qū)動的故障診斷

基于模型的故障診斷方法將系統(tǒng)的模型輸出與真實(shí)的輸出做對比（圖6），通過殘差分析對系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷[14]。

圖6 基于模型的故障診斷

基于上述方法可以得知準(zhǔn)確的質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系統(tǒng)模型建立是故障診斷的關(guān)鍵，然而作為多學(xué)科交叉的知識結(jié)合，基于模型的故障診斷困難程度限制了該種方法[15-16]。

Lira等[17]建立了線性參數(shù)變量動態(tài)模型，并利用輸出結(jié)果進(jìn)行對比。Rosich等[18]提出了1種燃料電池系統(tǒng)故障診斷方法，該種方法通過計(jì)算公式和不同變量的冗余進(jìn)行相關(guān)故障診斷工作。Khan等[19]提出1種新的動態(tài)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型僅以PEMFC系統(tǒng)的負(fù)載電流和溫度為輸入，以輸出電壓和膜含水量為主要輸出，該動態(tài)模型計(jì)算的是氫和氧的內(nèi)部分壓，并結(jié)合PEMFC系統(tǒng)的負(fù)載電流和溫度，對PEMFC的膜含水量和內(nèi)阻進(jìn)行了建模，最后采用閃電搜索算法對模型參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Polverino等[20]設(shè)計(jì)了1套殘差分析方法，確立了最少傳感器信息下的故障診斷措施（圖7）。

由于燃料電池由具有不同特性的子系統(tǒng)組成，因此需要在故障診斷檢測（Fault Detection and Diagnosis，F(xiàn)DD）中開發(fā)多系統(tǒng)級別結(jié)構(gòu)。Lee等[21]等針對燃料電池故障診斷問題（圖7），在第一階段，進(jìn)行子系統(tǒng)故障診斷，下一階段，進(jìn)行相應(yīng)的組件級故障識別，基于模型的方法由過程估計(jì)、殘差生成和FDD組成。其中監(jiān)督機(jī)器采用學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練回歸模型和故障分類模型，使用冗余度和測量結(jié)果之間的差異作為評價(jià)指標(biāo)。

圖7 基于模型的故障診斷技術(shù)原理[21]

4.1.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷

除了基于模型的方法外，數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法也受到越來越多的關(guān)注。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法可以實(shí)現(xiàn)從正常狀態(tài)以及故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)提取，以便進(jìn)行PEMFC系統(tǒng)的故障診斷工作[22]，該種辦法的數(shù)據(jù)來源于測試結(jié)果，因此在很大程度上依賴于測試數(shù)據(jù)的特征參數(shù)識別與提取，數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷方法具有簡單、高效的特點(diǎn)而廣泛被人所接受[23]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，多種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法逐漸形成，如支持向量機(jī)（Support Vector Machine,SVM），主成分分析法（Principal Component Analysis,PCA），判別分析法（Principal Discriminant Analysis,FDA）、現(xiàn)行判別分析（Linear Discriminant Analysis,LDA）等[24-27]。

Zhou等[28]使用了正交線性判別法分析，使用相關(guān)向量機(jī)（Relevance Vector Machine,RVM），用于降維和模式識別，并提出了1種在線自適應(yīng)診斷策略，使得診斷準(zhǔn)確率可進(jìn)一步提高。Mao等[29]提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的基于傳感器選擇技術(shù)的診斷方法，其主要特點(diǎn)是，可以識別在故障出現(xiàn)時(shí)變化敏感的狀態(tài)變量，以此來進(jìn)行相應(yīng)的故障診斷，使結(jié)果更加準(zhǔn)確、有說服力。Lin等[30]針對故障識別，比較不同降維算法和不同模式的故障識別結(jié)果。Li等[31]使用Fisher判別分析和增量球形分析方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和模式識別，并設(shè)計(jì)了專用的在線故障診斷集成電路。Zhang等[32]提出了1種混合動力電動車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的故障診斷方法，模擬退火遺傳算法模糊C均值聚類（Fuzzy CMeans,FCM），綜合采用少數(shù)過采樣技術(shù)和深層網(wǎng)絡(luò)，去除了噪聲樣本中的無效數(shù)據(jù)，處理不平衡數(shù)據(jù)，并進(jìn)行模式識別。Han等[33]提出了1種用于汽車質(zhì)子交換膜燃料電池診斷的方法，其采用可能性模糊C-均值算法去除無效樣本，并采用人工蜂群優(yōu)化的SVM進(jìn)行故障的分類診斷。

在車輛運(yùn)行過程中，特別是復(fù)雜工況下的燃料電池性能的衰減原因還有待研究。此外，不同的燃料電池在相同的故障下可能顯示不同的故障等級。因此，可能基于已有的專家系統(tǒng)和構(gòu)造的推理規(guī)則不適用于所有的燃料電池[34-35]。

4.2 動力電池故障診斷方法

動力電池故障診斷是燃料電池汽車另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外關(guān)于在線故障診斷的研究也已經(jīng)取得相當(dāng)進(jìn)展。其中，Liu等[36]利用改進(jìn)的一階無線電控制（Resistance Capacitance，RC）模型，建立了模擬鋰電池外短路（External Short Circuit，ESC）失效時(shí)電行為的實(shí)驗(yàn)平臺，采用動態(tài)鄰域粒子群優(yōu)化算法對模型參數(shù)進(jìn)行重新辨識，提出了1種基于雙層模型的ESC故障診斷算法。Yang等[37]結(jié)合電動汽車充電的過程特點(diǎn)和專家系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了電動汽車充電過程故障智能診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特征信息庫、知識庫、推理機(jī)，并對蓄電池、充電樁、供電設(shè)備之間的故障相關(guān)性進(jìn)行集成在線診斷，從而提高電動汽車電池的安全性，促進(jìn)電動汽車的健康發(fā)展。Yin等[38]基于協(xié)議設(shè)計(jì)了車輛故障代碼和數(shù)據(jù)流信息，并介紹了遠(yuǎn)程服務(wù)器以及手持設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對終端的遠(yuǎn)程故障診斷，可以通過藍(lán)牙連接手持終端傳輸信息，在基于線路進(jìn)行診斷的軟件終端上發(fā)送與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信網(wǎng)絡(luò)信息。Kang等[39]提出了1種基于無冗余交叉式測量電路和改進(jìn)的相關(guān)系數(shù)法的多故障在線診斷方法，采用相關(guān)系數(shù)法捕獲故障特征并評估故障程度，避免不同故障之間的誤檢，對正常測量誤差和電池環(huán)境溫度、充電狀態(tài)以及健康狀態(tài)不一致性診斷具有較高的魯棒性。

5 燃料電池汽車故障處理方法

在燃料電池汽車出現(xiàn)故障時(shí)，本著保證車輛安全行駛、工作可靠的原則，制定故障等級分級式處理策略。

（1）當(dāng)燃料電池汽車出現(xiàn)一級故障時(shí)，定義該故障為輕微故障，于儀表處顯示故障產(chǎn)生原因，警示駕駛?cè)藛T注意，與此同時(shí)不限制整車各個(gè)部件的性能輸出。該類故障隨著車輛運(yùn)行可能消失，或升級為更高級故障。

（2）當(dāng)燃料電池汽車出現(xiàn)二級故障時(shí)，定義該故障為一般故障，并判斷故障來源，限制燃料電池汽車的功率輸出，與此同時(shí)，判斷該故障產(chǎn)生位置，若位于燃料電池發(fā)動機(jī)，則根據(jù)不同的故障原因，限制燃料電池發(fā)動機(jī)輸出不同恒定功率值，同時(shí)不響應(yīng)整車功率請求；當(dāng)故障位于動力電池時(shí)，限制其輸出功率。此時(shí)車輛為跛行模式。

（3）當(dāng)燃料電池出現(xiàn)三級故障時(shí)，定義該故障為嚴(yán)重故障，并緊急關(guān)閉車輛系統(tǒng)，防止出現(xiàn)惡性事故，影響駕駛?cè)藛T生命安全[40]。

5.1 燃料電池發(fā)動機(jī)故障處理方法

燃料電池發(fā)動機(jī)主要問題集中于冷卻回路、空氣回路及通訊線路方面。

若冷卻回路出現(xiàn)故障，讀取故障代碼，確認(rèn)是否由于冷卻液壓力不足或離子濃度過高所導(dǎo)致，進(jìn)而采取措施，添加冷卻液，同時(shí)更換車輛冷卻液，至離子濃度位于需用范圍。

若出現(xiàn)空氣回路問題，首先排查故障代碼，確認(rèn)空壓機(jī)、傳感器及背壓閥故障類別，并進(jìn)行更換、人為修理操作。

若出現(xiàn)通訊故障，排查相應(yīng)代碼，靶向插拔對應(yīng)問題傳感器，若故障存在，插拔控制器相應(yīng)位置線路并進(jìn)行完整性檢查，必要時(shí)更換控制器。

5.2 動力電池故障處理方法

動力電池出現(xiàn)的故障主要包括通訊問題、部件功能問題。

若采樣線路出現(xiàn)故障，排查高壓電池采樣端子，檢查接觸器電源供電是否正常，同時(shí)更換高壓電池采樣端子，重新連接退針。

若出現(xiàn)功能問題，以電池電壓不均衡為例，首先排查故障代碼，對車輛進(jìn)行全充全放一次，調(diào)換電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），針對不同電池電壓進(jìn)行觀測，若無法解決，更換動力電池。

5.3 電機(jī)故障處理方法

電機(jī)出現(xiàn)的故障主要有電機(jī)超速、運(yùn)行溫度過高、旋轉(zhuǎn)變壓器故障。

當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)超速故障時(shí)，若由于整車負(fù)載驟降的原因，則重新上電，至故障消失；若由低壓信號端上報(bào)故障，則進(jìn)行信號線插頭的檢測；若由于控制器損壞，無法接收到相應(yīng)故障信息，則更換控制器。

當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行溫度異常問題，若長時(shí)間運(yùn)行位于120～140℃之間，可能會導(dǎo)致電機(jī)輸出功率無法滿足要求，此時(shí)需檢查電機(jī)主體是否損壞。

當(dāng)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器故障時(shí)，判斷是否由于電機(jī)啟動失敗或輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足駕駛員需求，繼而檢查控制器與電機(jī)接線，使用萬用表測量變壓器電阻，判斷其是否損壞，若該數(shù)據(jù)正常，則判斷為內(nèi)部電路出現(xiàn)故障，及時(shí)更換電路板。

5.4 DC/DC故障處理方法

當(dāng)車輛DC/DC電壓轉(zhuǎn)換出現(xiàn)問題時(shí)，連接診斷儀到OBD接口，起動車輛，讀取故障碼。

若由線束、接插器引發(fā)的故障，檢查安裝狀態(tài)、線束及接插器是否存在磨損或腐蝕。

若因高壓輸入電路出現(xiàn)的故障，檢查相關(guān)線路，關(guān)閉車輛點(diǎn)火開關(guān)，車輛靜止5 min以上，檢測高壓系統(tǒng)絕緣值，后重新恢復(fù)至原狀，再次讀取故障碼，確認(rèn)其是否存在，若是則嘗試檢測動力電池。

6 展望

目前針對于燃料電池汽車的故障診斷技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但是其依然有需要進(jìn)一步研究及解決的工作。

（1）基于車輛的故障診斷研究

現(xiàn)有的故障診斷工作多數(shù)是從系統(tǒng)入手，沒有充分考慮到車載工況下不同路況、不同天氣、不同操作條件帶來的制約，當(dāng)燃料電池汽車多系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí)，可能會出現(xiàn)信息的重疊以及相互干擾的情況，如何將現(xiàn)階段的研究成果與車輛實(shí)際路況相結(jié)合、與車輛多系統(tǒng)相互協(xié)同診斷，是一個(gè)值得研究的問題。

（2）燃料電池內(nèi)部故障診斷研究

現(xiàn)有的針對燃料電池電堆的故障診斷停留在數(shù)據(jù)診斷階段，其中關(guān)鍵部件電堆內(nèi)部的傳質(zhì)狀態(tài)信息獲取途徑只能從數(shù)據(jù)判斷，因此需要通過圖像處理或傳感器進(jìn)行水分、氣體分布的詳細(xì)信息獲取，以便針對不同時(shí)刻、不同工況下的內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、分析，針對以上功能需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討與研究。

7 結(jié)論

本文從燃料電池汽車構(gòu)型入手，分析燃料電池汽車不同系統(tǒng)、部件的故障出現(xiàn)形式以及通用處理措施，著重針對燃料電池和動力電池故障診斷方法研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納與總結(jié)，并針對故障診斷的方法及應(yīng)用場景進(jìn)行了展望，指出現(xiàn)階段存在的不足，以期望對燃料電池汽車的故障診斷策略研究提供一定的參考。