明 宏，全 睿

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430070)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉化率高、功率大、供電時間長、低噪聲和無污染等優(yōu)點，以燃料電池發(fā)動機作為動力源已成為各國燃料電池汽車的研究熱點[1]。目前，燃料電池汽車的研制技術已初步成熟，但在商品化和產業(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)動機是燃料電池汽車的核心部件，是一個多輸入、多輸出、非線性的強耦合復雜系統(tǒng)，其電子設備和元器件種類繁多，電磁干擾環(huán)境惡劣，在實際使用中難免會發(fā)生種種故障。一旦發(fā)生故障若未加處理，輕則導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)動機的重要組成部分，直接決定著其輸出性能和安全可靠性，因此對燃料電池發(fā)動機的冷卻系統(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，對系統(tǒng)故障形成的原因做出總體至部分劃分，具有很強的直觀性和層次性。采用故障樹分析法對自主研制的60 kW燃料電池發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)進行故障診斷研究。

1 燃料電池冷卻系統(tǒng)的故障機理分析

圖1 燃料電池發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結構圖

所設計的燃料電池發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結構如圖1所示，T1、T2、P1分別為冷卻水的進堆溫度傳感器、出堆溫度傳感器和壓力傳感器，其測量值由燃料電池發(fā)動機的主控制器[7]通過A/D模塊進行檢測。系統(tǒng)采用水冷方式通過控制4個散熱風扇進行冷卻，燃料電池發(fā)動機采用輔助啟動電池經(jīng)過+12 V DC/DC變換后產生+12 V的直流電給4個散熱風扇供電，輔助啟動電池還經(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)動機啟動成功之前，輔助啟動電池承擔燃料電池發(fā)動機輔助系統(tǒng)的供電，當啟動成功后，燃料電池主控制器控制負載開關R6閉合，從而鉗位輔助啟動電池的輸出給冷卻系統(tǒng)各個部件供電。

冷卻系統(tǒng)中的4個散熱風扇和水泵的轉速都事先設置為固定值，由燃料電池發(fā)動機的主控制器通過I/O輸出模塊控制開關R1～R5的閉合與斷開實現(xiàn)起停。

由圖1所示的冷卻系統(tǒng)結構可知，造成其故障的主要原因為電氣因素、設備因素和人為因素[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、水泵和散熱風扇的供電端和信號端線路出現(xiàn)短路、斷路、接觸不良或DC/DC和變頻器工作時開關管的開關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)故障的設備因素主要有傳感器、水管、水泵、水箱、散熱風扇、DC/DC、變頻器和開關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計不合理導致上述溫度和壓力信號檢測不正確或控制信號無法響應[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格執(zhí)行操作規(guī)范做出了不恰當操作或誤導性標注導致信號、導線和端口連接錯誤或相關部件的安裝錯誤，從而造成系統(tǒng)無法正常工作或相關設備直接損壞，或在發(fā)現(xiàn)故障后，在進一步改進時采用了治標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

對于上述燃料電池發(fā)動機的冷卻系統(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)。在實際系統(tǒng)調試和測試過程中，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

結合圖1得到燃料電池發(fā)動機冷卻系統(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個方面。通常，水泵和變頻器出現(xiàn)故障的幾率相對較低，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)動機在啟動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、輔助啟動電池及其輸出線路故障、開關R5及其對應的燃料電池主控制器輸出電路故障、開關R6及其對應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)動機冷卻系統(tǒng)冷卻水壓力過低的主要原因有壓力檢測不準確和冷卻水量不足兩方面。壓力傳感器P1及其A/D檢測電路故障會造成實際壓力偏低的假象;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)、水箱進出口、水泵進出口和散熱器進出口的連接處漏水，造成水泵轉速偏低的原因有:+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確、冷卻水流量不足、散熱風扇工作失效和電堆過載4個方面。溫度檢測不準確主要體現(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中相應部分相同，散熱風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)動機的故障診斷研究剛剛起步，針對其冷卻系統(tǒng)故障樹模型的定量分析條件尚不充分，因此，僅對上述建立的故障樹模型進行定性分析，求出各個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行處理，對于每一個輸出事件，若是由或門構成的，以布爾和表示;若是由與門構成的，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積的和的最簡式，最簡式中的每一項對應于故障樹的一個最小割集，全部積項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、輔助啟動電池故障、輔助啟動電池輸出線路故障、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、水泵進出口漏水、水箱進出口漏水、散熱器進出口漏水、+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、水泵進出口漏水、水箱進出口漏水、散熱器進出口漏水、+310 V DC/DC輸出電壓不穩(wěn)、水泵故障、變頻器故障、風扇1故障、風扇2故障、風扇3故障、風扇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)動機冷卻系統(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，各個最小割集構成了各種典型故障頂事件發(fā)生的所有故障模式。一旦在實際應用中出現(xiàn)上述故障，可以根據(jù)最小割集逐一進行判斷和排除，找到最終的故障源，從而改進系統(tǒng)調試、維護和維修時的技術手段。為了進一步提高冷卻系統(tǒng)的可靠性，可在今后的系統(tǒng)研制過程中，重點從最小割集對應的底事件著手進行系統(tǒng)的優(yōu)化設計和集成。

4 結論

基于自主研制的燃料電池發(fā)動機冷卻系統(tǒng)故障機理進行了分析，針對系統(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)。所采用的方法在實際工作中得到了應用并取得了較好效果，為燃料電池發(fā)動機其他輔助系統(tǒng)的故障診斷與維護提供了理論分析方法指導，后續(xù)工作將進一步完善燃料電池發(fā)動機其他輔助系統(tǒng)的故障樹模型，并結合故障事件記錄和相關零部件的廠家可靠性數(shù)據(jù)結果進行相應故障樹模型的定量分析，為燃料電池發(fā)動機的安全可靠性研究提供量化評判依據(jù)。

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