基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测方法

摘 要：在电动汽车充电时，通常会遇到一些问题，比如高压线路连接不牢固和线路绝缘老化破损等。这些问题往往会导致电弧故障，严重威胁到充电线路的安全性。由此本文提出基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测方法的研究，该研究旨在快速、准确地检测电动汽车电气系统中的电弧故障。该研究搭建了电动汽车故障电弧实验平台，采集不同工况下干路电流时间序列并建立了样本库。通过使用串联型锂离子电池系统的等效电路模型，构建基于二阶 RC 模型。最终，通过仿真分析来验证该模型的准确性。

关键词：改进奇异值分解 故障检测 新能源汽车 串联型电弧

0 引言

在我国经济高质量发展的背景下，汽车保有量不断攀升。为了满足平衡能源安全和环境保护的要求，推进汽车行业向双碳转型的努力显得尤为紧迫。目前，电动汽车电气系统中存在直流串联电弧故障的潜在危险。这类故障通常发生在接触点松动或线路连接损坏处，可能导致火灾、爆炸等严重事故[1]。因此，快速、准确地检测电动汽车串联型电弧故障对于保障电动汽车的安全运行至关重要。传统的检测方法可能存在准确率低、冗余性高等问题。因此，本文提出基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测方法，通过实验获得正常工作和电弧故障时的电流波形，并提取小波变换的特征值，将特征值输入概率神经网络模型，参照UL 1699标准，通过计算0.5秒内检测到的故障半周期数是否大于8来判断是否为电弧故障[2]。通过奇异值分解，能够明显区分正常状态和电弧故障时的特征参数，不存在混淆，有利于设定阈值。相较于仅使用小波变换，这一方法显著减少了小波变换结果的冗余性。该方法可以有效检测各种负载条件下的故障电弧。

1 新能源汽车电弧故障检测分析

为了方便研究电动汽车的电路结构，我们简化了设计，通过实验平台搭建、数据采集以及采用先进的机器学习方法，仅保留了必要的元件，如高功率电机及其驱动电路和加热器等重要设备，而对较为次要的低功率电器设备进行了忽略[3]。这项电动汽车实验的设计电路将主要集中在直流故障电弧的研究上。其中，新能源汽车简化原理图如图1所示：

通过连接到电动汽车无刷电机上的传动皮带制动器，进行车辆在行驶时所经历产生阻力的模拟。这些方法有助于在实验室环境中模拟真实道路条件下的车辆性能，从而进行更加精确和可靠的测试。为了进行故障电弧特征分析，需要记录负载电压、主回路电流和故障电弧电压信号[4]。在较低电流水平下，电流-电压特性呈反比关系，而在较高电流水平下，电弧电压近似保持恒定。这意味着随着电流增加，电压也会相应下降，反之亦然。为了精确控制振幅和频率，改进了现有的故障电弧发生装置，采用了合理的定位反馈和感应装置，考虑了断开速度和更小的断开间隙，以解决受振动影响导致接触点松动的问题[5]。

为了精确控制振幅和频率，改进了现有的故障电弧发生装置，采用了合理的定位反馈和感应装置，考虑了断开速度和更小的断开间隙，以解决受振动影响导致接触点松动的问题[6]。其中，新能源汽车串联型电弧故障检测的电压-电流波形图如图2所示：

从电流波形的角度来看，尽管接触点保持静止且没有振动，然而，电流波形仍呈现出明显的周期性尖峰。电源电压中存在噪音，当电流中断时，电弧电压并没有达到电源电压。这种情况主要是因为受到转矩平衡等影响。

2 基于改进奇异值分解的串联型电弧故障检测分析

基于改进奇异值分解的串联型电弧故障检测通过电弧模拟装置产生串联故障电弧，并采集多种负载下线路正常工作和发生串联电弧故障时的电流信号。对采集到的电流信号进行离散小波变换，得到离散小波系数序列，并构造特征矩阵。在两个电极开始分离但尚未完全分离的过程中，电极之间的压力逐渐减小[7]。这会导致它们的接触面积减小，从而接触电阻逐渐增加。这种情况会导致接触点处的温度迅速上升，金属开始融化并形成了导电通道。因此，在此过程中，必须注意接触点的温度控制，以避免电路的不稳定性和损坏。这一过程被称为“电弧放电”，在此过程中，电流通过融化的金属形成了一个电流传导通路。随着电极逐渐分离，会形成极大的电位差。在高温环境下，阴极上的电子会被释放到阳极，同时释放更多热量，进一步加剧电弧的燃烧过程。并在多种负载下线路正常工作和发生串联电弧故障时的电流[8]。然后，对采集的电流信号进行离散小波变换，得到离散小波系数序列，在构建特征矩阵后，接下来要进行奇异值分解，并确定电流信号的特征参数。这些特征参数将被用于作为串联电弧故障检测的依据。其中，新能源汽车串联型电弧故障检测的直流电弧电路如图3所示：

如图3所示，E表示为电源电动势，U表示为电弧电压，流过直流电弧电路的电流为i，L表示为电感，R表示为调节电阻，通过调节电阻来改变电路的电流，电弧在1和2之间进行燃烧，通过对比观察电弧发生时逆变器直流侧、单个光伏组件处的电压、电流及功率波形的变化，力图排除环境因素影响，识别故障电弧的发生。在电弧达到稳定平衡燃烧后，测量电弧的电压，可以获得电弧在1和2上的电压-电流特性曲线，具体示意如图4所示：

电弧的伏安特性曲线表明，电弧与一般金属导体不同，其伏安特性呈反比例关系。其对应的串联型电弧的伏安特性曲线的公式可表示为：

（1）

其中，可表示为电弧两端的电压，可表示为近降的电压；可表示为电弧流过的电流；K可表示为电极两端的间距；b，q，r为常数。这种特性使得电弧的行为在电路中具有独特的影响。通过改变电弧长度并重新测量，可以得到另一条曲线，表明不同的弧长对电弧的伏安特性产生影响。在稳定燃烧的情况下，电弧电压随着电流的增加而减小，这与普通电路中电阻值不变时的情况相反。电弧电阻随电流变化，电流增大时，电弧内游离作用加剧，离子浓度增加，导电性增强，因此对外呈现的电阻值减小。此外，直流电弧的静伏安特性与弧长有关，弧长越长，静伏安特性越向上移。静特性是指在电弧稳定燃烧条件下，电弧不受热惯性影响时的电流与压降关系，而动特性则是指在电弧不稳定燃烧条件下，电弧电流变化快，其热惯性对电弧有影响时的电流与压降关系。

3 基于改进奇异值分解的串联型电弧故障检测结果分析

基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测在稳定的外部条件下，对于电弧长度保持不变的情况下，会存在一条独特的静态伏安特性曲线。这条曲线描绘了电弧的电压和电流之间的关系，是在特定条件下固定的，并在电弧故障情况下，特征参数的区分非常明显，且彼此之间没有交叉，因此很容易确定阈值。然而，动态特性曲线的情况却是多种多样的，这取决于电弧电流的一阶导数。其中，基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测结果如图5所示：

由图5可知，新能源汽车串联型电弧故障与正常运行下的电流谐波中的均值出现了明显的差异，正常的电流谐振保持在一个均值不变，故障的电流谐振保持在波动明显。这一现象的产生主要是因为电弧的温度和半径变化存在一定的滞后效应。当电弧电流的变化率增大时，电弧电阻的下降速度滞后于电流变化的速度，这导致电弧电压高于稳态电压。相反地，当电弧电流的变化率减小时，电弧电阻无法及时增加，从而导致电弧电压低于稳态电压。这种现象说明了在电弧过程中，电阻和电压之间存在一定的滞后关系。这种滞后效应会导致电弧特性发生变化，进而影响电路的稳定性和安全性。

4 结论

通过基于改进奇异值分解的串联型电弧故障检测分析可知，基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测方法进行串联电弧故障检测的准确率较高，能够满足新能源汽车电路系统对电弧故障检测的需求。正常情况和电弧故障下的特征参数区分明显且没有交叉，易于确定阈值。因此，这种技术可用于检测串联电弧故障，其精准性较高，并且有效地减少了小波变换结果中的冗余信息，使数据更为紧凑。基于改进奇异值分解的新能源汽车串联型电弧故障检测方法是一种准确、有效的检测方法2o4LEHECYSdsRcYUT5rhObQEw7Ie6xExwgE3sRp7+tc=。未来，可以考虑进一步优化算法，提高检测速度和精度，以满足新能源汽车电路系统对电弧故障检测的更高要求。通过将机器学习和深度学习等算法运用到电弧故障检测领域，随着人工智能技术的不断发展，可以有效地提升检测的精准度和可靠性。同时，也可以探索将该方法应用于其他类型的电路系统，扩大其应用范围，确保检测系统的实时性至关重要，以便在电弧故障初期及时发现并采取必要措施，防止事故蔓延扩大。

参考文献：

[1]刘艳丽，张帆，吕正阳，等.典型神经网络串联型电弧故障检测及选线方法研究[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2024（01）：77-84.

[2]冯进.基于小波包分解的新能源汽车电弧故障检测方法[J].汽车与新动力，2023（06）：61-64.

[3]李斌，杨亦航.基于改进的AlexNet模型的家用负载电弧检测[J].传感技术学报，2023（12）：1928-1934.

[4]唐圣学，王彦丰，乔乃珍.光伏发电系统直流串联故障电弧检测方法研究[J].太阳能学报，2023（11）：31-39.

[5]董志文，苏晶晶.基于变分模态分解能量熵混合时域特征和随机森林的故障电弧检测方法[J].电气技术，2024（01）：1-7.

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[8]余琼芳，张宇海，赵亮.基于改进EfficientNetV2算法的三相串联故障电弧检测[J].兵器装备工程学报，2024（03）：299-305.