燃料電池汽車故障診斷綜述

劉巖丁天威趙洪輝黃興曲祿成段盼郝志強

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，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

在當前能源危機、環境危機的背景下，世界各國車企都在大力推進新能源車型的研發，其中燃料電池汽車前景廣闊，大力發展、研究燃料電池汽車已經成為國際共識和中國國家戰略之一。燃料電池汽車區別于傳統燃油車，主要由燃料電池發動機、動力電池等組成。隨著燃料電池汽車的快速發展，其問題也隨之浮現，包括燃料電池發動機、動力電池、傳動系統等部件的故障。這些故障會導致車輛部件損傷，嚴重時給駕駛人員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生，故障診斷與預警技術逐漸得到廣泛關注[1-2]。

本文闡述了燃料電池汽車的故障分類及故障產生的機理，重點闡述了燃料電池發動機及動力電池的故障診斷研究現狀與最新進展。最后，討論了未來燃料電池發動機及動力電池的故障診斷研究發展方向。

2 燃料電池汽車系統概述

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

圖1 燃料電池汽車構型

3 燃料電池汽車故障分類

燃料電池汽車各個重要子系統在整車工作過程中按照既定的控制策略進行動作，保證整車安全、高效、可靠運行。本節主要介紹燃料電池發動機、動力電池、電機和DC/DC這3個主要部件的故障類型。

3.1 燃料電池發動機故障

燃料電池發動機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組成進行相應分類。

圖2 燃料電池發動機系統原理

3.1.1 空氣供應系統中產生的故障

空氣供應系統中產生的故障主要包括：空氣濾清器故障、空壓機故障、空氣管路傳感器故障、空氣管路故障、閥門響應故障。

3.1.2 氫氣供應系統中產生的故障

氫氣供應系統中產生的故障主要包括：氫瓶故障、氫氣供應管路故障、氫氣循環裝置故障、氫氣路閥門故障。

3.1.3 冷卻系統產生的故障

冷卻系統產生的故障主要包括：水泵故障、循環水壓力溫度故障、循環水離子濃度過高故障、冷卻風扇故障、去離子器故障、閥門故障以及散熱器故障。

3.1.4 電氣系統產生的故障

電氣系統產生的故障主要包括：通訊故障和電路故障。

3.1.5 電堆本身產生的故障

電堆本身產生的故障主要包括：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 電壓表現故障

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

3.2.2 溫度表現故障

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啟動加熱片裝置，使其能夠給動力電池加熱。當其出現故障時，會影響整車加熱功能。在動力電池中出現幾節溫度值超過閾值，并達到報警條件。運行中出現動力電池中幾節的溫度偏低并達到報警條件。

3.2.3 充電故障

在燃料電池汽車充電時出現充電模塊異常，可以表現為充電無法開啟、充電無法正常結束。

3.2.4 通訊故障

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

3.3 電機系統故障

電機及電驅動控制系統在燃料電池汽車中發揮重要作用，其作用為進行能量轉化，將電能轉化為機械能，通過傳動系統驅動車輛行駛。在驅動車輛行駛時，燃料電池發動機或動力電池產生的能量經過電機轉化為驅動力；在制動能量回收模式下，回收動能存儲于動力電池中，電機結構如圖4所示。

圖4 電機結構

電機系統故障主要分為電氣類故障與機械類故障2部分。其中，機械類故障，包括但不限于內部轉子、定子關鍵部件損壞；電氣類故障則主要包括控制器電路故障、電機內部短路和斷路[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）由于連接線路出現問題而導致的輸出故障。

（4）由于DC/DC溫度達到閾值而產生的故障，并觸發報警[11-12]。

4 燃料電池整車故障診斷方法

燃料電池汽車結構復雜，目前許多學者已經做了大量的研究，本小節主要介紹燃料電池汽車中關鍵的能量供給系統：燃料電池發動機和動力電池故障的診斷方法。

4.1 燃料電池發動機故障診斷方法

燃料電池發動機故障診斷方法，主要可以分為2種：基于模型的故障診斷方法、基于數據驅動的故障診斷方法[13]。

4.1.1 基于模型驅動的故障診斷

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

圖6 基于模型的故障診斷

基于上述方法可以得知準確的質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系統模型建立是故障診斷的關鍵，然而作為多學科交叉的知識結合，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]建立了線性參數變量動態模型，并利用輸出結果進行對比。Rosich等[18]提出了1種燃料電池系統故障診斷方法，該種方法通過計算公式和不同變量的冗余進行相關故障診斷工作。Khan等[19]提出1種新的動態半經驗模型，該模型僅以PEMFC系統的負載電流和溫度為輸入，以輸出電壓和膜含水量為主要輸出，該動態模型計算的是氫和氧的內部分壓，并結合PEMFC系統的負載電流和溫度，對PEMFC的膜含水量和內阻進行了建模，最后采用閃電搜索算法對模型參數進行了優化。Polverino等[20]設計了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組成，因此需要在故障診斷檢測（Fault Detection and Diagnosis，FDD）中開發多系統級別結構。Lee等[21]等針對燃料電池故障診斷問題（圖7），在第一階段，進行子系統故障診斷，下一階段，進行相應的組件級故障識別，基于模型的方法由過程估計、殘差生成和FDD組成。其中監督機器采用學習方法訓練回歸模型和故障分類模型，使用冗余度和測量結果之間的差異作為評價指標。

圖7 基于模型的故障診斷技術原理[21]

4.1.2 基于數據驅動的故障診斷

除了基于模型的方法外，數據驅動的故障診斷方法也受到越來越多的關注。數據驅動方法可以實現從正常狀態以及故障狀態下的數據提取，以便進行PEMFC系統的故障診斷工作[22]，該種辦法的數據來源于測試結果，因此在很大程度上依賴于測試數據的特征參數識別與提取，數據驅動的診斷方法具有簡單、高效的特點而廣泛被人所接受[23]。隨著現代技術的發展，多種基于數據驅動的方法逐漸形成，如支持向量機（Support Vector Machine,SVM），主成分分析法（Principal Component Analysis,PCA），判別分析法（Principal Discriminant Analysis,FDA）、現行判別分析（Linear Discriminant Analysis,LDA）等[24-27]。

Zhou等[28]使用了正交線性判別法分析，使用相關向量機（Relevance Vector Machine,RVM），用于降維和模式識別，并提出了1種在線自適應診斷策略，使得診斷準確率可進一步提高。Mao等[29]提出了數據驅動的基于傳感器選擇技術的診斷方法，其主要特點是，可以識別在故障出現時變化敏感的狀態變量，以此來進行相應的故障診斷，使結果更加準確、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果。Li等[31]使用Fisher判別分析和增量球形分析方法，進行數據降維和模式識別，并設計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子交換膜燃料電池系統的故障診斷方法，模擬退火遺傳算法模糊C均值聚類（Fuzzy CMeans,FCM），綜合采用少數過采樣技術和深層網絡，去除了噪聲樣本中的無效數據，處理不平衡數據，并進行模式識別。Han等[33]提出了1種用于汽車質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，并采用人工蜂群優化的SVM進行故障的分類診斷。

在車輛運行過程中，特別是復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和構造的推理規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關鍵技術，國內外關于在線故障診斷的研究也已經取得相當進展。其中，Liu等[36]利用改進的一階無線電控制（Resistance Capacitance，RC）模型，建立了模擬鋰電池外短路（External Short Circuit，ESC）失效時電行為的實驗平臺，采用動態鄰域粒子群優化算法對模型參數進行重新辨識，提出了1種基于雙層模型的ESC故障診斷算法。Yang等[37]結合電動汽車充電的過程特點和專家系統的特點,設計了電動汽車充電過程故障智能診斷系統的結構、特征信息庫、知識庫、推理機，并對蓄電池、充電樁、供電設備之間的故障相關性進行集成在線診斷，從而提高電動汽車電池的安全性，促進電動汽車的健康發展。Yin等[38]基于協議設計了車輛故障代碼和數據流信息，并介紹了遠程服務器以及手持設備，以實現對終端的遠程故障診斷，可以通過藍牙連接手持終端傳輸信息，在基于線路進行診斷的軟件終端上發送與遠程服務器的通信網絡信息。Kang等[39]提出了1種基于無冗余交叉式測量電路和改進的相關系數法的多故障在線診斷方法，采用相關系數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境溫度、充電狀態以及健康狀態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故障時，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）當燃料電池汽車出現一級故障時，定義該故障為輕微故障，于儀表處顯示故障產生原因，警示駕駛人員注意，與此同時不限制整車各個部件的性能輸出。該類故障隨著車輛運行可能消失，或升級為更高級故障。

（2）當燃料電池汽車出現二級故障時，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，判斷該故障產生位置，若位于燃料電池發動機，則根據不同的故障原因，限制燃料電池發動機輸出不同恒定功率值，同時不響應整車功率請求；當故障位于動力電池時，限制其輸出功率。此時車輛為跛行模式。

（3）當燃料電池出現三級故障時，定義該故障為嚴重故障，并緊急關閉車輛系統，防止出現惡性事故，影響駕駛人員生命安全[40]。

5.1 燃料電池發動機故障處理方法

燃料電池發動機主要問題集中于冷卻回路、空氣回路及通訊線路方面。

若冷卻回路出現故障，讀取故障代碼，確認是否由于冷卻液壓力不足或離子濃度過高所導致，進而采取措施，添加冷卻液，同時更換車輛冷卻液，至離子濃度位于需用范圍。

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

若出現通訊故障，排查相應代碼，靶向插拔對應問題傳感器，若故障存在，插拔控制器相應位置線路并進行完整性檢查，必要時更換控制器。

5.2 動力電池故障處理方法

動力電池出現的故障主要包括通訊問題、部件功能問題。

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

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

5.3 電機故障處理方法

電機出現的故障主要有電機超速、運行溫度過高、旋轉變壓器故障。

當出現電機超速故障時，若由于整車負載驟降的原因，則重新上電，至故障消失；若由低壓信號端上報故障，則進行信號線插頭的檢測；若由于控制器損壞，無法接收到相應故障信息，則更換控制器。

當出現電機運行溫度異常問題，若長時間運行位于120～140℃之間，可能會導致電機輸出功率無法滿足要求，此時需檢查電機主體是否損壞。

當出現旋轉變壓器故障時，判斷是否由于電機啟動失敗或輸出轉矩無法滿足駕駛員需求，繼而檢查控制器與電機接線，使用萬用表測量變壓器電阻，判斷其是否損壞，若該數據正常，則判斷為內部電路出現故障，及時更換電路板。

5.4 DC/DC故障處理方法

當車輛DC/DC電壓轉換出現問題時，連接診斷儀到OBD接口，起動車輛，讀取故障碼。

若由線束、接插器引發的故障，檢查安裝狀態、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的故障，檢查相關線路，關閉車輛點火開關，車輛靜止5 min以上，檢測高壓系統絕緣值，后重新恢復至原狀，再次讀取故障碼，確認其是否存在，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已經取得了相當的進展，但是其依然有需要進一步研究及解決的工作。

（1）基于車輛的故障診斷研究

現有的故障診斷工作多數是從系統入手，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，當燃料電池汽車多系統協同工作時，可能會出現信息的重疊以及相互干擾的情況，如何將現階段的研究成果與車輛實際路況相結合、與車輛多系統相互協同診斷，是一個值得研究的問題。

（2）燃料電池內部故障診斷研究

現有的針對燃料電池電堆的故障診斷停留在數據診斷階段，其中關鍵部件電堆內部的傳質狀態信息獲取途徑只能從數據判斷，因此需要通過圖像處理或傳感器進行水分、氣體分布的詳細信息獲取，以便針對不同時刻、不同工況下的內部狀態進行監控、分析，針對以上功能需要進行進一步的探討與研究。

7 結論

本文從燃料電池汽車構型入手，分析燃料電池汽車不同系統、部件的故障出現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狀進行了歸納與總結，并針對故障診斷的方法及應用場景進行了展望，指出現階段存在的不足，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。