車用燃料電池系統(tǒng)故障診斷與維護(hù)若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、作為燃料電池汽車的核心單元,車用燃料電池系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境惡劣以及動態(tài)響應(yīng)能力較差等原因在實(shí)際應(yīng)用中難免出現(xiàn)失效、故障甚至重大事故,因此,對其開展故障診斷研究對提高其自身以及燃料電池汽車的安全性、可靠性、可維護(hù)性以及市場接受能力具有重要意義。本文以自主研發(fā)的60kW車用燃料電池系統(tǒng)為對象,對整體系統(tǒng)安全性與可維護(hù)性、輔助系統(tǒng)和電堆的可靠性等涉及到的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。本文的主要研究成果如下:
　　 較系統(tǒng)地提出了車用

2、燃料電池系統(tǒng)故障特征與故障機(jī)理的共性問題,分別從耦合性、漸變性、隨機(jī)性和不確定方面定性分析了其故障特征,從機(jī)械因素、電氣因素、設(shè)備因素、人為因素和環(huán)境因素方面定性分析了其故障機(jī)理,對自主研發(fā)的車用燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了故障分類并劃分了其故障等級。
　　 針對車用燃料電池系統(tǒng)的氫安全,建立了氫氣泄漏的故障樹模型并進(jìn)行了定性分析,找出了系統(tǒng)氫安全的薄弱環(huán)節(jié)；為了進(jìn)行系統(tǒng)氫氣泄漏的安全性定量評價,考慮到各底事件的發(fā)生概率難以精確化,將模糊

3、數(shù)學(xué)理論與傳統(tǒng)故障樹相結(jié)合定量分析了頂事件發(fā)生的模糊概率以及各個底事件的模糊重要度,并提出了系統(tǒng)氫氣泄漏的故障診斷策略與整改措施。
　　 為了進(jìn)行輔助系統(tǒng)的多傳感器故障檢測與信號容錯,提出并建立了一種主、從兩級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合故障診斷與容錯模型,利用主網(wǎng)絡(luò)和各個子網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值與多傳感器的實(shí)際輸出值構(gòu)建殘差,當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)的誤差大于所設(shè)定的閾值并且持續(xù)的時間節(jié)拍大于一定值時判斷傳感器存在故障,此時利用誤差超過設(shè)定閾值的子網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值代替所

4、對應(yīng)的故障傳感器輸出值并進(jìn)行在線刷新,針對不同數(shù)量下的傳感器同時發(fā)生故障情況進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,所建立的模型可以實(shí)現(xiàn)這些存在冗余關(guān)系的多傳感器的故障聯(lián)合檢測和信號冗余重構(gòu),能滿足車用燃料電池系統(tǒng)的溫度和風(fēng)量容錯控制要求。
　　 考慮到電堆水淹和膜干兩種故障難以準(zhǔn)確識別,提出了二叉樹支持向量機(jī)和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的電堆健康診斷信息融合方法,從影響和反映電堆水平衡傳輸?shù)膶?shí)時參數(shù)及其變化參數(shù)中提取故障特征,將二叉樹支持向量機(jī)進(jìn)

5、行初步診斷,利用D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合得出最終診斷結(jié)果。仿真結(jié)果表明,單獨(dú)利用支持向量機(jī)比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的診斷精度和識別速度,對于少數(shù)測試樣本進(jìn)行診斷時證據(jù)沖突所帶來的不確定性,利用D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合后得出的電堆健康狀態(tài)診斷結(jié)論具有較高的信任度,不確定性明顯降低,可為電堆的濕度軟測量與優(yōu)化控制提供便利。
　　 最后,結(jié)合車用燃料電池系統(tǒng)離線和在線故障診斷與實(shí)際維護(hù)的需要,開發(fā)了一種嵌入式的手持故障診斷儀,設(shè)計(jì)了實(shí)用的故障碼

6、并提出了故障診斷策略與流程,此外,基于VC++編程語言設(shè)計(jì)了可視化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷專家系統(tǒng),完成了原型機(jī)基本功能的開發(fā),診斷實(shí)例和結(jié)果證明了其實(shí)用性。
　　 綜上所述,本文分別從氫氣泄漏、冗余多傳感器的故障診斷與容錯、電堆健康狀態(tài)診斷以及狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)這4個關(guān)鍵問題出發(fā),提出了它們的研究方法和思路,相關(guān)計(jì)算和仿真結(jié)果驗(yàn)證了它們的可行性和有效性,可為今后進(jìn)一步開展車用燃料電池系統(tǒng)故障診斷與維護(hù)所涉及到的其它問題研究