基于小波包分解的新能源汽車電弧故障檢測(cè)方法

關(guān)鍵詞：小波包分解；新能源汽車；故障檢測(cè)；檢測(cè)方法

0 前言

調(diào)查顯示，電弧故障引發(fā)的新能源汽車火災(zāi)事故逐年增加。2022 年中國(guó)消防年鑒報(bào)道，2021 年我國(guó)發(fā)生汽車火災(zāi)事故的最重要原因是電弧故障，占比達(dá)到44%，其次是由燃料供應(yīng)系統(tǒng)引起的火災(zāi)事故，占比達(dá)到29.4%，而因機(jī)械短缺和廢氣系統(tǒng)短缺引發(fā)火災(zāi)事故的占比分別為14.6% 和5.6%，除此之外，還包括人為事故（占比3.8%）和自然火災(zāi)（占比1.2%）等。

新能源汽車安全報(bào)告顯示，2021 年我國(guó)電動(dòng)汽車協(xié)會(huì)發(fā)布了數(shù)百場(chǎng)新能源汽車安全事故報(bào)告。隨著新能源汽車產(chǎn)量和銷量的增加，自燃火災(zāi)事故數(shù)量迅速增加。以電弧故障為例，火災(zāi)發(fā)生的主要原因是新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行受到干擾，其次是電弧部件有缺陷，車輪的轉(zhuǎn)運(yùn)和注水時(shí)間較短，最后是由碰撞后自燃和鏈?zhǔn)竭B接產(chǎn)生的故障隱患。

基于以上分析，除了因操作失誤和新能源汽車質(zhì)量缺陷而引發(fā)火災(zāi)外，由電弧故障引起的故障區(qū)域?qū)е碌钠嚮馂?zāi)已成為一種嚴(yán)重的汽車安全隱患。在工業(yè)領(lǐng)域可控狀態(tài)下，電弧爐和電弧焊接等被廣泛使用。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鏈條在電弧爐或電弧焊接設(shè)備中關(guān)閉時(shí)，設(shè)備各部分結(jié)構(gòu)之間會(huì)存在接觸差異，如部分區(qū)域產(chǎn)生高溫、引發(fā)高光效應(yīng)和改變車輛的重心位置等。但是，在不受控制的狀態(tài)下，片材的清晰放電可能會(huì)對(duì)電弧設(shè)備造成損壞或?qū)е聡?yán)重的電弧事故，電動(dòng)汽車出現(xiàn)電弧故障的可能性增加。國(guó)際電力委員會(huì)發(fā)布了《電弧火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)要求》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并闡述了與故障帶相關(guān)的保護(hù)裝置，以便能夠快速可靠地切斷故障，推動(dòng)了新能源汽車三電技術(shù)的發(fā)展。

在新能源汽車的三電系統(tǒng)中，隨著電力和自動(dòng)化設(shè)備的增加、能源負(fù)擔(dān)的增加，以及車輛線路復(fù)雜性和電壓水平的提高（例如14 VDC/42 VDC 雙電壓系統(tǒng)），電弧故障給電壓不斷升級(jí)的新能源汽車電弧系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的威脅，因此提出基于小波包分解的新能源汽車電弧故障檢測(cè)方法。

1 基于小波包分解的新能源汽車電弧故障檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1. 1 電弧故障檢測(cè)特征量選取

為了選擇檢測(cè)新能源汽車電池系統(tǒng)電弧故障的特征量，首先收集了新能源汽車蓄電池系統(tǒng)發(fā)生電弧故障時(shí)的電流和電壓數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)的電流與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析［1］。本文建立了一個(gè)基于UL 1699B—2018《 光伏直流電弧故障保護(hù)電器》的試驗(yàn)平臺(tái)，收集了新能源汽車在不同充電狀態(tài)下的開關(guān)操作、運(yùn)行狀態(tài)、加速狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)，以及不同情況下的喇叭狀態(tài)，使用高低照明和轉(zhuǎn)向信號(hào)采集大量電流和電壓數(shù)據(jù)（包括電弧故障數(shù)據(jù)和正常運(yùn)行數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選擇5 ms。在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析的基礎(chǔ)上，選取了以下特征量：① 電源電壓變化速度，即發(fā)生電弧故障時(shí)電源電壓的突然變化；② 電流變化率，即電流信號(hào)在指定時(shí)間窗口內(nèi)的變化率；③ 電流能譜，當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，電流協(xié)調(diào)含量顯著增加；④ 光譜重心，可反映電弧故障照明能量光譜分布的平均點(diǎn)。

1. 2 特征量數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了保證故障檢測(cè)充分發(fā)揮作用，應(yīng)對(duì)選取的特征量進(jìn)行特征數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理包括數(shù)據(jù)的清理和規(guī)范化。新能源汽車容易受到環(huán)境、老化鏈、電池質(zhì)量等因素影響，在相同工作狀態(tài)下所收集的特性數(shù)據(jù)可能會(huì)存在很大差異。為了減少該影響，必須清理數(shù)據(jù)。清理數(shù)據(jù)時(shí)使用數(shù)據(jù)比較算法，壓縮鄰域規(guī)則算法用于處理噪聲濾波后的數(shù)據(jù)，同時(shí)確保數(shù)據(jù)的有效性和無(wú)失真性，搜索不尋常的數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行去除。鑒于所選參數(shù)的維度不同，數(shù)據(jù)大小順序?qū)l(fā)生變化。將處理數(shù)據(jù)歸一化到［0，1］的區(qū)間內(nèi)，歸一化映射如下：

新能源汽車電弧故障檢測(cè)流程如圖1 所示，其中λ 為電壓變化量。

步驟1：選取檢測(cè)特征量。為了滿足臨時(shí)功率需求而流經(jīng)線路的電流，即臨時(shí)功率電流與涂層線的自由振蕩頻率相關(guān)，涂層線的自由振蕩頻率通常為300～1 500 Hz。電纜線路的感應(yīng)比涂層線路的感應(yīng)小，其容量遠(yuǎn)高于涂層線路。因此，電纜容量的電流振蕩頻率較高，為1 500～3 000 Hz。根據(jù)奈奎斯特-香農(nóng)采樣理論，為了避免頻率分量的收集，并允許離散采樣點(diǎn)完全表示初始信號(hào)，采樣頻率必須是采樣信號(hào)頻帶寬度的2 倍以上。

步驟2：小波包分解。對(duì)母線零序電壓、各線路零序電流進(jìn)行5 層小波包分解。

步驟3：選擇功能頻段。選擇過(guò)渡變化最普遍的頻帶作為線路特定頻帶。這意味著可以對(duì)零序電壓進(jìn)行5 層小波包處理，得到32 個(gè)頻帶，計(jì)算每個(gè)頻帶中相鄰2 個(gè)小波包的分離系數(shù)之差的絕對(duì)值，選擇最大絕對(duì)值作為該頻帶的特征值，并比較每個(gè)頻帶的本值。選擇函數(shù)值最高的頻帶作為函數(shù)頻帶。

步驟4：分析零序電壓小波包分布系數(shù)與母線零序電壓的符號(hào)關(guān)系。在振動(dòng)中區(qū)分母線的零序電壓，并將模塊的最大點(diǎn)視為初始節(jié)點(diǎn)。選擇初始節(jié)點(diǎn)后，選擇9 個(gè)分離節(jié)點(diǎn)和零序節(jié)點(diǎn)的小波分離系數(shù)符號(hào)，以及母線的零序電壓。如果小波是分解因子ΔI 的符號(hào)，則小波的零序電壓與封裝的分解因子相反，將被臨時(shí)定義為故障線路。

步驟5：對(duì)線路零序電流小波包分解系數(shù)進(jìn)行比較。如果零序線的小波合成系數(shù)大于預(yù)先設(shè)定的閾值η，則為故障線路［4］。

模擬分析各種故障，得出η為0.5。該方法使用母線的零序電壓和線路的零序提取故障參數(shù)，并提供2 個(gè)故障準(zhǔn)則，即線路零序η小于0.5 時(shí)，則小波包分解單元系數(shù)與小波包分解系數(shù)符號(hào)相反，母線零序電壓系數(shù)為0，證明電弧沒有發(fā)生故障；如果零序線的小波合成系數(shù)大于先前的極限值，即η大于0.5，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)的小波包合成系數(shù)的零序線的絕對(duì)值為1，則被判定為電弧故障。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2. 1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

由于新能源汽車電弧故障測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)尚未公布，故本文主要參考新能源汽車內(nèi)部電弧結(jié)構(gòu)和美國(guó)建立的電弧故障模擬試驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。為了驗(yàn)證車輛電弧中當(dāng)前交通信號(hào)和電壓信號(hào)是否存在故障，經(jīng)過(guò)濾波、加固和校正后，對(duì)不同負(fù)載和復(fù)合負(fù)載下的故障電壓和故障參數(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)車輛進(jìn)行電弧故障檢測(cè)。

試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)為電弧裝置提供12～42 V 的可調(diào)電源，每種狀態(tài)有3 種類型：串聯(lián)負(fù)載、混合并聯(lián)負(fù)載和突然負(fù)載。試驗(yàn)過(guò)程分為2 種方式：正常操作和故障操作。利用信號(hào)收集器以可校正的采樣頻率來(lái)收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。批處理加載的類型較少，但混合加載量很大。實(shí)際負(fù)荷突變包括線路碳化等復(fù)雜故障。在60～110 kHz 頻帶內(nèi)，故障信號(hào)頻譜幅值大于正常信號(hào)值，這可以成為汽車直流電弧系統(tǒng)中電弧故障的特定頻帶。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電流高頻轉(zhuǎn)換器PA3655NL（50～500 kHz）用于采集高頻電流分量，獲得電流信號(hào)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)方案對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波。根據(jù)電弧故障，將電弧故障方案的電流作為比較參數(shù)。車輛負(fù)載的固有頻率主要由攜帶較大能量和低頻噪聲的負(fù)載劃分，僅用電能譜很難識(shí)別復(fù)雜的電弧故障，而電弧故障鏈的能量低于正常情況的鏈能量，因此能量關(guān)系可以被視為確定故障前后電弧故障的特征量。

2. 2 對(duì)比試驗(yàn)

采用本研究設(shè)計(jì)的基于小波包分解的檢測(cè)方法與2 種傳統(tǒng)方法對(duì)新能源汽車電弧故障進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比結(jié)果見表1。其中，傳統(tǒng)方法1 為基于改進(jìn)Mobilenet 網(wǎng)絡(luò)的汽車串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法，傳統(tǒng)方法2 為基于頻域Cassie 電弧仿真模型的汽車電弧故障檢測(cè)方法。由表1 可知，采用傳統(tǒng)方法檢測(cè)到的故障數(shù)量與實(shí)際值差異較大，應(yīng)用本文方法后，檢測(cè)得到的故障數(shù)量與實(shí)際故障數(shù)量一致，檢測(cè)結(jié)果較傳統(tǒng)方法更準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

為了準(zhǔn)確識(shí)別和區(qū)分新能源汽車的電弧故障，對(duì)電弧故障檢測(cè)方法進(jìn)行了分析和研究。電弧故障是造成新能源汽車發(fā)生火災(zāi)的最重要因素，當(dāng)自燃事故發(fā)生在正常期內(nèi)，電弧故障范圍的特性曲線大致為直線，并有串聯(lián)負(fù)載等特征；當(dāng)自燃事故發(fā)生在故障期內(nèi)，故障范圍不具有阻力特性。本文建立電弧故障模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了電弧故障識(shí)別方法。利用小波包提取技術(shù)恢復(fù)和避免了故障的發(fā)生。在檢測(cè)周期中，可以準(zhǔn)確檢測(cè)到零序線的小波合成系數(shù)是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，繼而對(duì)電弧故障發(fā)生前后的能量比進(jìn)行分析，并且可以通過(guò)故障帶將其有效地識(shí)別出來(lái)，避免了故障的發(fā)生。這為快速可靠地避免電弧部件出現(xiàn)故障提供了必要條件，從域、頻域和時(shí)頻域3 個(gè)維度分析了電弧故障檢測(cè)方法，有效地提高了供電系統(tǒng)的安全性，確保了汽車電弧系統(tǒng)的安全運(yùn)行。