燃料电池汽车故障诊断综述

刘岩丁天威赵洪辉黄兴曲禄成段盼郝志强

（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：燃料电池汽车 故障诊断 处理措施

缩略语

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

在当前能源危机、环境危机的背景下，世界各国车企都在大力推进新能源车型的研发，其中燃料电池汽车前景广阔，大力发展、研究燃料电池汽车已经成为国际共识和中国国家战略之一。燃料电池汽车区别于传统燃油车，主要由燃料电池发动机、动力电池等组成。随着燃料电池汽车的快速发展，其问题也随之浮现，包括燃料电池发动机、动力电池、传动系统等部件的故障。这些故障会导致车辆部件损伤，严重时给驾驶人员的生命带来安全隐患。为了防止燃料电池汽车安全事故的发生，故障诊断与预警技术逐渐得到广泛关注[1-2]。

本文阐述了燃料电池汽车的故障分类及故障产生的机理，重点阐述了燃料电池发动机及动力电池的故障诊断研究现状与最新进展。最后，讨论了未来燃料电池发动机及动力电池的故障诊断研究发展方向。

2 燃料电池汽车系统概述

燃料电池汽车构型如图1所示，其由燃料电池发动机、动力电池、传动系统等主要部件组成，其中燃料电池发动机按照系统功能可分为：燃料电池堆、氢气供应系统、氧气供应系统、冷却系统、电气系统。整车由动力电池、燃料电池共同提供行驶所需能量，最终由电机驱动车辆行驶[3]。

图1 燃料电池汽车构型

3 燃料电池汽车故障分类

燃料电池汽车各个重要子系统在整车工作过程中按照既定的控制策略进行动作，保证整车安全、高效、可靠运行。本节主要介绍燃料电池发动机、动力电池、电机和DC/DC这3个主要部件的故障类型。

3.1 燃料电池发动机故障

燃料电池发动机故障可分为电堆故障以及附件故障，如图2所示，其中附件故障可以由系统组成进行相应分类。

图2 燃料电池发动机系统原理

3.1.1 空气供应系统中产生的故障

空气供应系统中产生的故障主要包括：空气滤清器故障、空压机故障、空气管路传感器故障、空气管路故障、阀门响应故障。

3.1.2 氢气供应系统中产生的故障

氢气供应系统中产生的故障主要包括：氢瓶故障、氢气供应管路故障、氢气循环装置故障、氢气路阀门故障。

3.1.3 冷却系统产生的故障

冷却系统产生的故障主要包括：水泵故障、循环水压力温度故障、循环水离子浓度过高故障、冷却风扇故障、去离子器故障、阀门故障以及散热器故障。

3.1.4 电气系统产生的故障

电气系统产生的故障主要包括：通讯故障和电路故障。

3.1.5 电堆本身产生的故障

电堆本身产生的故障主要包括：膜电极故障、催化剂失效、双极板故障[4-6]。

3.2 动力电池故障

如图3所示为丰田燃料电池汽车动力电池示意，可以看到动力电池位于车辆底部，其作为燃料电池汽车的动力来源之一，其故障诊断对于整车具有十分重要的意义，其中动力电池故障方法有以下4种。

图3 Mirai燃料电池汽车动力电池示意

3.2.1 电压表现故障

动力电池可能会出现电压波动的现象，具体表现为某几节单体电压出现偏低或偏高的情况。电压差值在整车运行过程中或充电时出现电压值迅速上升或下降的现象，且该变化表现在某几节单体电压的突变。

3.2.2 温度表现故障

由于动力电池需要考虑低温启动的情形，因此需要在温度低于阈值时启动加热片装置，使其能够给动力电池加热。当其出现故障时，会影响整车加热功能。在动力电池中出现几节温度值超过阈值，并达到报警条件。运行中出现动力电池中几节的温度偏低并达到报警条件。

3.2.3 充电故障

在燃料电池汽车充电时出现充电模块异常，可以表现为充电无法开启、充电无法正常结束。

3.2.4 通讯故障

在燃料电池汽车工作过程中出现通讯故障，或整车中关于动力电池信息缺失[7-8]。

3.3 电机系统故障

电机及电驱动控制系统在燃料电池汽车中发挥重要作用，其作用为进行能量转化，将电能转化为机械能，通过传动系统驱动车辆行驶。在驱动车辆行驶时，燃料电池发动机或动力电池产生的能量经过电机转化为驱动力；在制动能量回收模式下，回收动能存储于动力电池中，电机结构如图4所示。

图4 电机结构

电机系统故障主要分为电气类故障与机械类故障2部分。其中，机械类故障，包括但不限于内部转子、定子关键部件损坏；电气类故障则主要包括控制器电路故障、电机内部短路和断路[9-10]。

3.4 DC/DC故障

DC/DC的作用为提升输入电压，使得输出电压能够满足燃料电池汽车整车高压需求，如图5为DC/DC变换器。

图5 DC/DC变换器

DC/DC故障主要有以下原因：

（1）低压信号故障，涉及低压接线端的供电、接地和使能信号。

（2）DC/DC高压故障。

（3）由于连接线路出现问题而导致的输出故障。

（4）由于DC/DC温度达到阈值而产生的故障，并触发报警[11-12]。

4 燃料电池整车故障诊断方法

燃料电池汽车结构复杂，目前许多学者已经做了大量的研究，本小节主要介绍燃料电池汽车中关键的能量供给系统：燃料电池发动机和动力电池故障的诊断方法。

4.1 燃料电池发动机故障诊断方法

燃料电池发动机故障诊断方法，主要可以分为2种：基于模型的故障诊断方法、基于数据驱动的故障诊断方法[13]。

4.1.1 基于模型驱动的故障诊断

基于模型的故障诊断方法将系统的模型输出与真实的输出做对比（图6），通过残差分析对系统进行故障诊断[14]。

图6 基于模型的故障诊断

基于上述方法可以得知准确的质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系统模型建立是故障诊断的关键，然而作为多学科交叉的知识结合，基于模型的故障诊断困难程度限制了该种方法[15-16]。

Lira等[17]建立了线性参数变量动态模型，并利用输出结果进行对比。Rosich等[18]提出了1种燃料电池系统故障诊断方法，该种方法通过计算公式和不同变量的冗余进行相关故障诊断工作。Khan等[19]提出1种新的动态半经验模型，该模型仅以PEMFC系统的负载电流和温度为输入，以输出电压和膜含水量为主要输出，该动态模型计算的是氢和氧的内部分压，并结合PEMFC系统的负载电流和温度，对PEMFC的膜含水量和内阻进行了建模，最后采用闪电搜索算法对模型参数进行了优化。Polverino等[20]设计了1套残差分析方法，确立了最少传感器信息下的故障诊断措施（图7）。

由于燃料电池由具有不同特性的子系统组成，因此需要在故障诊断检测（Fault Detection and Diagnosis，FDD）中开发多系统级别结构。Lee等[21]等针对燃料电池故障诊断问题（图7），在第一阶段，进行子系统故障诊断，下一阶段，进行相应的组件级故障识别，基于模型的方法由过程估计、残差生成和FDD组成。其中监督机器采用学习方法训练回归模型和故障分类模型，使用冗余度和测量结果之间的差异作为评价指标。

图7 基于模型的故障诊断技术原理[21]

4.1.2 基于数据驱动的故障诊断

除了基于模型的方法外，数据驱动的故障诊断方法也受到越来越多的关注。数据驱动方法可以实现从正常状态以及故障状态下的数据提取，以便进行PEMFC系统的故障诊断工作[22]，该种办法的数据来源于测试结果，因此在很大程度上依赖于测试数据的特征参数识别与提取，数据驱动的诊断方法具有简单、高效的特点而广泛被人所接受[23]。随着现代技术的发展，多种基于数据驱动的方法逐渐形成，如支持向量机（Support Vector Machine,SVM），主成分分析法（Principal Component Analysis,PCA），判别分析法（Principal Discriminant Analysis,FDA）、现行判别分析（Linear Discriminant Analysis,LDA）等[24-27]。

Zhou等[28]使用了正交线性判别法分析，使用相关向量机（Relevance Vector Machine,RVM），用于降维和模式识别，并提出了1种在线自适应诊断策略，使得诊断准确率可进一步提高。Mao等[29]提出了数据驱动的基于传感器选择技术的诊断方法，其主要特点是，可以识别在故障出现时变化敏感的状态变量，以此来进行相应的故障诊断，使结果更加准确、有说服力。Lin等[30]针对故障识别，比较不同降维算法和不同模式的故障识别结果。Li等[31]使用Fisher判别分析和增量球形分析方法，进行数据降维和模式识别，并设计了专用的在线故障诊断集成电路。Zhang等[32]提出了1种混合动力电动车质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法，模拟退火遗传算法模糊C均值聚类（Fuzzy CMeans,FCM），综合采用少数过采样技术和深层网络，去除了噪声样本中的无效数据，处理不平衡数据，并进行模式识别。Han等[33]提出了1种用于汽车质子交换膜燃料电池诊断的方法，其采用可能性模糊C-均值算法去除无效样本，并采用人工蜂群优化的SVM进行故障的分类诊断。

在车辆运行过程中，特别是复杂工况下的燃料电池性能的衰减原因还有待研究。此外，不同的燃料电池在相同的故障下可能显示不同的故障等级。因此，可能基于已有的专家系统和构造的推理规则不适用于所有的燃料电池[34-35]。

4.2 动力电池故障诊断方法

动力电池故障诊断是燃料电池汽车另一个关键技术，国内外关于在线故障诊断的研究也已经取得相当进展。其中，Liu等[36]利用改进的一阶无线电控制（Resistance Capacitance，RC）模型，建立了模拟锂电池外短路（External Short Circuit，ESC）失效时电行为的实验平台，采用动态邻域粒子群优化算法对模型参数进行重新辨识，提出了1种基于双层模型的ESC故障诊断算法。Yang等[37]结合电动汽车充电的过程特点和专家系统的特点,设计了电动汽车充电过程故障智能诊断系统的结构、特征信息库、知识库、推理机，并对蓄电池、充电桩、供电设备之间的故障相关性进行集成在线诊断，从而提高电动汽车电池的安全性，促进电动汽车的健康发展。Yin等[38]基于协议设计了车辆故障代码和数据流信息，并介绍了远程服务器以及手持设备，以实现对终端的远程故障诊断，可以通过蓝牙连接手持终端传输信息，在基于线路进行诊断的软件终端上发送与远程服务器的通信网络信息。Kang等[39]提出了1种基于无冗余交叉式测量电路和改进的相关系数法的多故障在线诊断方法，采用相关系数法捕获故障特征并评估故障程度，避免不同故障之间的误检，对正常测量误差和电池环境温度、充电状态以及健康状态不一致性诊断具有较高的鲁棒性。

5 燃料电池汽车故障处理方法

在燃料电池汽车出现故障时，本着保证车辆安全行驶、工作可靠的原则，制定故障等级分级式处理策略。

（1）当燃料电池汽车出现一级故障时，定义该故障为轻微故障，于仪表处显示故障产生原因，警示驾驶人员注意，与此同时不限制整车各个部件的性能输出。该类故障随着车辆运行可能消失，或升级为更高级故障。

（2）当燃料电池汽车出现二级故障时，定义该故障为一般故障，并判断故障来源，限制燃料电池汽车的功率输出，与此同时，判断该故障产生位置，若位于燃料电池发动机，则根据不同的故障原因，限制燃料电池发动机输出不同恒定功率值，同时不响应整车功率请求；当故障位于动力电池时，限制其输出功率。此时车辆为跛行模式。

（3）当燃料电池出现三级故障时，定义该故障为严重故障，并紧急关闭车辆系统，防止出现恶性事故，影响驾驶人员生命安全[40]。

5.1 燃料电池发动机故障处理方法

燃料电池发动机主要问题集中于冷却回路、空气回路及通讯线路方面。

若冷却回路出现故障，读取故障代码，确认是否由于冷却液压力不足或离子浓度过高所导致，进而采取措施，添加冷却液，同时更换车辆冷却液，至离子浓度位于需用范围。

若出现空气回路问题，首先排查故障代码，确认空压机、传感器及背压阀故障类别，并进行更换、人为修理操作。

若出现通讯故障，排查相应代码，靶向插拔对应问题传感器，若故障存在，插拔控制器相应位置线路并进行完整性检查，必要时更换控制器。

5.2 动力电池故障处理方法

动力电池出现的故障主要包括通讯问题、部件功能问题。

若采样线路出现故障，排查高压电池采样端子，检查接触器电源供电是否正常，同时更换高压电池采样端子，重新连接退针。

若出现功能问题，以电池电压不均衡为例，首先排查故障代码，对车辆进行全充全放一次，调换电池管理系统（Battery Management System，BMS），针对不同电池电压进行观测，若无法解决，更换动力电池。

5.3 电机故障处理方法

电机出现的故障主要有电机超速、运行温度过高、旋转变压器故障。

当出现电机超速故障时，若由于整车负载骤降的原因，则重新上电，至故障消失；若由低压信号端上报故障，则进行信号线插头的检测；若由于控制器损坏，无法接收到相应故障信息，则更换控制器。

当出现电机运行温度异常问题，若长时间运行位于120～140℃之间，可能会导致电机输出功率无法满足要求，此时需检查电机主体是否损坏。

当出现旋转变压器故障时，判断是否由于电机启动失败或输出转矩无法满足驾驶员需求，继而检查控制器与电机接线，使用万用表测量变压器电阻，判断其是否损坏，若该数据正常，则判断为内部电路出现故障，及时更换电路板。

5.4 DC/DC故障处理方法

当车辆DC/DC电压转换出现问题时，连接诊断仪到OBD接口，起动车辆，读取故障码。

若由线束、接插器引发的故障，检查安装状态、线束及接插器是否存在磨损或腐蚀。

若因高压输入电路出现的故障，检查相关线路，关闭车辆点火开关，车辆静止5 min以上，检测高压系统绝缘值，后重新恢复至原状，再次读取故障码，确认其是否存在，若是则尝试检测动力电池。

6 展望

目前针对于燃料电池汽车的故障诊断技术已经取得了相当的进展，但是其依然有需要进一步研究及解决的工作。

（1）基于车辆的故障诊断研究

现有的故障诊断工作多数是从系统入手，没有充分考虑到车载工况下不同路况、不同天气、不同操作条件带来的制约，当燃料电池汽车多系统协同工作时，可能会出现信息的重叠以及相互干扰的情况，如何将现阶段的研究成果与车辆实际路况相结合、与车辆多系统相互协同诊断，是一个值得研究的问题。

（2）燃料电池内部故障诊断研究

现有的针对燃料电池电堆的故障诊断停留在数据诊断阶段，其中关键部件电堆内部的传质状态信息获取途径只能从数据判断，因此需要通过图像处理或传感器进行水分、气体分布的详细信息获取，以便针对不同时刻、不同工况下的内部状态进行监控、分析，针对以上功能需要进行进一步的探讨与研究。

7 结论

本文从燃料电池汽车构型入手，分析燃料电池汽车不同系统、部件的故障出现形式以及通用处理措施，着重针对燃料电池和动力电池故障诊断方法研究现状进行了归纳与总结，并针对故障诊断的方法及应用场景进行了展望，指出现阶段存在的不足，以期望对燃料电池汽车的故障诊断策略研究提供一定的参考。