淺析氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

摘 要：氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為氫能車輛核心動(dòng)力單元，其電堆運(yùn)行狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)和故障診斷直接影響車輛使用和電堆的壽命。當(dāng)前采用的監(jiān)測(cè)手段主要是對(duì)電堆電流和電堆單片電壓的監(jiān)控，通過(guò)判斷電堆各個(gè)單體的電壓一致性，以及是否有出現(xiàn)個(gè)別單體電壓低的問(wèn)題來(lái)判斷電堆的健康狀態(tài)。存在的問(wèn)題是沒(méi)有對(duì)先期機(jī)械故障即早期零部件失效進(jìn)行監(jiān)控，電堆能否正常工作也受制于提供空氣和冷卻的主要零件空壓機(jī)和水泵的影響，當(dāng)前僅通過(guò)電壓巡檢器對(duì)電堆單體電壓的監(jiān)測(cè)被動(dòng)的報(bào)警，當(dāng)報(bào)警時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)零件機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題需要車輛進(jìn)站維修更換零部件，影響車輛的正常出勤。所以有必要通過(guò)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行空壓機(jī)、水泵等零部件故障的先期診斷評(píng)估，并在車輛保養(yǎng)或者閑時(shí)進(jìn)行維修，可避免影響車輛正常營(yíng)運(yùn)，減少客戶抱怨。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) 故障診斷 電堆

氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035 年）中提出穩(wěn)慎推動(dòng)氫能在交通、儲(chǔ)能、發(fā)電、工業(yè)等領(lǐng)域的多元應(yīng)用。在2021年國(guó)家推出五大示范運(yùn)營(yíng)城市群獎(jiǎng)補(bǔ)政策，進(jìn)入示范城市群名單的各城市都在如火如荼的推行氫能車輛，受限于加氫站的建設(shè)速度當(dāng)前氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在商用車領(lǐng)域，商用車作為盈利工具其出勤率要求極高，出現(xiàn)故障后車輛進(jìn)站維修將直接影響收入。同時(shí)商用車日運(yùn)行里程長(zhǎng)，平均日里程達(dá)到300km以上，該工況導(dǎo)致氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，直接導(dǎo)致電堆故障率增加。

1 當(dāng)前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是氫氣和氧氣在催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和水的過(guò)程。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)需要?dú)錃夂脱鯕庠陔姸褍?nèi)進(jìn)行反應(yīng)，電堆提供反應(yīng)的場(chǎng)所，電堆內(nèi)部起到催化作用的是膜電極上的鉑，提供氫氣、空氣和冷卻液流道的是雙極板。該電化學(xué)反應(yīng)對(duì)氫氣和氧氣的溫度、壓力和流量均有要求，尤其是催化劑活性受反應(yīng)溫度影響較大。滿足電堆反應(yīng)要求需要大量的輔助零件介入，本文將這些零件統(tǒng)稱為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)附件。

為了便于說(shuō)明氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)附件的工作以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，本文展示了某氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的原理圖用于介紹氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻液系統(tǒng)各子模塊具體功能，如圖1所示。

1.1 氫氣供給系統(tǒng)

1.1.1 氫氣供給系統(tǒng)構(gòu)成

氫氣供給系統(tǒng)是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工作的燃料供給系統(tǒng)，車載氫氣供給系統(tǒng)需要具備高壓氫氣的存儲(chǔ)、充放和減壓功能。目前車規(guī)級(jí)的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶有35MPa和70MPa兩種，氫燃料電池電堆反應(yīng)時(shí)對(duì)氫氣的壓力要求一般是280kPa，所以需要專用的減壓閥進(jìn)行減壓。氫氣供給系統(tǒng)構(gòu)成零部件及其功用和監(jiān)測(cè)信號(hào)如表1所示。

1.1.2 氫氣供給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷分析

供氫系統(tǒng)控制器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控瓶口閥內(nèi)置的溫度壓力傳感器監(jiān)控儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)的氫氣溫度和壓力變化，并依據(jù)溫度和壓力計(jì)算出當(dāng)下儲(chǔ)氫系統(tǒng)剩余的氫氣量，于此同時(shí)控制器還通過(guò)氫氣濃度傳感器監(jiān)控氫氣泄漏量信號(hào)。供氫系統(tǒng)控制器軟件內(nèi)設(shè)置溫度和壓力以及氫氣泄漏量的閾值，并劃分幾個(gè)報(bào)警等級(jí)。最后將報(bào)警和相關(guān)信號(hào)同步到整車控制器，由整車控制器進(jìn)行下一步深度處理。

1.2 空氣供給系統(tǒng)

1.2.1 空氣供給系統(tǒng)構(gòu)成

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆電化學(xué)反應(yīng)需要?dú)錃夂脱鯕?，氫氣由車載的供氫系統(tǒng)提供。氧氣一般在航天領(lǐng)域使用，在車輛上應(yīng)用需要考慮成本和儲(chǔ)氧系統(tǒng)重量等因素，結(jié)合空氣成分中就含有約21%的氧氣，所以車輛上不使用純氧，而是直接使用空氣經(jīng)過(guò)空氣供給系統(tǒng)處理后提供。

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆電化學(xué)反應(yīng)除了對(duì)空氣的溫度、濕度、壓力、流量有要求以外，其催化劑對(duì)空氣成分也有較高要求，為避免催化劑中毒需要將空氣中的硫化物、氮氧化物等過(guò)濾掉?？諝夤┙o系統(tǒng)構(gòu)成零部件及其功用和監(jiān)測(cè)信號(hào)如表2所示。

1.2.2 空氣供給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷分析

空氣系統(tǒng)控制器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、空壓機(jī)溫度和電流電壓信號(hào)確定空壓機(jī)工作狀態(tài)。通過(guò)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和背壓閥開度的聯(lián)合控制進(jìn)去電堆參加反應(yīng)空氣的壓力和流量，通過(guò)流量傳感器監(jiān)測(cè)流量是否正常。

空氣系統(tǒng)控制器軟件內(nèi)設(shè)置溫度和壓力以及空氣流量的閾值，并劃分幾個(gè)報(bào)警等級(jí)。最后將報(bào)警和相關(guān)信號(hào)同步到整車控制器，由整車控制器進(jìn)行下一步深度處理。

1.3 冷卻系統(tǒng)

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱需要通過(guò)冷卻液帶走，冷卻系統(tǒng)主要有水泵、三通閥、去離子罐、電加熱器、散熱器風(fēng)扇總成、膨脹水箱等零件構(gòu)成，冷卻系統(tǒng)與空氣供給系統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段類似本文不再贅述。

2 當(dāng)前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段存在的問(wèn)題和改進(jìn)建議

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷存在的問(wèn)題主要是被動(dòng)的監(jiān)測(cè)電壓、電流、壓力、氫氣濃度等物理信號(hào)，這些信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)已經(jīng)有機(jī)械零部件故障。即當(dāng)前監(jiān)測(cè)方式未從機(jī)械結(jié)構(gòu)前期失效角度進(jìn)行信號(hào)監(jiān)控和針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的故障診斷。

2.1 空氣供給系統(tǒng)故障實(shí)例

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中空氣供給系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的信號(hào)是空氣流量、空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、空壓機(jī)電流、空壓機(jī)電壓、背壓閥開度、旁通閥開度、截止閥位置。

問(wèn)題發(fā)生時(shí)以上信號(hào)均在設(shè)計(jì)閾值范圍內(nèi)，但電堆因?yàn)榭諝夤?yīng)不足導(dǎo)致堵水單體電壓一致性出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)增大空氣流量的方式測(cè)試，故障有所減輕，故懷疑空氣供給系統(tǒng)發(fā)生泄漏。泄漏分為三種情況，具體如表3所示。

經(jīng)過(guò)逐一排除最終定位到加濕器內(nèi)部裂紋導(dǎo)致內(nèi)漏，故障圖片如圖3所示。

2.2 改進(jìn)建議

依靠當(dāng)前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的傳感器檢測(cè)的信號(hào)不能準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)械故障，包活裂紋和先期磨損等失效。

建議增加振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)正常氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件及整機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)采集和分析。通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析、時(shí)域分析和特征提取，最終實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)振動(dòng)識(shí)別出氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)中存在的故障，如加濕器內(nèi)部裂紋、空壓機(jī)軸承磨損、水泵葉片故障等。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)處于初級(jí)階段，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)不像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)那樣成熟。經(jīng)過(guò)2021年到2024年初這3年的示范應(yīng)用，終端市場(chǎng)上普遍暴露出來(lái)電堆的耐久問(wèn)題。因?yàn)殡姸褖勖鼏?wèn)題導(dǎo)致更換氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁（每臺(tái)車平均每年都要更換一次，有些使用工況惡劣更換時(shí)間則更短），機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題尚未被充分重視，進(jìn)而導(dǎo)致各氫能企業(yè)目前仍未關(guān)注機(jī)械結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題，投入的研發(fā)力量也較少。

隨著技術(shù)的不斷突破，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命將不斷提高，機(jī)械結(jié)構(gòu)失效將會(huì)越來(lái)越突出，通過(guò)振動(dòng)進(jìn)行故障診斷的方法將會(huì)被企業(yè)應(yīng)用。

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