（光学工程专业论文）侧重随机特性的fcv动力系统故障识别与容错控制.pdf

摘要 摘要 随着燃料电池动力系统研发工作的推进，作为产品的安全性问题逐步成为研 究的重点。本文以国家“8 6 3 ”计划燃料电池轿车专项及其动力总成控制系统子 课题为背景，重点针对电一电混合燃料电池汽车动力系统，侧重其随机特性，研 究其故障诊断和容错控制问题的理论和应用。 本文先综合目前多种评价安全性的方法和理论，提出了基于系统完整性分析 的故障诊断和容错控制体系。围绕完整性分析，完整性目标设定，完整性提高 策略提出及实践，完整性测试这些方面，体系化地为燃料电池动力系统建立了 提高安全性的流程，依据故障和失效的不同性质，提出了改善动力系统安全性 的主动和被动手段。在燃料电池动力系统的实践上，侧重主动手段，探索了利 用卡尔曼滤波的方法实现状态估计的故障诊断和容错控制方法，解决了实际工 程问题。在实现的过程中，对所建立的燃料电池动力系统确定性模型进行了随 机特性的扩展，尝试将燃料电池动力系统中的噪声污染用数学的方式进行了描 述。在考虑了随机特性的燃料电池动力系统离散数学模型的基础上，利用扩展 卡尔曼滤波，借助其在定常系统在确定性输入信号作用情况下的状态估计算法， 解决了燃料电池动力系统的状态估计问题，实现了一定的解析冗余。 利用二阶故障检测方法，分析实际燃料电池大巴运行过程中的数据，利用卡 尔曼滤波状态估计的结果，生成了用于故障诊断的状态残差，并且在残差分析 中，实现了故障的检测。在检测结果的基础上，利用状态观测结果重构动力系 统状态，实现了在动力系统出现诸如传感器故障情况下的容错控制。 通过上述主动手段，结合在分析中指出的被动手段，可以系统地提高燃料电 池动力系统的完整性，为提高燃料电池汽车的安全性，提供系统的解决方法， 对燃料电池动力系统的开发具有一定的实用价值 关键词：燃料电池，动力系统，卡尔曼滤波，故障诊断，容错控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff c vp o w e r t r a i n ，t h es a f e t yr e l a t e dp r o b l e m sa r eb e i n g f o c u s e do ng r a d u a l l y t a k i n gt h ef c vp r o j e c ta n di t sa f f i l i a t e dp o w e r t r a i nc o n t r o l s u b - p r o j e c to ft h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a ma st h eb a c k g r o u n d , t h em a i nt o p i co ft h e s t u d yi st h ea c a d e m i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f f a u l td e t e c t i o na n dt o l e r a n c ec o n t r o l o f e l e c t r i ch y b r i df c v p o w e r t r a i ns y s t e mw i t ht h ee m p h a s e s o f i t sr a n d o m i c i t y d i f f e r e n tm e t h o d sf o re s t i m a t i n gt h es y s t e ms a f e t yl e v e li su s e dt op u tf o r w a r da s y s t e m a t i cf a u l td e t e c t i o na n dt o l e r a n c ec o n t r o lp r o c e d u r e b a s e do nt h ei n t e g r i t ya n d i t st a r g e ta n a l y s i s ，i m p r o v i n gm e t h o de s t a b l i s h m e n t ，a p p l i c a t i o na n dt h et e s t , a s y s t e m a t i c a lp r o c e d u r ef o ri m p r o v i n gt h ef c vp o w e r t r a i ns a f e t y l e v e li ss e tu p d i f f e r e n tm e t h o d s ，a c t i v ea n dp a s s i v e ，a r es u g g e s t e da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t yo ff a u l t o rf a i l u r e a sf o ra p p l i c a t i o n ，t h ea c t i v em e t h o d sa r ef o c u s e do n t h es t a t ee s t i m a t i o n m e t h o db a s e do nk a l m a nf i l t e ri su s e dt oh e l pt h ef a u l td e t e c t i o na n dt o l e r a n c e c o n t r o l ，w h i c hi se f f e c t i v ef o re n g i n e e r i n g d u r i n gt h eo p e r a t i o n ，t h ec e r t a i nf c v p o w e r t r a i nm o d e le s t a b l i s h e di se x p a n d e db y t h er a n d o m i c i t yb yd e s c r i b i n ga n d i n s e r t i n gt h en o i s ei nt h es y s t e mi nt h ew a yo fm a t h e m a t i c s b a s e do nt h er a n d o m i c i t y e m p h a s i z e df c vp o w e r t r a i nd i s c r e t em o d e l ，k a l m a nf i l t e ri su s e dt om a k et h es t a t e e s t i m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fc e r t a i np a r a m e t e r sa n dc e r t a i ni n p u t ss ot h a tt h e f c v p o w e r t r a i ns t a t ee s t i m a t i o ni ss o l v e dt og e n e r a t et h ea n a l y t i cr e d u n d a n c y t w os t a g ef a u l td e t e c t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y s i st h ed a t ao ff cb u s a c c o r d i n gt ot h eo n l i n es t a t er e s i d u a lg e n e r a t e db yt h es t a t ee s t i m a t i o no fk a l m a n f i l t e r , t h ef a u l ti sd e t e c t e dv i at h er e s i d u a la n a l y s i s t h ed e t e c t i o nr e s u l t sa c t i v a t et h e u s eo ff a u l tt o l e r a n c ec o n t r o lm e t h o db yr e c o n s t r u c t i n gt h es y s t e ms t a t e s ，e s p e c i a l l y f o rt h es e n s o rf a u l t s v i at h ea c t i v em e t h o du s e dh e r ea n dt h ep a s s i v em e t h o d sl i s t e dt h ei n t e g r i t yo f f c v p o w e r t r a i ni ss y s t e m a t i c a l l yi m p r o v e d , w h i c hi sh e l p f u lt oi m p r o v et h es a f e t y l e v e lo ff c vi na s y s t e m a t i cw a y 1 1 1 er e s u l ti so fp r a c t ic a lu s e f o rf c v p o w e r t r a i n k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，k a l m a nf i l t e r , f a u l td i a g n o s i s ，t o l e r a n c e c e n t r e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 第l 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着能源短缺和环境污染问题的日益严重，人类社会的可持续发展面临着 前所未有的巨大障碍。作为国民生产和社会经济发展的重要基础的汽车，是造 成上述两个问题的重要原因之一。 据统计2 0 0 4 年全球汽车保有量已突破8 5 亿辆，而预计2 0 1 0 年将再增长 超过1 7 ，达到l o 亿辆保有量 1 6 。这些汽车一方面对能源形成巨大压力，单 从美国全国的统计数据来看，该国国内汽车每年消耗全国三分之二的石油。就 国内数据来看，我国2 0 0 5 年全国汽车保有量超过三千万辆，并持续以两位数的 年增长率逐年增长，这对于我国这样一个对外原油进口量达4 2 9 9 6 的国家来说， 不仅成为国民经济增长的重大负担，同时也成为了能源安全必须面对的现实问 题。 另方面，从环境的角度考虑，汽车运行过程中排出的尾气，加大了城市 空气净化的难度。据统计数据表明，在美国有4 3 的非甲烷有机物，5 7 的氮氧 化合物和8 2 的一氧化碳都是通过汽车尾气排放的 1 6 。这些排放物恶化了人类 的生存环境，并连锁造成酸雨，光化学烟雾，进而更大范围地引发温室效应， 导致全球变暖，改变地球气候。尤其是人为因素产生的温室气体( 主要是二氧 化碳) 中7 5 都是由交通运输业带来的。 认识到上述问题，对于清洁能源汽车的探索从未停歇。自十九世纪三十年 代发明了燃料电池之后，其实用化，并将其运用至汽车上的步伐就从未停止过， 并从上世纪六十年代起，相继运用到宇航和军用领域，提供电能，进而驱动车 辆。相比使用传统能源或其他替代燃料汽车，燃料电池汽车利用氢气和氧气， 进行电化学反应，通过水电解的逆过程，生成水和电能，具有如下的优点： 1 ) 真正实现零排放 利用水电解的逆反应电化学原理，燃料电池使用车载储氢装置中存储的氢 气，和空气中的氧气进行反应，生成产物为水和电能。没有使用其它燃料带来 的温室气体以及有害氮氧以及碳氧化合物。对环境绝对健康，无污染，被称为 第1 章引言 真正的绿色能源。这也是燃料电池汽车研究热最根本的推动力。 2 ) 能量转化效率高 燃料电池不受由卡诺循环效率控制的燃烧过程限制，单纯考虑整个化学过 程，其效率可逼近卡诺循环的理论上限，远高于一般热机的效率。如图1 1 所 示： 图1 i 各种热机和燃料电池发动机热效率区间分布 3 ) 突破续驶里程的限制 随着目前车载高压储氢技术难题的攻克，燃料电池使用的氢气可以在汽车 上安全高效地存贮，使得燃料电池汽车的续驶里程大大增加，可与传统内燃机 车辆媲美。 4 ) 传动系统结构简化 使用电机驱动车辆前进，省去了传统内燃机或其它非电力驱动车辆的动力 传动机构，并利用电机特性，可实现无级变速。四象限矢量控制电机的应用， 可使车辆随意前进或后退，并可在制动过程中实现制动能回收，提高燃料利用 经济性。 5 ) 不依赖其他能源 相比于其它替代燃料，氢气的获取不单一依赖于其它一次能源或其他物质， 来源广泛，可通过含氢物质分解，水电解或工业反应副产品的方式获得。 6 ) 是可再生能源 由于反应产物为水，水可以反复通过其它方式进行制氢，因此可以说是一 种循环可再生的能源。就目前所掌握的技术来看，通过电解过程制氢，其再生 周期也较其它再生能源短。 夕 第l 章引言 基于此背景，同济太学开始燃料电池汽车的研究。通过六年研发过程，积 极参与并主导了国家8 6 3 燃料电池轿车项目，研发了三代燃料电池汽车动力系 统，成功运用于燃料电池轿车和大巴上，积累了大量的工程经验，为燃料电池 轿车的产业化奠定了较扎实的基础。 本文所研究的内容即属于“十五国家8 6 3 计划中，电动车专项下燃料电 池轿车研究专项( 2 0 0 5 从5 0 1 0 1 0 ) 中动力平台开发内容的一部分。 1 2 燃料电池汽车动力系统的安全性与完整性 1 2 1 安全性与完整性定义及其意义 传统车辆的安全性已经在各种国家标准和汽车行业的标准中进行了明确的 定义和规定。这些标准保证了车辆在设计过程中遵守一定的守则，使得车辆在 作为产品服务客户的过程中不会对车内成员及其他道路使用者造成伤害或产生 经济损失。 而从安全角度，相比于传统动力系统，燃料电池动力系统安全问题中凸现 如下几方面问题： 1 ) 燃料电池动力系统中存在氢气的存储和使用。氢气的在化学上的活性 远远高于其他传统动力系统使用的能量源，它的爆炸极限为4 0 - - - 7 5 6 ，下限很低，范围宽，遇火极易爆炸 1 7 ，这使得防止氢气泄漏 成为了非常重要的任务，另外，由于后果严重，对于发生故障后的处 理措施也应相应地更加周密，防止或减小对人身的伤害和财产的损 失。 2 )燃料电池动力系统中主要由电驱动系统构成，电控系统部分的比例要 高于传统车辆。从对机械故障的安全隐患转移到电系统的安全隐患， 使得一系列使用的相关方法发生了变化。 3 )由于使用了燃料电池加辅助动力蓄电池的结构，使得整个动力系统中 存在了高于人体安全电压的高压。这在传统车辆上是不存在的，进行 高压绝缘保护是燃料电池动力系统中非常突出的问题。 4 ) 虽然在1 1 中提及燃料电池动力系统的传动结构大为简单，但是电系 统的复杂性问题却浮 h 水面，各种逻辑关系和顺序使得需要的传感器 3 第1 章引言 大量增多，控制节点相应增多。 基于上述问题，提出了燃料电池动力系统安全特性要求。常规的汽车工业 安全性评估，分析和提高的方法，可以粗略地借鉴到燃料电池动力系统的安全 性问题上，除此之外，上述4 ) 中电控系统复杂性对怎样利用传统安全性的概念， 尤其是怎样将其扩展到控制系统硬件和软件上的应用，提出了新需求。由此， 侧重于汽车工业电子控制系统安全性，可引入汽车工业软件可靠性协会m i s p 认 ( t h em o t o ri n d u s t r ys o f t w a r er e l i a b i l i t ya s s o c i a t i o n ) 关于系统完整性 的理论 3 7 ，对一般安全性分析方法进行补充，从而系统地分析和提高新能源， 尤其是本文针对的燃料电池动力系统的安全性。 所谓完整性即指系统无故障的程度或( 在故障发生情况下) 系统的完好程 度 3 7 ，3 8 。尤其在故障发生后，潜在的危险情况或失效将导致系统功能缺陷， 并且该功能丧失的后果与可控程度会各不相同，相应地，它们对系统在故障发 生情况下的完好程度要求也有不同。结合设计失效模式及其后果分析( f m e a ) 的相关流程的理论，运用完整性的定义，可建立系统地分析故障，提出故障发 生后的保护措施或提出在设计中的改进意见，更为重要的是，通过建立f m e a 定 量分析结果与完整性定义之间的关联，建立相互的对应关系，可以实现对故障 的分级处理，依照故障对于系统完整性的破坏程度，采取不同的应对措旅，提 高燃料电池动力系统对于不同故障的应对能力，始终以最小的代价保证动力系 统能够有很高的完整性。从具体实现的手段和成本上使得故障诊断和故障处理 成为可能。 1 2 2 实现安全性与完整性的手段 达到燃料电池动力系统一定完整度标准，进而使其满足安全性和可靠性要 求的手段分成两方面： 1 ) 完整性分析的手段 分析燃料电池动力系统的完整性，可借助目前广泛应用的失效模式及其后 果分析( f m e a ) 或故障树( f t a ) ，通过建立表格或逻辑关系，定性排列系统可 能存在的安全隐患，借助一定的实验和工程积累经验，在定量分析的基础上得 到各安全隐患对系统安全性构成的威胁，这种威胁和系统的不完整性完全对应， 因此可作为系统完整性的考量指标。针对这一指标，可以根据实际运用场合定 4 第1 章引言 义燃料电池动力系统对应的完整性目标。通过完整性目标的分解，得到各种需 要在系统中解决的问题，提出改进措施，指导在下一步应用分析结果，通过各 种不同的实际提高手段达到完整性目标要求。 2 ) 完整性提高的手段 第一步解决的主要是分析，为提高的手段指出方向，而第二步是有针对性 地对第一步的实现。从硬件角度，可以通过提高零部件质量和进行硬件冗余的 方法提高系统可信度，增强系统出现故障后的应对能力。从软件角度，利用燃 料电池动力系统中丰富的控制器软硬件相关资源，可通过一系列的故障诊断及 容错控制方法，如：解析冗余进行状态重构，分析系统残差，得到系统健康状 况；软件冗余得到不同的监测和控制结论，提高控制能力等，实现上一步中提 出的改进措施或故障发生后的应对措施。 1 3 故障诊断技术与容错控制技术手段及其应用 据有关文献记载，应用状态监测与故障诊断技术后，事故发生率可降低7 5 ， 维修费用可减少2 5 5 0 。大量的事实和数据 5 ，1 7 ，5 4 表明，状态监测与 故障诊断技术对了解现代工程技术系统和大型复杂设备的性能状态，及早发现 潜在故障，防患于未然，以确保各项工程技术任务的圆满完成起着至关重要的作 用，而且还可以提高这类系统和设备的运行管理水平及维修效能，节省检修费用， 具有显著的经济效益。 故障诊断技术包含了故障检测、故障分离、故障辨识等内容。故障检测就 是判断系统中是否发生了故障以及检测出故障发生的时刻。故障分离就是在检 测出故障后确定故障的类型和位置。故障辨识就是在分离出故障后确定故障的 大小和时变特性。这三种技术以递进关系构成故障诊断的立体结构，增强对故 障的识别，同时相应地，其实现的难度也越高。 现有的故障诊断方法主要可以分为基于解析模型的方法和不基于模型的方 法，而后者又可以独立成为基于信号处理的方法和基于知识的方法。如图1 2 所示： 5 第1 章引言 故障诊断 方法 不基手模型 的诊断方法 一号 鬻 基于知识 故障树 模式识别 专象系统 模期逻辑 神经网络 图1 2 故障诊断的主要方法分类 基于信号处理的方法一类可以利用信号模型，如相关函数、v k r 谱、自回归 滑动平均等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率这样的特征值。 另一类即以小波变换为代表。这类方法侧重的是信号本身，而对系统对象本身 特性涉及较少，纯算法、数学分析的成分较多，通过分析信号本身特性或者根 据经验信息得出系统故障情况。 基于知识的方法，可利用故障树，专家库等手段，利用长时间内对系统认 识的经验积累，通过逻辑或模糊的手段实现故障的识别和分离，建立在对系统 长时间的观察和总结基础之上。近年来受到了普遍重视基于知识的方法主要可 分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。 第三类为基于模型的方法，诊断的程序需要依仗于在对系统深入认识后所 建的数学模型的基础之上。所有的分析基础都建立在对分析对象建立的数学模 型上，常用的有三种手段 3 3 1 5 ： 1 ) 参数估计的方法。i s e r m a n ( 1 9 8 4 年) 首次对基于参数估计的故障诊断 方法做出了较为完整的描述 1 5 当故障可以通过参数的显著变 化来描述时，可利用已有的参数估计方法，例如最小二乘在线参数辨 识或扩展卡尔曼滤波的方法，来检测参数的变化，根据参数的估计值 与正常值之间的偏差情况来判断系统的故障情况，推出故障信息。这 种方法中参数的变化及其当前值明确可知，对于进一步开展容错控制 很有帮助，但是由于尚未解决参数变化的非线性、故障时的系统结构 6 第1 章引言 亦发生变化等问题，其使用的范围还是受到了一定的限制。 2 )状态估计的方法。1 9 7 1 年b e a r d 首先提出了故障诊断检测滤波器的概 念、这标志着基于状态估计的解析冗余故障诊断方法的诞生 5 。龙 贝格( l u e n b e r g e r ) 观测器 2 1 可以作为一种很好的故障诊断检测滤 波器，但是系统中的随机因素的干扰使得观测器的结果不能够排除噪 声对于故障误判的影响，因此引入了卡尔曼滤波器，将其作为故障诊 断检测滤波器。1 9 6 0 年，卡尔曼在其论文中提出的一种线性滤波预 测算法可以很好的将系统中的传感器噪声剔除，而保留在状态观测过 程中的系统自身噪声影响，前提是，这些噪声的统计特性完全可知 9 。利用单阶、单个卡尔曼滤波器可以解决故障的探测问题，但不 能完成故障的分离；多个卡尔曼滤波器协同工作可以完成对于故障的 分离任务；如果通过使用双阶卡尔曼滤波器，则可以完成故障的识别 3 。综合了所有的故障探测，故障分离和故障识别三个功能，才可 以成为套完整的故障诊断系统。利用卡尔曼滤波器就可以很好的解 决这一问题。 3 ) 等价空间的方法。在状态空间或者是输入输出的基础上，通过运算得 到故障的信息，目前仍存在着诸如对系统的数学模型精度要求过高、 算法对于模型本身的依赖度过大等具体实践和实施上的问题。 利用上述任意一种方法，分离出故障后，可利用容错控制的手段使系统在 发生故障时仍能完成预设目标，也就是保证系统的完整性。其目的是对系统部 件的错误做到冗余，而且在错误发生后仍旧能够维持整个系统的稳定性，并且 保证基本的性能不受影响。从而提高系统的可靠性，可用性，安全性以及自动 化水平。 因此，结合故障诊断及其容错控制的手段构成了鲁棒性很强的故障容错控 制系统，其设计一般包括一下几个步骤：错误类型及影响分析，模型( 正常或 故障模型) 的建立，错误的侦测以及诊断，容错系统的设计及建立。 上述方法在很多领域得到了应用，包括飞机的飞行控制系统，车辆控制系 统，化学反应控制系统，核电站的控制系统，自动化生产控制系统，受到广泛 的关注。 7 第l 章引言 1 4 课题主要研究内容 较功能样车研究的重点不同，在工程样车的研发和新能源汽车产业化的探 索过程中，燃料电池汽车动力系统的安全性被提到重要的高度，加之本文研究 的对象为燃料电池大巴的动力系统，其可靠性对于车内乘员尤为重要。课题将 以同济大学研发的双动力燃料电池大巴动力系统为对象，系统地分析其中的故 障类型及后果，进而基于动力系统的模型，实现在线实时故障诊断，并针对诊 断结果采用主动或被动措施，提供在软件上的容错控制，达到提高动力系统安 全可靠性的目的。 主要研究内容包括： 1 ) ，燃料电池大巴动力系统故障分析。利用失效模式及其后果分析( f 肛a ) 相关理论，分别定性及定量地分析燃料电池大巴动力系统中的薄弱环 节，对燃料电池大巴的安全性进行考评，利用系统完整性的定义方法， 定性分析，并订立完整性目标，指导设计改进和故障诊断及发生故障 后的保护措施建立，这一问题将在第二章中进行讨论； 2 ) 带有随机特性的燃料电池动力系统建模及状态估计。利用参数识别工 具，对燃料电池大巴动力系统建立数学描述，基于一定的线性化手段 和假设条件，以简单的关系描述动力系统的输入输出关系，借此估计 表征动力系统特征的状态，并通过离线仿真确定模型的可信性。在建 模过程中充分考虑系统的随机特性这一问题将在第三章中进行讨论。 3 )利用卡尔曼滤波实现动力系统状态观测，利用残差分析的方法，检测 故障。通过随机特性的分析和考虑，排除系统噪声和传感器噪声对系 统状态估计及故障诊断产生的影响，减低故障误判和漏判的概率。并 针对不同的故障，依照其发生后后果的严重程度及实际可利用和采取 手段，建立主被动措施，通过硬件或软件冗余，尤其是状态重构，使 动力系统在发生故障后，实现容错控制，基本保持系统完整性。这将 在第四章进行讨论。 除此之外，本文第二章中还将概述整个基于模型侧重随机特性的故障诊断 容错体系的建立，作为引导全文的思路，其中所述各部分将在后面的几章集中 讨论，详细展开。本文最后一章，比照实践过程对上述流程进行总结，归纳实 施中的重点，并给出展望。以期为接下来的研究，提供一定的帮助。 8 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 2 1 体系的建立及其内容 如图2 1 所示，基于上一章对于完整性及其实现手段的初步讨论，得到基 于完整性的故障诊断与容错体系的建立流程： 一完整性目标分析卜一一 匦孤- 障酮 l 系统功il 提高完整i r = = 一n z ：a 嘲 l 能结构卜_叫性方案和卜- 1 分析l l措施l 叫及其后果卜l 整性分卜 。 。叫麦耋至篷h 1 分析 il 析 l t 系统完整性 分析和评价 ： 系统完整性提高和改进l 系统完整性 ( 诊断和容错)；测试 图2 1 基于完整性分析的故障诊断与容错体系建立流程 首先通过对系统进行分析，一方面从结构上对燃料电池动力系统进行划分， 将其以各种零部件的形式进行打包；另一方面从功能上对整个系统进行分析， 打破零部件的限制，以能够实现一个基本功能为基准，如提供前向推动力，进 行划分。实现一个功能需要多个零部件，而一个零部件也可能同时包含在很多 不同的功能之内，为其服务。在梳理的基础上，对一个功能进行失效模式及后 果分析( f m e a ) ，定性分析可能发生的故障，并定量地给出这些故障或失效的风 险顺序数，从而得到燃料电池动力系统当前完整性水平；与此同时，根据设计 需要，提出完整性要求的目标，并和目前水平进行比较。上述属于分析和评价 系统完整性的过程。 然后根据目标和实际的差异，提出改进方案和措施。作为完整性提高的第 一环，这一部分为下面的具体实施指明了方向。根据方案，可以提出一系列的 主动和被动的措施，提高系统在发生故障后保持或部分保持原功能的能力或对 9 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 人员财产进行适当有效的保护。所采取的主动和被动手段又可将其归纳到软件 和硬件手段中去。对于软件手段，可以发挥故障诊断理论中的一系列方法，尤 其是侧重随机特性，利用卡尔曼滤波估计系统状态，产生系统残差的方法，是 本文将要讨论的重点方法。通过这一方法为代表的一系列手段，可以实现动力 系统的容错控制。 在分析和改进的基础上，结合在路试条件下燃料电池动力系统的实车测试 结果，不断地反馈动力系统运行状况，对分析和改进结果进行考评，持续改进。 上述三方面相辅相成，构成了基于完整性的故障诊断和容错体系。其基础 是完整性的分析和评价，其核心和重点是对使用主被动方法进行诊断和容错提 高完整性的流程，此处主要使用的是侧重随机特性的卡尔曼滤波方法，而最后 的测试则是整个流程本身可靠性的保障。 2 2 被动和主动措施的定义 2 2 1 被动措施 在讨论主动和被动措施之前，首先明确两个概念，失效和故障。 所谓失效是指产品终止完全完成规定功能的能力，而故障是指产品不能执 行规定功能的状态，代表一种系统的不正常状态，但并不一定完全导致系统的 失效。 而被动措施，在这里是指当失效发生后，动力系统已经完全终止了某一功 能的实现，为防止燃料电池动力系统对人员造成伤害，而采取的一系列保护措 施。由于系统中存在易于爆炸的氢气，容易引发触点的高压以及相互影响产程 的更加不可预料的事故，做好故障发生后的安全保护，尤为重要。 在此，参照 4 7 ，将整个被动措施按照燃料电池大巴动力系统可能发生失 效的后果严重程度，分成四级。在失效发生之后，严格按照如表2 1 所示的措 施进行实施，可有效提高动力系统安全性，降低人员伤害，减少财产损失： 1 0 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 表2 1 失效严重程度及其对应被动措施 级别 类型描述被动措施 一种会引起人员死亡或动力系统不可逆转地完全毁立即停机，切断高压 l 级灾难的 坏。 及氢气，紧急制动 会引起人员的严重伤害、重大经济损失或导致系统切断高压及氢气，立 u 级 致命的 不能运行的严重损坏。 即停机 会引起人员的轻度伤害、一定的经济损失或导致动 级 临界的报警，并限速运行 力系统性能下降的轻度损坏。 不足以导致人员伤害、一定的经济损失或系统损坏， 级轻度的 报警 但它会导致非计划性维护或修理。 2 2 2 主动手段 主动手段是指在故障发生前或发生时，通过一定的手段检测到故障，使用 软件或者硬件的手段，将故障可能造成的影响降低至最低，使动力系统不发生 失效，尽量保证燃料电池动力系统的功能输出，因此所有的故障诊断及容错控 制都包含在主动手段之中。区别于被动手段，主动手段更强调的是系统的自我 调节和保护功能，带有很强的预防性质，针对的对象是系统的故障，而不是系 统的失效。 通过使用主动手段，从一定程度上，并不一定能够完全阻止故障的发生， 但是可以在故障发生后，减小其影响。如果一个故障的影响减小了，那么其产 生失效的概率也下降了，或令失效的严重级别明显下降，从而使对应的被动措 施也相应地降级。从这个角度来说，主动手段在动力系统安全性和保证完整性 的意义要比被动手段更为重大，由于实现的手段多样，也更易于操作，更有发 挥的空间。如上所述，本文主要使用的是基于卡尔曼滤波的故障诊断和容错控 制方法，也是本文研究的重点。 按照图2 1 所示的流程可知，开展整个分析和改进的基础，首先是要对燃 料电池大巴动力系统的结构和功能分析。 2 3 燃料电池大巴动力系统结构和功能分析 2 3 1 燃料电池大巴动力系统结构分析 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 目前燃料电池大巴的研究开展广泛，并受到了许多政府机构的支持，其 动力系统结构形式包括单一燃料电池驱动型和燃料电池加蓄能装置驱动型，其 中蓄能装置又可以为镍氢或锂离子电池，超级电容和飞轮。综合考虑性能指标， 已有技术储备和未来市场趋势，同济大学燃料点电池大巴采用燃料电池加锂离 子蓄电池的结构。同时，考虑到大巴因承载人数较多，行驶速度不断提高而导 致功率需求越来越大，为避免单套动力系统功率，体积过大，控制器性能要求 提高，采用了双动力系统并联的模式构成燃料电池大巴动力系统，如图2 2 所 示： 图2 2 燃料电池大巴动力系统结构示意图 如图中所示，每套动力系统都通过燃料电池发动机向外输出高压，通过 d c d c 变换器，实现阻抗匹配，作为一个动力源搭载在直流母线上；另外，由锂 离子蓄电池作为第二个动力源搭载在直流母线上，与前者共同提供负载电机需 要的能量，由电机通过后轴差速器，向外输出动力，驱动车辆前进。两套动力 系统通过电机在输出轴以机械方式耦合共同驱动车辆。不同之处在于，由于燃 料电池大巴的动力系统还要负担车载其他用电器的功率负载，因此在其中一套 动力系统中，另外通过一个d c d c 和锂离子蓄电池3 构成一套直流母线，供诸 1 2 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 如空调等系统使用。因此对于整个燃料电池大巴动力系统上，_ 共有；条直流 母线，其中两条用于驱动车辆，可称为动力直流母线，而另外一条称为辅助直 流母线。在下文中，由于主要关心的是动力系统驱动车辆前进的功能，因此， 讨论范围将仅限于动力直流母线。由于通过d c d c 的单向隔断，辅助直流母线 不会影响动力母线上的电压电流变化，因此此处不予以考虑。 2 3 2 燃料电池大巴动力系统功能分析 通过上一小节的分析，可明确燃料点电池大巴动力系统的结构，但由于动 力系统不光承担了电机向外输出动力，驱动车辆前进的功能，另外还有一些其 他的功能，尤其对于大巴，存在许多舒适性辅助功能，需要动力系统提供能源， 另外，电驱动车辆，区别于传统车辆的机械驱动装置，需要通过电驱动实现， 而这些功能，也应由动力系统实现。 综合上面的分析和实际应用，可知，燃料电池大巴动力系统包含以下部分 的功能： 1 ) 纵向驱动功率输出及控制：这是动力系统最基本的功能，包括从燃料电 池，d c d c 和电池输出电能驱动电机正向输出扭矩，提供整车驱动力， 同时包括在制动过程中，电机正向转动但工作与于发电机状态，实现制 动能回收，将能量重新存储到锂离子电池中，这一功能主要强调动力系 统作为电系统的一方面特征，以电压电流作为中间量，而以扭矩和转速 作为最终输出量，如果该功能对应的某些部件失效，那么很可能意味着 这一功能完整性的丧失；而在某些部件的故障发生后，如果可以采用一 些主动手段，例如本文将重点讨论的故障诊断和容错控制手段，就可以 保证该功能的完整性，从功能重要性的角度来说，可对动力系统的完整 性提供很有利的保障。 2 ) 纵向驱动力传动：相对于上一个功能，这一功能主要强调动力系统在机 械方面的特征，特指从电机输出扭矩，经过万向节，至差速器，进入半 轴，最终通过车轮和地面的磨擦驱动车辆运动的这一过程。这一过程中， 和传统车辆比较相似，在此，不做更多的展开。 3 ) 氢气供给：对应于传统车辆的燃油供给系统，氢气的理化特性使得这一 部分的管理要求大大提高，安全性要求也随之上升；但另一方面，由于 1 3 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 存在电磁阀，控制器，压力传感器等设备条件，使得通过分析信号，可 对整个燃料供给系统有进一步掌控的余地，因此，这也是燃料电池汽车 安全方案的一个重要组成部分。 4 ) 氢气泄露监测：承接上面氢气燃料供给的功能，怎样检测到氢气泄露， 成为了一个比较重要的问题，这也是使用了氢气作为燃料后，需要考虑 的重要问题，需要通过完整性分析，给出一定的改进意见和措施。 5 ) 高压漏电保护：区别于传统车辆，尤其是在同等功率需求的情况下，为 了降低电流，目前的燃料电池汽车越来越多地采用更高的电压作为驱 动。同济大学燃料电池大巴采用了两条约3 3 2 v 的动力直流母线，使得 对车内乘员和其他道路使用者进行高压漏电保护成为了车辆完整性的 重要考量指标。 6 ) 悬架支撑力供给：燃料电池大巴使用空气弹簧作为悬架支撑，需要动力 系统为空气压缩机提供能量，压缩空气至储气瓶，提供车辆z 方向上的 支撑力，这属于辅助系统，可暂不考虑。 7 ) 制动力供给：燃料电池大巴使用气制动的方式降低车辆车速，同样需要 动力系统为制动空气压缩泵提供能量，压缩空气至储气瓶，以便在行车 过程中提供必要的空气压力，使得制动器不抱死，同样属于辅助系统， 不作为本文考虑的重点。 8 ) 转向力供给：作为操纵舒适性的很重要的方面，转向助力油泵需要动力 系统为其提供能量，建立助力油压，在转向过程中，帮助驾驶员转动转 向机，属于辅助系统，不作为本文考虑的对象。 9 ) 其他辅助系统电源供给：改变了能量源，燃料电池大巴使用电驱动系统， 其他传统车辆上的机械动力源辅助系统都改由电驱动，而这部分输出需 求，需由动力系统承担，诸如空调，车载2 4 v 电瓶等，都需要有动力系 统输出能量以维持其正常工作，由于这些功能都由图2 2 中的辅助系统 直流母线承担，因此，也不作为主要的故障诊断和容错控制对象。 综合上面的功能划分，结合2 2 图，本文述及的燃料电池大巴主要功能仅 包括上面提到的l ，3 ，4 ，5 ，属于动力系统最基本的功能。基于这一认识，可 以展开下面的失效模式及其后果分析，并将主要精力放在这些功能上。而后面 对于系统的建模和故障诊断则仅仅针对最为基本，并且在控制层面上具有重要 意义的纵向驱动功率输出及控制功能展开。 1 4 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 2 4 失效模式及其后果分析理论基础 2 4 1f m e a 概述 如2 1 中所述的作为整个基于系统完整性考虑的燃料电池动力系统故障诊 断和容错体系中最基础的部分，系统完整性分析和评价中，将要使用到故障模 式影响分析这一工具，因此首先对这一工具进行简单介绍。 故障模式影响分析( f a il u r em o d ea n de f f e c t sa n a l y s i s ，简记为f m e a ) 是分析系统中每一部件所有可能产生的故障模式，危害性及其对系统造成的所 有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予 以分类的一种归纳分析方法 1 ，4 7 。 f m e a 作为一种可靠性分析方法起源于美国。早在上世纪5 0 年代初，美国格 鲁门飞机公司在研制飞机主操纵系统时就采用f m e a 方法，取得了良好的效果。 到了6 0 年代后期和7 0 年代初期，f m e a 方法开始广泛地应用于航空、航天、舰 船、兵器等军用系统的研制中，并逐渐渗透到机械、汽车、医疗设备等民用工 业领域，取得显著的效果。国内在1 9 8 0 年代初期，随着可靠性技术在工程中的 应用，f m e a 的概念和方法也逐渐被接受。目前在航空、航天、兵器、舰船、电 子、机械、汽车、家用电器等工业领域，f m e a 方法均获得了一定程度的普及， 为保证产品的可靠性发挥了重要作用。可以说该方法经过长时间的发展与完善， 已获得了广泛的应用与认可，成为在系统的研制中必须完成的一项系统完整性 分析工作。 f m e a 根据其在产品生命周期中使用的阶段不同，可以分成如下表2 2 所示 的四类： 表2 2f m e a 的分类 阶段方案论证阶段研制瞄段生产阶段使用阶段 方法系统f m e a设计f m e a过程f m e a服务f m e a 分析研究系统功分析研究系统硬件、分析研究所设计的生分析研究产品使用 能设计的缺陷与软件设计的缺陷与产工艺过程的缺陷和过程中实际发生的 薄弱环节，为系薄弱环节，为系统的薄弱环节及对产品的故障、原因及其影 目的 统功能设计的改硬件、软件设计改进影响，为生产工艺，响，为产品的改进、 进和方案的权衡和方案权衔提供依生产设备的改进提供改型或新产品的研 提供依据据依据。制提供依据 1 5 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 由于燃料电池大巴动力系统处于产品生命周期的研制阶段，因此应选用设 计f m e a 。 基于q s 9 0 0 0 标准，对于一般的硎 e a 过程，可通过填写下表完成整个f m e a 分析过程，如表2 3 所示： 整个分析过程包括定性和定量两个部分，下面将从这两个方面具体展开 f m e a 的操作过程，并根据实际需要对表2 3 进行改动，以满足对燃料电池大巴 动力系统进行完整性分析的需求。 表2 3q s 9 0 0 0 标准下的f m e a 分析 磊境 ：羲缝 节缓蚌 节型笨j 笙，警察笺誊 托一橇， 玎l e 精孽t 贾辨： 蕾制青i 再l e 疆辩； 教臻硪赣捃算扭竹端骓一 分 嘉斑爽缸笺瑰 i 援赫毪厅经一薅鞭辟建盘嚣f 麓霸檬 芦 敏挥l 乏。 瓣痞漕程量 戈 失筏缎戒擞搬瑶襄度藏荔机残 率投订控捌 瑷计按毒| 戌萎擗麓壳成b裂戳黼麓重童辫 p ( s )( o f o ， 嗍j 寞痒理_ 123s7891 01 11 21 31 4 1 5 2 4 2 定性分析 如上面对于失效和故障的定义，在定性分析的过程中，应以失效作为准则， 但是在分析的过程中，应将注意力放在故障上，为后面的改进措施提出和实施， 尤其是借助主动手段，做好铺垫。 定性地，需要进行： 1 ) 潜在失效模式分析，为分析对象可能失效的种类，根据设计过程中对设 计的重新评估和试验，总结和归纳，可能是已经发生的，也可能是有可 能会发生而需要预防的。 2 ) 潜在失效后果分析，是指失效模式一旦发生时，对系统或装备以及操作 使用人员所造成的影响。 3 ) 潜在失效原因分析，是指导致引发一定失效模式的机理。 1 6 第2 章基于完整性的故障诊断与容错体系及完整性分析 4 ) 现行判定故障方法，是指通过软硬件手段，得到系统状态的手段，这些 手段应该不依赖于设计过程中的临时措施，而应该属于产品的一部分。 这一方法可以作为后面对于故障的检测度定义的参考标准。 5 ) 现行预防控制设计，在设计过程中，根据工程经验，已经积累了一部分 工程经验，对此进行总结，列入表格，可以加深对系统的分析和认识。 6 ) 补偿改进措施建议，这一部分用于根据技术积累提出针对各原因