基于故障樹的燃料電池冷卻系統(tǒng)故障診斷

明 宏，全 睿

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)化率高、功率大、供電時(shí)間長、低噪聲和無污染等優(yōu)點(diǎn)，以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源已成為各國燃料電池汽車的研究熱點(diǎn)[1]。目前，燃料電池汽車的研制技術(shù)已初步成熟，但在商品化和產(chǎn)業(yè)化中包括安全性和可靠性等諸多問題尚待解決[2-3]。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是燃料電池汽車的核心部件，是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性的強(qiáng)耦合復(fù)雜系統(tǒng)，其電子設(shè)備和元器件種類繁多，電磁干擾環(huán)境惡劣，在實(shí)際使用中難免會(huì)發(fā)生種種故障。一旦發(fā)生故障若未加處理，輕則導(dǎo)致其輸出性能下降或無法正常工作，重則發(fā)生重大事故[4]。冷卻系統(tǒng)是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，直接決定著其輸出性能和安全可靠性，因此對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)開展故障診斷研究是十分必要的。

故障樹分析法[5-6]以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件為頂事件，以可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的其他事件為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間的聯(lián)系，對(duì)系統(tǒng)故障形成的原因做出總體至部分劃分，具有很強(qiáng)的直觀性和層次性。采用故障樹分析法對(duì)自主研制的60 kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究。

1 燃料電池冷卻系統(tǒng)的故障機(jī)理分析

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

所設(shè)計(jì)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，T1、T2、P1分別為冷卻水的進(jìn)堆溫度傳感器、出堆溫度傳感器和壓力傳感器，其測量值由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主控制器[7]通過A/D模塊進(jìn)行檢測。系統(tǒng)采用水冷方式通過控制4個(gè)散熱風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)采用輔助啟動(dòng)電池經(jīng)過+12 V DC/DC變換后產(chǎn)生+12 V的直流電給4個(gè)散熱風(fēng)扇供電，輔助啟動(dòng)電池還經(jīng)過+310 V DC/DC變換后給水泵的變頻器供電。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功之前，輔助啟動(dòng)電池承擔(dān)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)的供電，當(dāng)啟動(dòng)成功后，燃料電池主控制器控制負(fù)載開關(guān)R6閉合，從而鉗位輔助啟動(dòng)電池的輸出給冷卻系統(tǒng)各個(gè)部件供電。

冷卻系統(tǒng)中的4個(gè)散熱風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速都事先設(shè)置為固定值，由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主控制器通過I/O輸出模塊控制開關(guān)R1～R5的閉合與斷開實(shí)現(xiàn)起停。

由圖1所示的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，造成其故障的主要原因?yàn)殡姎庖蛩亍⒃O(shè)備因素和人為因素[8]。冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障的電氣因素主要表現(xiàn)在傳感器、水泵和散熱風(fēng)扇的供電端和信號(hào)端線路出現(xiàn)短路、斷路、接觸不良或DC/DC和變頻器工作時(shí)開關(guān)管的開關(guān)所帶來的電磁干擾造成它們供電不穩(wěn)或無法正常工作。

冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障的設(shè)備因素主要有傳感器、水管、水泵、水箱、散熱風(fēng)扇、DC/DC、變頻器和開關(guān)R1～R6。由于使用壽命不高、加工工藝較低造成自身的損壞或無法正常使用，或由于主控制器檢測和控制電路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致上述溫度和壓力信號(hào)檢測不正確或控制信號(hào)無法響應(yīng)[9]。

造成冷卻系統(tǒng)故障的人為因素主要表現(xiàn)在系統(tǒng)集成過程中，由于操作人員沒有嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范做出了不恰當(dāng)操作或誤導(dǎo)性標(biāo)注導(dǎo)致信號(hào)、導(dǎo)線和端口連接錯(cuò)誤或相關(guān)部件的安裝錯(cuò)誤，從而造成系統(tǒng)無法正常工作或相關(guān)設(shè)備直接損壞，或在發(fā)現(xiàn)故障后，在進(jìn)一步改進(jìn)時(shí)采用了治標(biāo)不治本的簡單處理方法而仍然遺留了安全隱患，使系統(tǒng)在后續(xù)運(yùn)行中繼續(xù)出現(xiàn)故障。

2 燃料電池冷卻系統(tǒng)的故障樹模型

2.1 頂事件的確定

對(duì)于上述燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，其出現(xiàn)的故障主要有水泵無法工作(F1)、冷卻水壓力過低(F2)、冷卻水出堆溫度過高(F3)。在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試和測試過程中，盡管這幾種故障出現(xiàn)的情況不是很多，但實(shí)際中已經(jīng)出現(xiàn)過或很有可能發(fā)生，因此，筆者以它們?yōu)轫斒录⑵涔收蠘淠Ｐ汀?/p>

2.2 水泵無法工作的故障樹分析

結(jié)合圖1得到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵無法工作的故障樹如圖2所示，出現(xiàn)故障的主要原因有水泵自身故障、變頻器故障或供電故障3個(gè)方面。通常，水泵和變頻器出現(xiàn)故障的幾率相對(duì)較低，造成水泵無法工作的原因更多可能是由于其供電故障。

圖2 水泵無法工作的故障樹

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)成功前后其輔助系統(tǒng)的供電方式有兩種，因此，水泵的供電故障主要包括:+310 V DC/DC及其輸出線路故障、輔助啟動(dòng)電池及其輸出線路故障、開關(guān)R5及其對(duì)應(yīng)的燃料電池主控制器輸出電路故障、開關(guān)R6及其對(duì)應(yīng)的燃料電池主控制器輸出電路故障。

2.3 冷卻水壓力過低的故障樹分析

造成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻水壓力過低的主要原因有壓力檢測不準(zhǔn)確和冷卻水量不足兩方面。壓力傳感器P1及其A/D檢測電路故障會(huì)造成實(shí)際壓力偏低的假象;而造成冷卻水量不足的原因包括:水箱缺乏添水、水箱破裂漏水、水管管路破裂、水管管路接頭漏水、水泵轉(zhuǎn)速偏低。其中，水管管路接頭漏水包括冷卻水水管與傳感器(T1、T2、P1)、水箱進(jìn)出口、水泵進(jìn)出口和散熱器進(jìn)出口的連接處漏水，造成水泵轉(zhuǎn)速偏低的原因有:+310 V DC/DC供電異常、水泵自身故障和變頻器故障。其故障樹示意圖如圖3所示。

圖3 冷卻水壓力過低的故障樹

2.4 冷卻水出堆溫度過高的故障樹分析

造成冷卻水出堆溫度過高的主要原因有溫度檢測不準(zhǔn)確、冷卻水流量不足、散熱風(fēng)扇工作失效和電堆過載4個(gè)方面。溫度檢測不準(zhǔn)確主要體現(xiàn)在出堆溫度傳感器T1及其檢測電路故障，冷卻水流量不足的原因與圖3中相應(yīng)部分相同，散熱風(fēng)扇工作失效的原因主要為:+12 V DC/DC及其輸出線路故障、繼電器R1～R4及其控制電路故障、散熱風(fēng)扇1～4故障。其故障樹示意圖如圖4所示。

3 定性分析

目前燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷研究剛剛起步，針對(duì)其冷卻系統(tǒng)故障樹模型的定量分析條件尚不充分，因此，僅對(duì)上述建立的故障樹模型進(jìn)行定性分析，求出各個(gè)典型故障的最小割集。通常，最小割集的求解方法最基本的有下行法和上行法[10]，采用上行法從底事件開始由下而上進(jìn)行處理，對(duì)于每一個(gè)輸出事件，若是由或門構(gòu)成的，以布爾和表示;若是由與門構(gòu)成的，則以布爾積表示，從而得到頂事件的布爾表示，并按布爾代數(shù)將頂事件表示為底事件若干項(xiàng)積的和的最簡式，最簡式中的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于故障樹的一個(gè)最小割集，全部積項(xiàng)則為所求的所有最小割集。

圖4 冷卻水出堆溫度過高的故障樹

利用上行法[11]，得出水泵無法工作的最小割集為:水泵故障、變頻器故障、+310 V DC/DC故障、+310 V DC/DC輸出線路故障、輔助啟動(dòng)電池故障、輔助啟動(dòng)電池輸出線路故障、D1故障、R5故障、R5控制電路故障、R6故障和R6控制電路故障。冷卻水壓力過低的最小割集為:傳感器P1故障、A/D電路故障、水箱缺乏添水、水箱破裂漏水、水管管路破裂、傳感器T1的接口漏水、傳感器T2的接口漏水、傳感器P1的接口漏水、水泵進(jìn)出口漏水、水箱進(jìn)出口漏水、散熱器進(jìn)出口漏水、+310 V DC/DC輸出電壓不穩(wěn)、水泵故障、變頻器故障。冷卻水出堆溫度過高的最小割集為:傳感器T1故障、傳感器T1的檢測電路故障、電堆過載、水管管路破裂、水箱缺乏添水、水箱破裂漏水、傳感器T1的接口漏水、傳感器T2的接口漏水、傳感器P1的接口漏水、水泵進(jìn)出口漏水、水箱進(jìn)出口漏水、散熱器進(jìn)出口漏水、+310 V DC/DC輸出電壓不穩(wěn)、水泵故障、變頻器故障、風(fēng)扇1故障、風(fēng)扇2故障、風(fēng)扇3故障、風(fēng)扇4故障、R1～R4控制電路故障、+12 V DC/DC故障、+12 V DC/DC輸出線路故障、R1故障、R2故障、R3故障、R4故障。

由上述分析可知，造成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)故障的可能原因有多種，不同故障模式之間發(fā)生的故障原因有相同之處，各個(gè)最小割集構(gòu)成了各種典型故障頂事件發(fā)生的所有故障模式。一旦在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)上述故障，可以根據(jù)最小割集逐一進(jìn)行判斷和排除，找到最終的故障源，從而改進(jìn)系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)和維修時(shí)的技術(shù)手段。為了進(jìn)一步提高冷卻系統(tǒng)的可靠性，可在今后的系統(tǒng)研制過程中，重點(diǎn)從最小割集對(duì)應(yīng)的底事件著手進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成。

4 結(jié)論

基于自主研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)故障機(jī)理進(jìn)行了分析，針對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的水泵無法工作、冷卻水壓力過低、冷卻水出堆溫度過高3種典型故障建立了故障樹模型并進(jìn)行了定性分析，給出了各種故障模式的最小割集和系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。所采用的方法在實(shí)際工作中得到了應(yīng)用并取得了較好效果，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)其他輔助系統(tǒng)的故障診斷與維護(hù)提供了理論分析方法指導(dǎo)，后續(xù)工作將進(jìn)一步完善燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)其他輔助系統(tǒng)的故障樹模型，并結(jié)合故障事件記錄和相關(guān)零部件的廠家可靠性數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)故障樹模型的定量分析，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性研究提供量化評(píng)判依據(jù)。

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