CN111765102B - 一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统，包括：控制器、高速电机和压气机，控制器具有电压转换电路、采样电路、主控制芯片以及故障诊断模块，采样电路包括电源电压采样电路、电机相电流采样电路、母线电压采样电路，主控制芯片具有一ADC采样模块，电压转换电路、采样电路与ADC采样模块连接，故障诊断模块与主控制芯片连接，故障诊断模块根据故障的触发时机和重要程度，将故障分类为预警故障、一类故障、二类故障和三类故障。本发明能够对燃料电池系统用空压机进行全面的状态监控及保护，能够根据工作状态做出降额、预警或者停机处理，提高了状态监测的准确性和全面性，进一步提高了整个燃料电池系统的稳定性和安全性。

Description

一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统
技术领域
本发明涉及压缩机技术和永磁同步电机控制技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统。
背景技术
在燃料能源紧张、污染加剧的背景压力下，全球都在积极推进节能减排、发展新能源，燃料电池汽车以零污染、可再生、续航足的优势，逐渐成为新能源汽车的一个重要发展方向。燃料电池系统中的氧气供给系统具有重要作用，可靠、稳定、高效的氧气供给可以使得燃料电池系统充分发挥性能，提高整体能源利用效率，而氧气供给系统的主要部分就是空压机控制系统，也属于燃料电池系统中的关键技术。
常规变频器可以驱动电机转速在10000 rpm/min以内，转速较低，并且故障诊断机制不完全适应燃料电池空压机控制系统，只具备常规的电源电压和电机异常情况处理机制，因此常规变频器无法直接应用到燃料电池空压机控制系统中。
通常燃料电池用空压机的电机转速会在60000 rpm/min以上，控制器内部结构复杂，配置的传感器多，空压机控制系统具有电源高压、控制器高频、电机高转速、传感器多等特点，一套齐备、可靠的故障诊断及保护系统显得尤为重要。
一套具有实时监控、功能全面的故障诊断及保护系统，需要覆盖系统的所有关键部件，并且包含振动、温度、流量、压力等各个状态信息，从而为汽车总控系统提供全面而准确的信息，保证整车系统稳定运行。
发明内容
本发明提供一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统，用以对燃料电池系统用空压机进行全面的状态监控及保护。
为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统，其包括：控制器、高速电机和压气机，高速电机和压气机均与控制器连接，高速电机为永磁同步电机且转速高于100000 rpm/min，一直流电源与控制器高压直流连接，控制器与高速电机、压气机之间的连接为高压交流连接、弱电信号连接和水路管道连接，压气机与外部之间的连接为气路连接，控制器的输出频率高于2000Hz，控制器用于对数据进行解析和判断，实时监测空压机的运行状态，其中：
控制器具有电压转换电路、采样电路、主控制芯片以及故障诊断模块，采样电路包括电源电压采样电路、电机相电流采样电路、母线电压采样电路，主控制芯片具有一ADC采样模块，电压转换电路、采样电路与ADC采样模块连接，故障诊断模块与主控制芯片连接，电机相电流采样电路用于采集高速电机的相电流，电源电压采样电路用于采集直流电源的电压，控制器依据永磁同步电机的数学模型，采用滑模观测器算法推导出电机转子位置和电机速度，
高速电机的冷却水进水口处、冷却水出水口处分别安装一温度传感器，以分别采集冷却水进水温度和冷却水出水温度，冷却水进水口处进一步安装一液体流量计，以采集冷却水进水流量，高速电机内部定子绕组的相线和中性点处分别安装一温度传感器，以分别采集定子绕组相线温度和定子绕组中性点温度，高速电机的壳体前端和壳体中部位置分别安装一振动传感器，以分别采集壳体前端振动量和壳体中部振动量，
压气机包括叶轮和蜗壳，压气机的进气口、出气口分别安装一温度传感器、一压力传感器以及一气体流量计，以采集进气口空气温度、进气口空气压力、进气口空气流量、出气口空气温度、出气口空气压力以及出气口空气流量，
电压转换电路接收以下物理量的模拟电压信号并将其转换为0～3.3V之间的数字信号后发送至ADC采样模块：冷却水进水温度、冷却水出水温度、冷却水进水流量、定子绕组相线温度、定子绕组中性点温度、壳体前端振动量、壳体中部振动量、进气口空气温度、进气口空气压力、进气口空气流量、出气口空气温度、出气口空气压力以及出气口空气流量，
故障诊断模块根据控制器汇总的数据判断是否发生故障，根据故障的触发时机和重要程度，将故障分类为预警故障、一类故障、二类故障和三类故障，其中：
对于预警故障，采用基于数学模型的诊断方法，对物理量的数值进行实时监控，当物理量的数值超过预设的阈值时，故障诊断模块输出相应的预警故障信号，预警故障包含位置信号趋势错误预警、速度信号趋势错误预警以及电机控制输出量超限预警；
一类故障为无损故障，故障诊断模块采用硬件检测和软件检测并行的方式诊断一类故障，故障诊断模块诊断出一类故障后能够及时采取处理措施后，使得一类故障对控制器不造成损坏，一类故障包含：电机缺相、电机过流、母线欠压以及母线过压；
二类故障存在对控制器造成损害的几率，故障诊断模块对二类故障进行处理后，控制器能够继续正常运行，二类故障为功率模块开路故障；
三类故障为有损且不易控制的故障，三类故障能够对控制器造成重大损坏且不易修复，需要更换部件，三类故障包括整流桥烧毁、母线电容损坏、硬件电路内部短路以及功率模块短路。
在本发明的一实施例中，高速电机内部定子绕组的相线和中性点处安装的温度传感器为NTC传感器。
本发明提供的燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统能够对燃料电池系统用空压机进行全面的状态监控及保护，能够根据工作状态做出降额、预警或者停机处理，提高了状态监测的准确性和全面性，切实保障燃料电池空压机的运行安全，进一步提高了整个燃料电池系统的稳定性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统的框图及线路连接示意图。
图2为本发明中高速电机和压气机结构图及传感器安装位置图。
图3为本发明控制器接收物理量的示意图。
图4为本发明中电源电压采样电路的电路图。
图5为本发明中电机相电流采样电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统的框图及线路连接示意图，图2为本发明中高速电机和压气机结构图及传感器安装位置图，图3为本发明控制器接收物理量的示意图，图4为本发明中电源电压采样电路的电路图，图5为本发明中电机相电流采样电路的电路图。如图1-图5所示，本发明提供的燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统，其包括：控制器、高速电机和压气机，高速电机和压气机均与控制器连接，高速电机为永磁同步电机且转速高于100000 rpm/min，一直流电源与控制器高压直流连接，如图1所示，控制器与高速电机、压气机之间的连接为高压交流连接（强电线路）、弱电信号连接（弱电线路）和水路管道连接，压气机与外部之间的连接为气路连接，控制器的输出频率高于2000Hz，控制器用于对数据进行解析和判断，实时监测空压机的运行状态，其中：
控制器具有电压转换电路、采样电路、主控制芯片以及故障诊断模块，采样电路包括电源电压采样电路、电机相电流采样电路、母线电压采样电路，主控制芯片具有一ADC采样模块，电压转换电路、采样电路与ADC采样模块连接，故障诊断模块与主控制芯片连接，电机相电流采样电路用于采集高速电机的相电流，电源电压采样电路用于采集直流电源的电压，控制器依据永磁同步电机的数学模型，采用滑模观测器算法推导出电机转子位置和电机速度，本发明应用的永磁同步电机的数学模型、滑模观测器算法均为现有技术，在此不再赘述。
图2为本发明中高速电机和压气机结构图及传感器安装位置图，如图2所示，高速电机的冷却水进水口处、冷却水出水口处分别安装一温度传感器5/6，以分别采集冷却水进水温度和冷却水出水温度，冷却水进水口处进一步安装一液体流量计7，以采集冷却水进水流量，高速电机内部定子绕组的相线和中性点处分别安装一温度传感器8/9，以分别采集定子绕组相线温度和定子绕组中性点温度，高速电机的壳体前端和壳体中部位置分别安装一振动传感器10/11，以分别采集壳体前端振动量和壳体中部振动量，
压气机包括叶轮和蜗壳，压气机的进气口、出气口分别安装一温度传感器12/13、一压力传感器以14/15及一气体流量计16，以采集进气口空气温度、进气口空气压力、进气口空气流量、出气口空气温度、出气口空气压力以及出气口空气流量，
高速电机和压气机中采用的是通用的温度、压力、振动和流量传感器类产品。
电压转换电路接收以下物理量的模拟电压信号并将其转换为0～3.3V之间的数字信号后发送至ADC采样模块：冷却水进水温度、冷却水出水温度、冷却水进水流量、定子绕组相线温度、定子绕组中性点温度、壳体前端振动量、壳体中部振动量、进气口空气温度、进气口空气压力、进气口空气流量、出气口空气温度、出气口空气压力以及出气口空气流量，图2仅示出了电压转换电路接收的部分物理量。
故障诊断模块根据控制器汇总的数据判断是否发生故障，根据故障的触发时机和重要程度，将故障分类为预警故障、一类故障、二类故障和三类故障，其中：
对于预警故障，采用基于数学模型的诊断方法，对物理量的数值进行实时监控，当物理量的数值超过预设的阈值时，故障诊断模块输出相应的预警故障信号，预警故障包含位置信号趋势错误预警、速度信号趋势错误预警以及电机控制输出量超限预警；
一类故障为无损故障，故障诊断模块采用硬件检测和软件检测并行的方式诊断一类故障，故障诊断模块诊断出一类故障后能够及时采取处理措施后，使得一类故障对控制器不造成损坏，一类故障包含：电机缺相、电机过流、母线欠压以及母线过压；
二类故障存在对控制器造成损害的几率，故障诊断模块对二类故障进行处理后，控制器能够继续正常运行，二类故障为功率模块开路故障；
三类故障为有损且不易控制的故障，三类故障能够对控制器造成重大损坏且不易修复，需要更换部件，三类故障包括整流桥烧毁、母线电容损坏、硬件电路内部短路以及功率模块短路。
控制器对外围状态信息进行解析和判断，确认当前空压机运行的状态，通过全面、实时的信息反馈，针对异常情况而做出降额、预警或者停机等措施，形成完备的故障诊断及保护机制。
本实施例中，高速电机内部定子绕组的相线和中性点处安装的温度传感器为NTC传感器。
本发明提供的燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统能够对燃料电池系统用空压机进行全面的状态监控及保护，能够根据工作状态做出降额、预警或者停机处理，提高了状态监测的准确性和全面性，切实保障燃料电池空压机的运行安全，进一步提高了整个燃料电池系统的稳定性和安全性。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统，其特征在于，包括：控制器、高速电机和压气机，高速电机和压气机均与控制器连接，高速电机为永磁同步电机且转速高于100000 rpm/min，一直流电源与控制器高压直流连接，控制器与高速电机、压气机之间的连接为高压交流连接、弱电信号连接和水路管道连接，压气机与外部之间的连接为气路连接，控制器的输出频率高于2000Hz，控制器用于对数据进行解析和判断，实时监测空压机的运行状态，其中：
控制器具有电压转换电路、采样电路、主控制芯片以及故障诊断模块，采样电路包括电源电压采样电路、电机相电流采样电路、母线电压采样电路，主控制芯片具有一ADC采样模块，电压转换电路、采样电路与ADC采样模块连接，故障诊断模块与主控制芯片连接，电机相电流采样电路用于采集高速电机的相电流，电源电压采样电路用于采集直流电源的电压，控制器依据永磁同步电机的数学模型，采用滑模观测器算法推导出电机转子位置和电机速度，
高速电机的冷却水进水口处、冷却水出水口处分别安装一温度传感器，以分别采集冷却水进水温度和冷却水出水温度，冷却水进水口处进一步安装一液体流量计，以采集冷却水进水流量，高速电机内部定子绕组的相线和中性点处分别安装一温度传感器，以分别采集定子绕组相线温度和定子绕组中性点温度，高速电机的壳体前端和壳体中部位置分别安装一振动传感器，以分别采集壳体前端振动量和壳体中部振动量，
压气机包括叶轮和蜗壳，压气机的进气口、出气口分别安装一温度传感器、一压力传感器以及一气体流量计，以采集进气口空气温度、进气口空气压力、进气口空气流量、出气口空气温度、出气口空气压力以及出气口空气流量，
电压转换电路接收以下物理量的模拟电压信号并将其转换为0～3.3V之间的数字信号后发送至ADC采样模块：冷却水进水温度、冷却水出水温度、冷却水进水流量、定子绕组相线温度、定子绕组中性点温度、壳体前端振动量、壳体中部振动量、进气口空气温度、进气口空气压力、进气口空气流量、出气口空气温度、出气口空气压力以及出气口空气流量，
故障诊断模块根据控制器汇总的数据判断是否发生故障，根据故障的触发时机和重要程度，将故障分类为预警故障、一类故障、二类故障和三类故障，其中：
对于预警故障，采用基于数学模型的诊断方法，对物理量的数值进行实时监控，当物理量的数值超过预设的阈值时，故障诊断模块输出相应的预警故障信号，预警故障包含位置信号趋势错误预警、速度信号趋势错误预警以及电机控制输出量超限预警；
一类故障为无损故障，故障诊断模块采用硬件检测和软件检测并行的方式诊断一类故障，故障诊断模块诊断出一类故障后能够及时采取处理措施后，使得一类故障对控制器不造成损坏，一类故障包含：电机缺相、电机过流、母线欠压以及母线过压；
二类故障存在对控制器造成损害的几率，故障诊断模块对二类故障进行处理后，控制器能够继续正常运行，二类故障为功率模块开路故障；
三类故障为有损且不易控制的故障，三类故障能够对控制器造成重大损坏且不易修复，需要更换部件，三类故障包括整流桥烧毁、母线电容损坏、硬件电路内部短路以及功率模块短路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统用空压机的故障诊断及保护系统，其特征在于，高速电机内部定子绕组的相线和中性点处安装的温度传感器为NTC传感器。
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