基于转鼓循环丁-况的燃料电池轿车故障分析

基于转鼓循环丁-况的燃料电池轿车故障分析孙明,侯永平(同济人学汽车学院，上海201804)摘要:针对汽车城市道路行驶特点，设计了一次循环工况下转鼓耐久试验，以研究燃料电池汽车在城市道路 下的故障特点定义了燃料电池故障等级，借助可靠性理论分析方法分析了燃料电池汽车故障特点该试验 方法为新能源汽车关键部件的可靠性和耐久性试验提供了有价值的参考关键词:燃料电池轿车;转鼓试验;循环工况;故障分析在当今的汽车开发与质量检验中，很多道路试验项H己逐渐被试验室转鼓试验代替［1］在传统汽车试验中, 转鼓试验台多用于动力性能和经济性能评价试验⑵、排放性能试验［3］、车舱温度场的模拟试验⑷等燃 料电池汽车动力系统与传统汽车有木质区别其动力來源一般有两条路径，一为燃料电池发动机,二为钾•离 了蓄电池二者所提供的电能顺利地传到驱动电机，又需要功率控制单兀(PCU)的多个控制模块同时控制燃 料电池发动机(FCE)、钾•离子蓄电池(BM)、DC/AC变换器、电机(MC)和水冷却系统(WCS),使它们能够协调、 稳定和可靠的工作城市道路包含长时间怠速、急加速、急停等恶劣丁•况，对燃料电池和钾禹子蓄电池功 率动态输出能力和动力控制系统工作稳定件提出了很高的要求。

转鼓试验可以避免实际道路下复杂因 素的影响，缩短试验周期,降低试验成木，同时循环丁•况转鼓试验又能够模拟实际道路复杂多变的工况，完全 可以用来考察燃料电池动力系统及其控制系统的适应能力针对某燃料电池轿车，木文设计了试验里程为10 000 km转鼓循环工况耐久试验，以硏究在一般城市道路多 变工况下燃料电池汽车动力系统故障发生特征和工作状况1试验汽车的使用工况的复杂性要求燃料电池汽车的动力系统应该具有较强的动态性能转鼓试验台可以模拟汽 车运行的城市道路工况，测试燃料电池汽车在城市道路循环工况下的工作状态，全面考察燃料电池汽车动力 系统的动态工作能力1.1运转循环选择运转循环(Driving-cycle)⑸也称行驶丁•况，用于确定车辆污染物排放量、燃汕消耗量和新车世的技术开发和评 估忍至可用于测定交通控制方面的风险，但要根据不同的试验H的选择不同的循环工况燃料电池轿车作 为一般乘用车，行驶道路为城市、城郊和城际道路因此，在本次转鼓试验中要选择有代表性的工况循环本次试验选择了三种代表工况，分别为中国城市快速丁•况(FAST CITY)、美国城市循环丁•况(UD- DS)和欧洲城市 循环丁况(ECE-EUDC)p这三个循环工况皆属于城市工况，包括频繁起停、快速增减速和长时间怠速等恶劣工 况，如图1、图2、图3所示。

将这三种循环组成一个大的循环进行转鼓试验，能够充分考察燃料电池汽车动 力系统对城市道路的适应能力图1中国域市快逢工况模态数据图2欧洲城市循环工况模态数据100| ° 200 400 叫歆 1000 12（X）14

传统汽车是根据故障的 危害程度进行分级的，称为汽车故障的4级分类方法［6］文献［7］将汽车故障分为致命故障、严垂故障、一 燉故障和轻微故障四个等级燃料电池汽车的故障分级尚没有出台国家标准，且燃料电池汽车故障发生的机理和危害与传统汽车故障有 很大的区别，所以不能完全照搬传统汽车的故障分级模式要对燃料电池汽车进行可靠性分析，首先要依据 燃料电池汽车故障发生的特点定义故障等级,燃料电池汽车故障等级如表1所示i< I燃料电池汽乍故障分级故Q级别按血描述!決危及厅乍安全.适说车辆上姜总成报復•对 周鬧坏境迓成严重污染2级请歩停机故诵牙敢汽丫 \ W总或■等杵损坏• H不偿冯側 乍I H和M损备ft A：较如时何（30 min）内 M除•进或停乍•需尽快进厅检修3级障功岷故旳可用同乍I 口和舫损备fl在较短时间（约30 min）内II K .- 卅越，是仃町能造成更大故阳的隐总4级警行性故・不用更換■件•仅用融车工具施■启启在短 时何（釣5 min）内川除3故障分析3・1故障总体情况本次试验该燃料电池轿车共运行卑程为12 033 kmo根据已经定义的故障分级方法■试验过程中整车发生故 障总数为205例。

图4和图5为木次转鼓试验中故障源分析和故障级别分析示意图WCS 其他 6.8% BM61%DCF2%图4故障源分析示怠151M24%图5故I®等级分析示虑2<19%试验表明，转鼓循环工况下總离子焉电池（BM）为首要故障源转鼓试验的三种工况包含频繁起停，钾离子蓿 电池处于充放电不断交替的状态，因此，锂离子蓄电池主要呈现充放电故障（如SOC值低于或高于限定值和 单电池电压过高故障）作为试验主要测试对象的燃料电池发动机（FCE）和水冷却系统（WCS）也是主要故障 源试验车辆的1级和2级高级别的故障发生比较突出，占故障总数的43%试验车辆的高级别故障发生 次数较多，一方面是因为在制定燃料电池汽车故障等级时，考虑到燃料电池汽车的特殊性，有意识地将燃料 电池故障等级提高;另一方面，试验车辆在高强度的试验下,高级别的故障比较突出车辆故障呈现的另一个明显特征是故障绝対数最大，而故障种类少作为首要故障源的锂离子蓄电池主要 故障为SOC值不正常（过高或者过低）、单体电压过高和内部通讯故障如果频发的即离子蓄电池的充放电 故障得不到解决,那么燃料电池汽车很难适应城市道路频繁起停的工况;水冷却系统主要故障为圧力传感器 断路和温度传感器断路;燃料电池发动机主要故障为限制功率故障。

这六类故障占故障总数的86%,可见故 障种类非常集中,个别故障频繁发生3.2故障增长趋势和故障率分析故障数H随汽车行驶里程的增长Illi线是山一些点形成的不连续的Illi线，需要拟合成连续］11|线N(m)以便于求 导得到故障率Illi线在燃料电池故障规律不确定的情况下，在MATLAB中用拟合工具cftool进行多项式拟合 ⑻图6为拟合结果表2为拟合质最表中数据表明本次拟合具有高于99%的拟合优度，完全能够以较高 的栉度反映故障增加趋势故障增长Illi线表明，试验中燃料电池汽车故障随里程的增加为菲线性的,呈现阶 梯形增长趋势图6故障增加趋勢拟合曲线« 2 拟介优度SSER- squareAdjusted R-squareRMSE240.10.998 50.998 22583燃料电池汽牟的瞬时故障率入(m)是拟合Illi线 的导数•即：d|N(m)l .入(斫卞― (|)对N(m)得到故障率Illi线，如图7所示，该Illi线 能反映汽乍在不同里程和不同阶段故障率的变化o故障率呈现周期性波浪形慫荡升降，这是故 障率曲线的个加显苦的特点根据故障率的变 化趋势，将整个试验过程分成I(0・1 800 km)、II (1 800- 5 500 km)、111( 5 500- 9 000 knn JV(9 000・ 11 000 km)、V( 11 000-12 033 km) fi个阶段。

卜.文200.- V—.E.0」——000.050too-0.050 2000 4000 6000 8000 10000 12000n«r«/km图7故障率曲线提到的频发故障占总故障的绝人影敌•因此，可将这 儿类故障在不同阶段发牛•的次数进仃统计以发现这 些故障的特点，如表3所示.表3 主耍故障分析故Q及故綽源1IIIIIIVVSOC tftflj(BM)10例9 M9M14 W5 01SOC (fl5M6倂无无1无阳体电IK过9 M13例8 M7 W |无勺締!*讯故M(BM)无无11例12MSM从力传蚣盘駅胳(WCS)128钢无JC无湍H传aS a斷路(WCS)无15 012例8例5 01IU制功华故W(FCE)无1钢3钢6钢3 M对比表3和图7,可以发现个别故障交替频緊发生是整乍故障率呈现波浪起伏、役荡变化的原因个别故障 频繁发生是处于开发期产品故障的普遍特点频发的故障揭露了产品设计的不足，通过改进设计或提高关 键冬部件的可靠性水平逐步降低频发故障发生几率，减小故障率的波动范围，故障率址终能够收敛为…个较 低的稳定状态，从而达到产品可靠性的要求3.3平均故障间隔里程平均故障间隔里程能够表示汽车连续工作的能力，它反映的是汽车产品无故障行驶里程的平均水平。

山于 毎天的试验循环完全…致，因此可以将试验车辆每天的平均故障间隔里程设为随机变量X,以便分析每天平均故障间隔里程的变化图8为试验中燃料电池毎犬的平均故障间隔里程柱状图随机变最的数学期望 E(X)表征随机变戢的取值水平即平均数，方差S2表征随机变最取值的分散或集中程度3)i"数学期望E(X)为80.8 km,它反映燃料电池试验期间每天平均故障间隔的中值，如图8中黑色横线方差 S2为7.5x103,数值较大说明燃料电池的平均故障间隔里程波动性大,故障发生的规律性差柱状图中显示在 试验中期的一段时间内，试验车辆的平均故障间隔里程有明显的捉高这是因为在车辆行驶里程为4 200 km 时，对试验车辆进行了一次检修，检修之后整车故障率明显降低，但很快平均故障间隔里程又再次下降，可见试验车辆关键部件耐久性水平不髙 " ' 4整车基本性能跟踪分析燃料电池汽车的动力性和经济性指标是汽车设计中的重要指标在汽车可靠性试验中，需要对这些指标进 行跟踪测试，以分析车辆动力件和经济性随试验里程的变化趋势,从而分析动力系统的耐久性水平在本次 试验中每经过十次大循坏进行一次转鼓测试，以考察车辆动力性和经济性的衰减程度，测试结果见表4和表 5。

跟踪试验表明，燃料电池汽车的最高车速大约下降2.4%;0到100 km/h加速时间大约增加2%;匀速在 15 km/h下,车辆能顺利通过20%坡度总之，燃料电池汽车的动力性下降并不明显而试验车辆在乘用车城 市王况下百公里耗筑量平均増加18%J1015工况下Ti•公里耗氧量平均増加31%,可见经济性水平明显下降I • • mW Am01 5722 1042 S373 001 4 kM 511 1STM12 0X1I22FI22MI22T012) CD120 00I2D OD I2Q00 I2OJJIS) UD12(100fel - (t)* l(D kmftyt 16 717017017 01701。