CN112373352A - 一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法 - Google Patents

一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法，该发明旨在克服车载燃料电池因结构复杂、运行条件恶劣，所带来的燃料电池***的可靠性、安全性和耐久性差的问题，包括以下步骤：首先，从燃料电池***的安全性角度和故障的恶劣程度对其各组成子***的故障进行安全等级划分；其次，基于上述确定的故障等级和类别进行故障确定；然后，遵循校验结果和判定规则，进行故障等级确定，并对各对应故障等级进行容错控制；最后，按故障等级从高到低排列，并显示相应的故障DTC码与相应的维修建议。

Description

一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池车辆控制领域，更确切地说，本发明涉及一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法。
背景技术
美国、日本和德国等国燃料电池汽车示范运行的相关故障统计数据表明，燃料电池汽车发生故障的主要单元大多集中在燃料电池***。因此,可以毫不夸张的说，针对燃料电池汽车开展安全性和可靠性研究的重点和核心在于车用燃料电池***的故障诊断与维护。
燃料电池***的故障种类较多，发生故障的部位几乎遍及***各个组成部分,故障原因也多种多样，通常具有一定的不确定性和随机性，在***实际集成、台架测试和整车运行过程中发生故障时，通常的做法大多都是基于技术人员的经验和感觉结合监控数据进行逐一排查，有时为了对某些故障原因作一步的准确判断和定位，甚至需要对整个车用燃料电池***进行拆卸，在找出最终故障原因并采取了相关整改措施后，对***进行重新安装和调试直至***整体功能的恢复。这种故障诊断方法往往具有一定的盲目性，通常消耗了大量的维修时间、研发人力和物力，给***的日常维护和检修带来了诸多不便。车载燃料电池结构复杂、运行条件恶劣，所以保证燃料电池***的可靠性、安全性和耐久性是十分必要的，对故障进行容错处理，如严重故障时，紧急停机保证驾乘安全，非严重故障状态下，维持***的动力输出，保证车辆能够跛行至目的地或维修，也是车辆不可或缺的控制环节。
现有的技术中，如2019年09月10日公开的发明专利，公开号：CN110224160A，公开了一种燃料电池***故障诊断方法，***地介绍了信号真实性校验过程、故障定位和容错控制，并通过算法实现信号重构，维持故障状态下的动力输出，一定程度上保证了车用燃料电池***的安全性和可靠性，且能够适用于不同的燃料电池***。2020年01月17日公开的发明专利，公开号：CN 110705657A，公开了一种质子交换膜燃料电池***的模式识别故障诊断方法，该控制方法不通过采集获取的正常状态和故障状态下的诊断变量，进行数据归一化处理，建立初始化样本集，通过采用PFCM-OABC-SVM组合模式识别算法进行质子交换膜燃料电池***的故障诊断，确定质子交换膜燃料电池***的状态，能够准确识别故障，能够有效保障***的正常运行。
综上所述，现有技术中，一般有两种故障诊断方法，一是通过故障原始数据提取诊断，形成故障诊断分类器，此方法过于以来原始数据样本大小及可靠性；二是通过***中的传感器的状态反馈进行故障诊断，但是现有专利大都聚焦于故障诊断流程中的局部，较少考虑信号真实性校验、故障诊断、故障识别、故障定位、信号重构和容错控制的完整流程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服车载燃料电池结构复杂、运行条件恶劣，所带来的燃料电池***的可靠性、安全性和耐久性差的问题，提出了一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法，包括以下步骤：
步骤一、故障类型划分，燃料电池***涉及到电化学、热力学、机械、电气、电子等学科，由于其结构的复杂性和特殊性，其故障有自身的特点，具有耦合性、渐变性、随机性和不确定性，需要从***的安全性角度和故障的恶劣程度对各个组成子***的故障进行安全等级划分，本***定义三种故障类型：
一是通讯故障，燃料电池***本身是一个多模块复杂通讯结构，其控制器间的通讯错综复杂，所以针对各个子控制器间的通信问题进行故障检测，包括空气压缩机控制器(ACP)、氢***管理控制器(HMS)、冷却水泵控制器(WCS)、DCF控制器以及整车VCU控制器进行故障检测，检测方法是捕捉上述各个控制器的心跳祯信号，检测心跳祯静止的帧数，若丢祯超过100，则初步判定为控制器通讯故障；
二是安全阈值故障，燃料电池***是一个物理参数繁杂的集成***，包含电流、电压、温度、压力、流量重要参数，其中电流及电压的异常严重影响***的安全性与稳定性，温度、压力及流量的异常轻则影响***性能，重则会给***带来不可逆的损害，所以需要对***的输入输出物理量设定安全阈限，判定超限则为安全阈值过限故障；
三是状态检测故障，在燃料电池***启机和关机的过程中，各个子部件的使能以及运行是具有相应时序的，在启动和关机的过程中任何一步或者任何一个子模式的运行出现问题，没有正确响应或者及时响应，燃料电池***均不可以继续运转，此类故障定义为状态检测故障。
步骤二、故障确认，在第一步故障类别划分结束后，控制器依据不同的故障类别进行故障确认；
若为通讯故障信号，则依据检测心跳祯的实时情况，分别对空压机(ACP)控制器，DCF控制器，氢气管理***(HMS)控制器，进行逻辑检测各个控制器的心跳信号是否正常变化，若发生超过100祯的停滞，则输出布尔1，标识通讯故障确认；
若为安全阈值故障，以入堆水温为例，若入堆水温大于标定阈值上限或者小于标定阈值下限，则判定超限，输出布尔1，表示为安全阈值信号故障确认，其他同类型信号处理方式类同；
若为状态监测故障，则需在正常上电和下电的逻辑中，附加计时器timer，并且定义标定量为零部件正常响应时间，若响应时间超时，则判定为状态检测故障确认，故障确认及技术方式的细节流程参考图3所示；
燃料电池***在故障确认进程完毕后，进入故障信号校验模块，旨在过滤掉不正常的故障信号，防止***贸然实施容错控制，影响工作稳定性，且校验过程具备故障确认延时及故障消除延时功能；
延时情况一：从无故障到有故障的延时时间长度定义为：
Tdelay＝ThdUL*cycletime
式中，ThdUL表示延时上限阈值；cycletime表示故障采样周期，单位为s；
延时情况二：从有故障到无故障再到有故障，如果间隔时间Δt≤ThdLL时，故障延迟时间为Tdelay＝Δt*2，其中ThdLL表示延时下限阈值；
延时情况三：从有故障到无故障再到有故障，如果间隔时间Δt≥ThdLL时，故障的延时时间长度为Tdelay＝ThdUL*cycletime；
参考图4，故障信号在300ms时有一个短暂的确认，但是此时由于故障持续时间过短，故不能判定为真实故障信号，所以需要进行过滤处理，当故障信号在500ms时持续时间大于故障确认时间阈值(100ms)则故障校验生效，向外输出真实故障，并进行相应的容错控制。
步骤三、容错控制，根据第三步的校验结果和判定规则，确定故障等级从高到低分别是：故障等级1，即***出现较为严重的故障，继续运行会对***造成损害或者存在安全隐患，***进行紧急停机处理，此时所有的执行器全部关闭，每一类故障发生，***均会有相应的故障处理措施，故障等级2，即***出现比较严重的故障，需要停机进行故障处理，故障等级3，即***的某些操作条件开始出现偏离或者性能下降，应采取降功率的方法对***进行故障处理，待***操作条件恢复后，取消功率限制，故障等级4，即未发生实质故障，不需采取处理措施，但是故障时长超过限定阈值后，升级为故障等级3；
为了保证***本身的安全和试验人员的安全，设定紧急下电功能，即当***故障为1级故障时，***需要第一时间卸掉负载，关闭相关继电器和使能命令，当***故障为2级故障时进入补氢关机模式，氢阀开启→氢气循环泵开启→补氢结束后下电初始化→关闭空压机→关闭冷却***→关闭继电器与相应使能，当故障等级为3时，进行***限功率运行，如水出温度大于70度且超过30s时，燃料电池***输出限制到半功率以内。
步骤四、故障显示，输出故障按等级从高到低排列，并显示相应的故障DTC码与相应的维修建议，参考图5所示，图中的代码“11101”中的后四位“1101”为***过流故障的dtc代码，最高位“1”为***故障等级，经过取余和取整商逻辑后输出相应的故障代码和故障等级。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法可以基于***本身已有的传感器进行在线诊断，辨识***可能出现的各种故障，并可以进行有效的故障分类，对信号进行真实性校验并通过算法屏蔽错误或者冗余信号实现信号重构，并在故障诊断得出结果后同时响应容错控制，保证了车用燃料电池***的安全性和可靠性；
2.本发明所述的一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法解决了人工排查故障的盲目性，节省了大量的维修时间、测试所需的人力和物力，给***的日常维护和检修带来了诸多方便；
3.本发明所述的一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法故障码的显示可以指导工作人员进行离线和在线诊断和不定期维护或检修，减少诊断过程的盲目性和诊断结果的不确定性，提高***故障诊断的智能化水平。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是燃料电池***故障诊断及容错控制流程示意图。
图2是燃料电池***启机与关机时序示意图。
图3是故障校验算法流程示意图。
图4是故障确认实例示意图。
图5是故障代码与故障等级显示机制。
具体实施方式：
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，由于车载燃料电池***总体细节布置为本领域技术人员所悉知的，因此在此不再一一赘述。
下面参考附图来详细描述根据本发明实施例的燃料电池***故障诊断及容错控制，但本发明并不限于这些实施例。
首先参阅图1，本发明所述的燃料电池***故障诊断及容错控制整体上包括故障类别划分、故障确认、容错控制及故障显示。
步骤一、故障类型划分，燃料电池***涉及到电化学、热力学、机械、电气、电子等学科，由于其结构的复杂性和特殊性，其故障有自身的特点，具有耦合性、渐变性、随机性和不确定性，需要从***的安全性角度和故障的恶劣程度对各个组成子***的故障进行安全等级划分，本***定义三种故障类型：
一是通讯故障，燃料电池***本身是一个多模块复杂通讯结构，其控制器间的通讯错综复杂，所以针对各个子控制器间的通信问题进行故障检测，包括空气压缩机控制器(ACP)、氢***管理控制器(HMS)、冷却水泵控制器(WCS)、DCF控制器以及整车VCU控制器进行故障检测，检测方法是捕捉上述各个控制器的心跳祯信号，检测心跳祯静止的帧数，若丢祯超过100，则初步判定为控制器通讯故障；
二是安全阈值故障，燃料电池***是一个物理参数繁杂的集成***，包含电流、电压、温度、压力、流量重要参数，其中电流及电压的异常严重影响***的安全性与稳定性，温度、压力及流量的异常轻则影响***性能，重则会给***带来不可逆的损害，所以需要对***的输入输出物理量设定安全阈限，判定超限则为安全阈值过限故障；
三是状态检测故障，在燃料电池***启机和关机的过程中，各个子部件的使能以及运行是具有相应时序的，燃料电池***启机与关机时序参考图2所示，在启动和关机的过程中任何一步或者任何一个子模式的运行出现问题，没有正确响应或者及时响应，燃料电池***均不可以继续运转，此类故障定义为状态检测故障。
步骤二、故障确认，在第一步故障类别划分结束后，控制器依据不同的故障类别进行故障确认；
若为通讯故障信号，则依据检测心跳祯的实时情况，分别对空压机(ACP)控制器，DCF控制器，氢气管理***(HMS)控制器，进行逻辑检测各个控制器的心跳信号是否正常变化，若发生超过100祯的停滞，则输出布尔1，标识通讯故障确认；
若为安全阈值故障，以入堆水温为例，若入堆水温大于标定阈值上限或者小于标定阈值下限，则判定超限，输出布尔1，表示为安全阈值信号故障确认，其他同类型信号处理方式类同；
若为状态监测故障，则需在正常上电和下电的逻辑中，附加计时器timer，并且定义标定量为零部件正常响应时间，若响应时间超时，则判定为状态检测故障确认，故障确认及技术方式的细节流程参考图3所示；
燃料电池***在故障确认进程完毕后，进入故障信号校验模块，旨在过滤掉不正常的故障信号，防止***贸然实施容错控制，影响工作稳定性，且校验过程具备故障确认延时及故障消除延时功能；
延时情况一：从无故障到有故障的延时时间长度定义为：
Tdelay＝ThdUL*cycletime
式中，ThdUL表示延时上限阈值；cycletime表示故障采样周期，单位为s；
延时情况二：从有故障到无故障再到有故障，如果间隔时间Δt≤ThdLL时，故障延迟时间为Tdelay＝Δt*2，其中ThdLL表示延时下限阈值；
延时情况三：从有故障到无故障再到有故障，如果间隔时间Δt≥ThdLL时，故障的延时时间长度为Tdelay＝ThdUL*cycletime；
参考图4，故障信号在300ms时有一个短暂的确认，但是此时由于故障持续时间过短，故不能判定为真实故障信号，所以需要进行过滤处理，当故障信号在500ms时持续时间大于故障确认时间阈值(100ms)则故障校验生效，向外输出真实故障，并进行相应的容错控制。
步骤三、容错控制，根据第三步的校验结果和判定规则，确定故障等级从高到低分别是：故障等级1，即***出现较为严重的故障，继续运行会对***造成损害或者存在安全隐患，***进行紧急停机处理，此时所有的执行器全部关闭，每一类故障发生，***均会有相应的故障处理措施，故障等级2，即***出现比较严重的故障，需要停机进行故障处理，故障等级3，即***的某些操作条件开始出现偏离或者性能下降，应采取降功率的方法对***进行故障处理，待***操作条件恢复后，取消功率限制，故障等级4，即未发生实质故障，不需采取处理措施，但是故障时长超过限定阈值后，升级为故障等级3；
为了保证***本身的安全和试验人员的安全，设定紧急下电功能，即当***故障为1级故障时，***需要第一时间卸掉负载，关闭相关继电器和使能命令，当***故障为2级故障时进入补氢关机模式，氢阀开启→氢气循环泵开启→补氢结束后下电初始化→关闭空压机→关闭冷却***→关闭继电器与相应使能，当故障等级为3时，进行***限功率运行，如水出温度大于70度且超过30s时，燃料电池***输出限制到半功率以内。
步骤四、故障显示，输出故障按等级从高到低排列，并显示相应的故障DTC码与相应的维修建议，参考图5所示，图中的代码“11101”中的后四位“1101”为***过流故障的dtc代码，最高位“1”为***故障等级，经过取余和取整商逻辑后输出相应的故障代码和故障等级。

Claims (1)

1.一种燃料电池***故障诊断及容错控制方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
步骤一、故障类型划分，燃料电池***涉及到电化学、热力学、机械、电气、电子等学科，由于其结构的复杂性和特殊性，其故障有自身的特点，具有耦合性、渐变性、随机性和不确定性，需要从***的安全性角度和故障的恶劣程度对各个组成子***的故障进行安全等级划分，本***定义三种故障类型：
一是通讯故障，燃料电池***本身是一个多模块复杂通讯结构，其控制器间的通讯错综复杂，所以针对各个子控制器间的通信问题进行故障检测，包括空气压缩机控制器ACP、氢***管理控制器HMS、冷却水泵控制器WCS、DCF控制器以及整车VCU控制器进行故障检测，检测方法是捕捉上述各个控制器的心跳祯信号，检测心跳祯静止的帧数，若丢祯超过100，则初步判定为控制器通讯故障；
二是安全阈值故障，燃料电池***是一个物理参数繁杂的集成***，包含电流、电压、温度、压力、流量重要参数，其中电流及电压的异常严重影响***的安全性与稳定性，温度、压力及流量的异常轻则影响***性能，重则会给***带来不可逆的损害，所以需要对***的输入输出物理量设定安全阈限，判定超限则为安全阈值过限故障；
三是状态检测故障，在燃料电池***启机和关机的过程中，各个子部件的使能以及运行是具有相应时序的，在启动和关机的过程中任何一步或者任何一个子模式的运行出现问题，没有正确响应或者及时响应，燃料电池***均不可以继续运转，此类故障定义为状态检测故障；
步骤二、故障确认，在第一步故障类别划分结束后，控制器依据不同的故障类别进行故障确认；
若为通讯故障信号，则依据检测心跳祯的实时情况，分别对空压机ACP控制器，DCF控制器，氢气管理***HMS控制器，进行逻辑检测各个控制器的心跳信号是否正常变化，若发生超过100祯的停滞，则输出布尔1，标识通讯故障确认；
若为安全阈值故障，以入堆水温为例，若入堆水温大于标定阈值上限或者小于标定阈值下限，则判定超限，输出布尔1，表示为安全阈值信号故障确认，其他同类型信号处理方式类同；
若为状态监测故障，则需在正常上电和下电的逻辑中，附加计时器timer，并且定义标定量为零部件正常响应时间，若响应时间超时，则判定为状态检测故障确认；
燃料电池***在故障确认进程完毕后，进入故障信号校验模块，旨在过滤掉不正常的故障信号，防止***贸然实施容错控制，影响工作稳定性，且校验过程具备故障确认延时及故障消除延时功能；
延时情况一：从无故障到有故障的延时时间长度定义为：
Tdelay＝ThdUL*cycletime
式中，ThdUL表示延时上限阈值；cycletime表示故障采样周期，单位为s；
延时情况二：从有故障到无故障再到有故障，如果间隔时间Δt≤ThdLL时，故障延迟时间为Tdelay＝Δt*2，其中ThdLL表示延时下限阈值；
延时情况三：从有故障到无故障再到有故障，如果间隔时间Δt≥ThdLL时，故障的延时时间长度为Tdelay＝ThdUL*cycletime；
故障信号在300ms时有一个短暂的确认，但是此时由于故障持续时间过短，故不能判定为真实故障信号，所以需要进行过滤处理，当故障信号在500ms时持续时间大于故障确认时间阈值100ms则故障校验生效，向外输出真实故障，并进行相应的容错控制；
步骤三、容错控制，根据第三步的校验结果和判定规则，确定故障等级从高到低分别是：故障等级1，即***出现较为严重的故障，继续运行会对***造成损害或者存在安全隐患，***进行紧急停机处理，此时所有的执行器全部关闭，每一类故障发生，***均会有相应的故障处理措施，故障等级2，即***出现比较严重的故障，需要停机进行故障处理，故障等级3，即***的某些操作条件开始出现偏离或者性能下降，应采取降功率的方法对***进行故障处理，待***操作条件恢复后，取消功率限制，故障等级4，即未发生实质故障，不需采取处理措施，但是故障时长超过限定阈值后，升级为故障等级3；
为了保证***本身的安全和试验人员的安全，设定紧急下电功能，即当***故障为1级故障时，***需要第一时间卸掉负载，关闭相关继电器和使能命令，当***故障为2级故障时进入补氢关机模式，氢阀开启→氢气循环泵开启→补氢结束后下电初始化→关闭空压机→关闭冷却***→关闭继电器与相应使能，当故障等级为3时，进行***限功率运行，如水出温度大于70度且超过30s时，燃料电池***输出限制到半功率以内；
步骤四、故障显示，输出故障按等级从高到低排列，并显示相应的故障DTC码与相应的维修建议，经过取余和取整商逻辑后输出相应的故障代码和故障等级。
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