邢 琛,劉廷章,林 越,趙劍飛
(上海大學(xué),上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072)
制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要因素是充電設(shè)施占地面積大,并且電動(dòng)汽車(chē)需要通過(guò)電纜與充電機(jī)連接,這種充電方式嚴(yán)重限制了充電的靈活性。因此一種適用于電動(dòng)汽車(chē)充電的諧振式無(wú)線充電方式應(yīng)運(yùn)而生。
針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)已經(jīng)有大量研究。美國(guó)麻省理工大學(xué)的Marin Soljacic率先通過(guò)諧振式無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了米級(jí)的能量傳輸[1],Onar等人則將此技術(shù)首次應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電[2]。美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室通過(guò)采用特殊的線圈繞置方式并加入適當(dāng)?shù)拇牌帘问沟媚芰總鬏斝蚀蠓忍嵘齕3-4],新西蘭奧克蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用雙極性并列式導(dǎo)軌線圈結(jié)構(gòu)使相鄰線圈互感接近零,提高了能量利用率[5]。國(guó)內(nèi)東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線充電和無(wú)線充電調(diào)度、充電系統(tǒng)控制等方面也獲得許多進(jìn)展[6-8]。
然而,上述研究得以實(shí)際應(yīng)用的前提均以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為基礎(chǔ),在實(shí)際運(yùn)行時(shí),由于系統(tǒng)長(zhǎng)期受到各種應(yīng)力的共同作用,并且諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)本身對(duì)于系統(tǒng)的各種元件參數(shù)極為敏感,參數(shù)的偏移很容易引起系統(tǒng)充電功率和效率的大幅下降,所以及時(shí)獲知系統(tǒng)元器件的參數(shù)偏移故障是很有意義的。同濟(jì)大學(xué)魏學(xué)哲教授等人提出基于最小二乘法的無(wú)線充電線圈自感辨識(shí)方法[9],重慶大學(xué)戴欣教授等人則提出基于能量的反射阻抗辨識(shí)方法[10],但是上述方法均建立在諸多約束條件下進(jìn)行,究其原因是因?yàn)橹C振式無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難建立準(zhǔn)確完整的系統(tǒng)模型對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效快速的辨識(shí)。本文針對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)故障辨識(shí)難的問(wèn)題,通過(guò)檢測(cè)諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)的電流信號(hào)并作傅里葉分析,提出了一種基于容差參數(shù)區(qū)間估計(jì)方法的諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)故障診斷方法。
電動(dòng)汽車(chē)諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)由整流濾波電路、高頻逆變電路以及諧振補(bǔ)償電路組成。其基本工作原理如下:當(dāng)工頻交流電經(jīng)過(guò)整流濾波以及逆變后產(chǎn)生高頻交流電輸入諧振補(bǔ)償電路,通過(guò)諧振補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)線電能傳輸。在諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)中最核心部分為諧振補(bǔ)償補(bǔ)償電路,等效電路如圖1所示。
圖1 諧振補(bǔ)償電路等效電路圖
諧振補(bǔ)償電路的原邊和副邊均由電容和電感組成,這樣的結(jié)構(gòu)使整個(gè)電路存在一個(gè)諧振頻率,當(dāng)輸入信號(hào)的頻率等于電路的諧振頻率時(shí),整個(gè)諧振補(bǔ)償電路的阻抗達(dá)到最小,此時(shí)整個(gè)電路的無(wú)功損耗最小。同時(shí)基于電磁感應(yīng)定律,由于諧振補(bǔ)償電路的原邊通以高頻交變信號(hào),原邊與副邊形成松耦合變壓器的結(jié)構(gòu),這樣副邊線圈可感生出電動(dòng)勢(shì)對(duì)負(fù)載高效供電。
諧振補(bǔ)償電路的原邊線圈和副邊線圈分別被置于地下以及車(chē)的底盤(pán)上,由于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期的震動(dòng)、磨損等原因,諧振補(bǔ)償電路通常是故障的高發(fā)地,特別是原邊和副邊的電感電容參數(shù)偏移故障,隨著時(shí)間的推移,這類(lèi)軟故障難免發(fā)生,這些故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)電能傳輸功率和效率下降,最終導(dǎo)致系統(tǒng)難以達(dá)到充電要求而失效。對(duì)于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的硬故障,例如電路的短路和斷路故障,這類(lèi)故障發(fā)生時(shí)故障特征比較明顯,通常伴隨著電流電壓的劇烈變化,電路設(shè)計(jì)時(shí)通常有相應(yīng)的保護(hù)措施,所以本文針對(duì)諧振電路元件參數(shù)偏移這類(lèi)軟故障類(lèi)型進(jìn)行定位診斷。
針對(duì)諧振補(bǔ)償電路主要的故障類(lèi)型,即參數(shù)偏移故障,采用容差參數(shù)區(qū)間估計(jì)法對(duì)故障進(jìn)行定位診斷。參數(shù)區(qū)間估計(jì)方法是參數(shù)估計(jì)的一種形式,其基于區(qū)間數(shù)學(xué)理論,通過(guò)構(gòu)造合適的參數(shù)區(qū)間表示總體的分布參數(shù)的真值所在的可能范圍[11]。
將此方法應(yīng)用于參數(shù)偏移故障的定位上,對(duì)于一個(gè)線性電路存在I個(gè)元件,選取X個(gè)可測(cè)特征量bxi,可測(cè)特征量可選取電路的可測(cè)節(jié)點(diǎn)電壓或者是其他可檢測(cè)的能反映元件參數(shù)狀態(tài)的特征量,同時(shí)可測(cè)特征量對(duì)于參數(shù)變化的靈敏度不能為0。設(shè)線性電路中各元件參數(shù)值為ai0(i=1,2,…,I),則元件參數(shù)與各可測(cè)特征量存在關(guān)系:
(1)
若元件參數(shù)發(fā)生偏移故障,元件參數(shù)由ai0→ain(ain表示元件i除正常狀態(tài)外的任意一種元件參數(shù)狀態(tài),n=1,2,…),則選取的可測(cè)特征量也相應(yīng)地變化,即
(2)
那么在這種情況下,只需知道所有發(fā)生故障時(shí)可測(cè)特征量的值,再和元件在無(wú)故障情況下的可測(cè)特征值作對(duì)比即可得出結(jié)論元件是否發(fā)生故障。但是,由于元件參數(shù)取值連續(xù)不可數(shù),即
ain∈[0,+∞),n=0,1,2,…
(3)
顯然診斷前獲取所有故障情況下的故障特征量是不可能的。所以將無(wú)窮多個(gè)元件的參數(shù)狀態(tài)劃分為有限個(gè)參數(shù)區(qū)間以有效地對(duì)故障進(jìn)行診斷。將元件參數(shù)范圍[0,+∞)做如下劃分:
[0,+∞)→[0,ai1)∪[ai1,ai2)∪…∪
[aiy,ai0)∪{ai0}∪(ai0,ai(y+1))∪…∪
[ai(m-1),aim)∪[aim,+∞)
(4)
式中:ai1,ai2,…,aiy,ai(y+1),…,ai(m-1),aim分別為元件參數(shù)區(qū)間的分界點(diǎn)參數(shù)值;ai0為元件正常參數(shù),除元件正常參數(shù)外,其余參數(shù)區(qū)間均為故障區(qū)間。
多個(gè)參數(shù)區(qū)間也相應(yīng)地對(duì)應(yīng)不同的特征量區(qū)間,且參數(shù)區(qū)間與不同特征量的特征區(qū)間一一對(duì)應(yīng),這樣便實(shí)現(xiàn)了特征量狀態(tài)空間與參數(shù)區(qū)間的完整的映射。元件參數(shù)區(qū)間與特征區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以表示為一個(gè)X×(m+2)的矩陣形式:
(5)
式(5)中的矩陣元素為(m+2)個(gè)元件參數(shù)區(qū)間所對(duì)應(yīng)的不同特征量區(qū)間,元件參數(shù)區(qū)間[0,ai1)對(duì)應(yīng)的特征量區(qū)間為式(5)的第一列列向量,以此類(lèi)推。這樣,只需要在進(jìn)行故障診斷前獲取矩陣(5),在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)提取特征量并與矩陣(5)的區(qū)間進(jìn)行對(duì)照,即可得知元件參數(shù)所對(duì)應(yīng)的區(qū)間。
通常情況下在進(jìn)行故障診斷時(shí),當(dāng)系統(tǒng)正常工作,元件參數(shù)應(yīng)當(dāng)保持設(shè)定值不變,只要任意元件參數(shù)出現(xiàn)任何微小偏移,則會(huì)認(rèn)定為元件故障。而在實(shí)際中,有一種情況會(huì)時(shí)常發(fā)生,即每種元件都有容差,在容差范圍內(nèi)元件參數(shù)的微小偏移并不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成顯著影響,通過(guò)參數(shù)區(qū)間估計(jì)法卻將這種情況判定為有故障,這就造成了故障誤判,所以采取容差參數(shù)區(qū)間估計(jì)法來(lái)進(jìn)行故障診斷。處理方式是將元件容差范圍內(nèi)的參數(shù)偏移都視為正常狀態(tài),也就是無(wú)故障出現(xiàn)時(shí),元件參數(shù)不是一個(gè)固定值,而是一個(gè)無(wú)故障容差區(qū)間,即將正常狀態(tài)下元件參數(shù)集合(a10,a20,…,ai0,…,aI0)轉(zhuǎn)為集合元素為元件參數(shù)區(qū)間的形式,形式如:
(a10,a20,…,ai0,…,aI0)→
([a10(1-x%),a10(1+x%)],
[a20(1-x%),a20(1+x%)],…,
[ai0(1-x%),ai0(1+x%)],…,
[aI0(1-x%),aI0(1+x%)])
(6)
式中x為元件容差。
這樣無(wú)論是正常狀態(tài)還是故障狀態(tài),都通過(guò)區(qū)間表示,式(4)變?yōu)?/p>
[0,+∞)→[0,ai1)∪[ai1,ai2)∪…∪
[ai(1-x%),ai(1+x%))∪…∪[aim,+∞)
(7)
通過(guò)容差參數(shù)區(qū)間估計(jì)法對(duì)元件參數(shù)偏移故障進(jìn)行定位診斷一般包含以下步驟:
(1)對(duì)不同元件參數(shù)區(qū)間進(jìn)行測(cè)前仿真并劃分對(duì)應(yīng)的故障特征區(qū)間;
(2)運(yùn)行過(guò)程中提取故障特征值;
(3)根據(jù)故障特征區(qū)間以及診斷規(guī)則對(duì)元件參數(shù)偏移故障定位診斷。
在實(shí)際故障診斷前,通過(guò)仿真劃分不同參數(shù)區(qū)間對(duì)應(yīng)的故障特征區(qū)間是一個(gè)必要步驟,分別依次對(duì)待診斷元件進(jìn)行參數(shù)掃描,掃描范圍為[0,+∞],得到元件參數(shù)在[0,+∞]范圍變化時(shí)對(duì)應(yīng)的可測(cè)特征量區(qū)間,在元件參數(shù)單調(diào)變化時(shí),所選特征量的變化也必須單調(diào)。不同的參數(shù)區(qū)間及其所對(duì)應(yīng)的故障特征量區(qū)間如表1所示。細(xì)分元件參數(shù)區(qū)間以及選取多個(gè)特征量都是提高診斷正確率的有效途徑。
表1 元件參數(shù)區(qū)間與特征量區(qū)間對(duì)應(yīng)表
區(qū)間BXm代表某元件的第m個(gè)元件參數(shù)區(qū)間所對(duì)應(yīng)的第X個(gè)特征量區(qū)間。每個(gè)元件在診斷前通過(guò)測(cè)前仿真生成形如表1的元件參數(shù)區(qū)間與特征量區(qū)間對(duì)照表,系統(tǒng)中I個(gè)元件也將生成I張對(duì)應(yīng)表。
然后,在運(yùn)行過(guò)程中提取故障診斷所需的特征量數(shù)據(jù)。最后,將所獲得的特征量數(shù)據(jù)分別與測(cè)前仿真得到的各個(gè)元件的特征量區(qū)間表對(duì)照,根據(jù)故障診斷規(guī)則對(duì)故障進(jìn)行診斷,具體規(guī)則如下:
(1)對(duì)于元件i,若所得故障特征量均落在除容差區(qū)間外的同一元件參數(shù)區(qū)間所對(duì)應(yīng)的特征量區(qū)間內(nèi),對(duì)于表1,所得的特征量數(shù)據(jù)均落在同一列,則元件i發(fā)生參數(shù)偏移故障,且實(shí)際的元件參數(shù)落在對(duì)應(yīng)的參數(shù)區(qū)間內(nèi)。
(2)對(duì)于元件i,若所得故障特征量均落在容差區(qū)間所對(duì)應(yīng)的特征量區(qū)間內(nèi),則元件i未發(fā)生參數(shù)偏移故障。
(3)對(duì)于元件i,若所得故障特征量至少有2個(gè)落在不同的元件參數(shù)區(qū)間所對(duì)應(yīng)的特征量區(qū)間內(nèi),則故障無(wú)法確定,系統(tǒng)可能有多故障發(fā)生。
目前,大部分基于參數(shù)區(qū)間估計(jì)法的診斷方法所選取的故障特征量為電路的節(jié)點(diǎn)電壓,但是實(shí)際中并非所有的電路節(jié)點(diǎn)都是可測(cè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于諧振式無(wú)線充電系統(tǒng),加入數(shù)個(gè)電壓傳感器是不現(xiàn)實(shí)的。所以在選取故障特征量時(shí),應(yīng)當(dāng)在盡可能減少檢測(cè)量的前提下,尋找能夠反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參量。
對(duì)于一個(gè)線性電路,可選的可測(cè)特征量包含電路的節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流以及電流電壓波形中所含的一些特征量,比如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等。但在實(shí)際操作中,這些特征量有些不可測(cè),有些則對(duì)于參數(shù)的變化不夠靈敏。同時(shí),雖然選取多個(gè)故障特征量有利于提高診斷準(zhǔn)確率,但選取過(guò)多的故障特征量也容易造成計(jì)算冗余,結(jié)合容差參數(shù)區(qū)間估計(jì)故障診斷方法,在選取故障特征量時(shí)遵循以下原則:
(1)元件參數(shù)向一個(gè)方向連續(xù)變化時(shí),特征量數(shù)據(jù)單調(diào)遞增或遞減。
(2)特征量對(duì)元件參數(shù)變化靈敏度較高。
由于無(wú)法在實(shí)際中加入多個(gè)電壓傳感器,所以在諧振補(bǔ)償電路原邊側(cè)加入一個(gè)高頻電流傳感器檢測(cè)原邊電流波形,為了合理地提取故障特征量,分析系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下以及故障狀態(tài)下的原邊電流波形。
圖2分別為系統(tǒng)正常工作時(shí)的電流波形圖以及諧振補(bǔ)償電路原邊電容參數(shù)增大偏移20%和50%時(shí)的原邊電流波形圖。電流波形狀態(tài)參量表見(jiàn)表2。
表2 電流波形狀態(tài)參量表
由圖2及表2可知,在諧振電路元件參數(shù)發(fā)生偏移故障時(shí),隨著元件參數(shù)偏移程度增大,電流波形發(fā)生明顯的變化,具體體現(xiàn)在:電流穩(wěn)態(tài)有效值減小;電流波形超調(diào)量增大;電流波形調(diào)節(jié)時(shí)間增大。
當(dāng)原邊電容元件向一個(gè)方向發(fā)生參數(shù)偏移故障時(shí),原邊電流穩(wěn)態(tài)值、電流波形超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的數(shù)據(jù)變化均單調(diào),但電流的調(diào)節(jié)時(shí)間對(duì)于參數(shù)變化的靈敏度很低,所以根據(jù)特征量選取原則,選擇電流波形穩(wěn)態(tài)值、電流超調(diào)量作為故障特征量。
另外,在電容電感電路中,由于電容電感的參數(shù)變化,電路的阻抗相應(yīng)地發(fā)生變化,電路的固有頻率也因此發(fā)生變化,電路對(duì)于信號(hào)的響應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化,特別是在系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)時(shí),電流波形在穩(wěn)定之前存在一定時(shí)間的非穩(wěn)定過(guò)渡狀態(tài),稱(chēng)為瞬態(tài)波形,瞬態(tài)波形往往蘊(yùn)含了豐富的電路特征信息。
(a)元件參數(shù)正常時(shí)原邊電流波形圖
(b)原邊電容增大偏移20%時(shí)原邊電流波形圖
(c)原邊電容增大偏移50%時(shí)原邊電流波形圖圖2 電流波形對(duì)比圖
傅里葉分析是一種信號(hào)分析方法,可以對(duì)信號(hào)成分進(jìn)行分析。瞬態(tài)的非穩(wěn)定波形經(jīng)過(guò)傅里葉分解成多種頻率成分的正弦波,而不同參數(shù)的電容電感電路對(duì)每種頻率的信號(hào)的阻抗不同,所以在傅里葉頻譜中不同頻率的信號(hào)能量也不同。圖3是對(duì)圖2波形進(jìn)行傅里葉分解后的頻譜圖。
分析傅里葉頻譜圖,對(duì)于不同元件的參數(shù)偏移故障,傅里葉變換頻譜呈現(xiàn)一定特征:傅里葉頻譜中出現(xiàn)1個(gè)或2個(gè)能量峰值,其中一個(gè)能量峰值所對(duì)應(yīng)的頻率值為輸入信號(hào)的頻率,而另一個(gè)能量峰值所對(duì)應(yīng)的頻率值隨著不同元件的參數(shù)偏移相應(yīng)地發(fā)生改變(隨著電容參數(shù)變換,能量峰值頻率變化85 kHz-76 kHz-68 kHz),這是由于電容電感組成的電路中對(duì)于不同頻率的信號(hào)的阻礙作用不一樣,所以對(duì)瞬態(tài)波形作傅里葉變換后頻譜出現(xiàn)不同的特征。將能量峰值對(duì)應(yīng)的頻率(非輸入信號(hào)頻率)稱(chēng)為特征頻率,特征頻率符合特征量選取的原則。
(a)元件參數(shù)正常時(shí)原邊電流波形的傅里葉頻譜圖
(b)原邊電容偏移20%時(shí)原邊電流波形的傅里葉頻譜圖
(c)原邊電容偏移50%時(shí)原邊電流波形的傅里葉頻譜圖圖3 電流波形的傅里葉頻譜圖
所以,將電流穩(wěn)態(tài)有效值、電流超調(diào)量和特征頻率作為故障診斷的特征量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也證明了所選特征量對(duì)于其他各元件的參數(shù)偏移故障靈敏度較高,且符合故障特征量的選取原則。
為提高診斷精度并考慮計(jì)算復(fù)雜度,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試權(quán)衡后將元件參數(shù)區(qū)間劃分如表3所示。
表3 元件參數(shù)區(qū)間劃分表
實(shí)驗(yàn)中諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)的諧振電路輸入信號(hào)是有效值為212 V、頻率為85 kHz的正弦交流電,電路元件參數(shù)如表4所示。
表4 元件參數(shù)表
通過(guò)MATLAB搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)前仿真得到元件參數(shù)偏移對(duì)應(yīng)的故障特征量區(qū)間,表5為諧振電路原邊補(bǔ)償電容C1參數(shù)增大偏移故障特征量區(qū)間表。
表5 C1參數(shù)增大偏移故障特征量區(qū)間表
對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)其他元件,同樣通過(guò)測(cè)前仿真得到如表5形式的故障特征區(qū)間表。由于數(shù)據(jù)量較多,僅列出元件C1的特征量區(qū)間表。分別模擬元件C1的不同參數(shù)狀態(tài),驗(yàn)證方法的可行性。特征量數(shù)據(jù)以及診斷結(jié)果如表6所示,其中電容元件的容差為5%。
對(duì)于元件C1的不同狀態(tài),診斷結(jié)果均正確,且元件參數(shù)也定位至正確的參數(shù)區(qū)間。分別模擬每個(gè)元件的2種偏移故障(增大偏移、減小偏移)的6種參數(shù)狀態(tài),偏移量分別取3%、7%、15%、35%、75%以及100%,診斷結(jié)果如表7所示。
從表7可以看出,運(yùn)用參數(shù)區(qū)間估計(jì)法的診斷正確率比較高,故障的總體診斷正確率達(dá)到89.6%。出現(xiàn)診斷錯(cuò)誤的原因是不同元件的參數(shù)區(qū)間對(duì)應(yīng)的特征值區(qū)間存在重疊部分,在診斷過(guò)程中獲得的特征量可能落在不同特征量區(qū)間的重疊部分,這便沒(méi)法正確區(qū)分故障類(lèi)型,若更加細(xì)分參數(shù)區(qū)間或者增加特征量數(shù)目將會(huì)使診斷正確率進(jìn)一步提高,但是測(cè)前仿
表6 元件C1參數(shù)偏移診斷結(jié)果表
表7 診斷結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
真的計(jì)算量也將提升。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知,此方法雖然需要進(jìn)行一定數(shù)量的測(cè)前仿真,但是在后續(xù)診斷過(guò)程中方法應(yīng)用簡(jiǎn)單且正確率較高。
本文運(yùn)用容差參數(shù)區(qū)間估計(jì)法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)軟故障的診斷,方法克服了元件存在容差而干擾診斷正確率的問(wèn)題,并且將無(wú)限多個(gè)元件參數(shù)偏移故障狀態(tài)通過(guò)區(qū)間的形式表示出來(lái),最后通過(guò)傅里葉變換提取系統(tǒng)的特征頻率并將元件參數(shù)區(qū)間與特征量區(qū)間形成唯一的映射,實(shí)現(xiàn)元件參數(shù)偏移故障的定位與診斷。通過(guò)選取合適的故障特征量并制定合理的診斷規(guī)則,實(shí)驗(yàn)證明,通過(guò)本方法可以有效地定位與診斷元件參數(shù)偏移故障,且診斷方法簡(jiǎn)單,正確率高,這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)故障檢測(cè)有很強(qiáng)的實(shí)際參考意義。