一種FCV車輛氫罐總成的耐久性開發及評價方法

李 智，程若愚，徐茂青，長岡宏

(一汽豐田汽車有限公司技術研發分公司 天津 300450)

1 新能源車輛發展現狀及耐久性評價

進入 21世紀以來，為了響應節能減排的號召，各大汽車品牌逐漸增加新能源車輛的研發與生產，新能源車輛的市場份額逐年遞增。自 2015年以來，中國新能源汽車市場持續位居首位，市場規模占比超過60%(圖 1)，國務院辦公廳于 2020年 10月印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》更是進一步刺激了新能源汽車的加速發展。

圖1 中國新能源汽車銷量及全球占比Fig.1 Sales volume of new energy vehicles in China and global market

現在市場上主流的新能源汽車包含純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車(FCV)等類型，其中 FCV車輛由于具有能源清潔、能源轉換高效、加氫便捷等優勢，有著巨大的應用前景。有別于傳統電動車，FCV從構造上增加了儲存氫氣的氫罐，作為質量較大、安全系數要求較高的零部件，其結構安全性與使用耐久性也成為開發及評價的重中之重。

國內目前針對電池包的耐久性能評價和開發經驗相對成熟，但涉及到 FCV車輛專有的氫罐總成的耐久性確認評價方法目前并無較為成熟的評價體系，針對搭載的氫罐的支架結構、受力情況和對車架的整體耐久性影響等方面需要進行確認。本文介紹一汽豐田開發的一款為 2022年北京冬奧會服務的FCV，并分析該車輛氫罐總成的耐久性開發及評價方法。

2 耐久性開發

2.1 開發流程簡介

為了縮短開發周期和節約開發成本，目前車輛開發主流已經由“設計立案—試制車試驗驗證—優化設計方案—再次試制車試驗驗證—優化設計方案”的低效率循環轉變為“設計立案—模型仿真分析—優化設計方案—試制車試驗驗證”的低成本高效化開發模式。基于目標用戶及使用環境需求創建整車 CAE模型[1-2]，并通過仿真優化各支架結構及搭載方案得到較為合理的整車結構，然后進行試驗車的試制并進行實車評價確認，通過評價試驗驗證性能滿足開發目標即可著手準備車輛的批量化生產準備。

2.2 CAE仿真分析

氫罐總成作為FCV車輛動力總成的重要組成部分，針對搭載位置(圖 2)、支架結構等進行多次機上檢查完成合理化設計后需要模擬用戶使用工況制定載荷條件并進行仿真分析，以確認整體結構中應力較大的區域(圖 3)，并判斷目前結構能否滿足耐久性能的開發目標并進行必要調整，最終完成整車搭載結構的設計定型。

圖2 檢查氫罐搭載位置(例)Fig.2 Loading position of hydrogen tank design review(e.g.)

圖3 分析搭載支架應力最大位置(例)Fig.3 Analysis of maximum stress position in mounting bracket(e.g.)

通過整車模型的仿真分析后按照整車數據模型結構方案著手準備試制試驗車輛，并記錄氫罐總成在當前搭載結構下應力最大的區域位置及數據作為評價試驗項目的輸入條件。

2.3 設定評價內容及日程

根據本次車輛開發的重點關注內容設定各項需要實際評價確認性能的試驗項目，針對氫罐總成的耐久性能開發，并結合設計的結構、氫罐總成質量等輸入數據，梳理需要采集實際道路跑行中的各安裝支架最大應力、最大加速度、車架安裝點位振動頻率等參數信息，通過整車及總成臺上耐久試驗的方法來判斷車輛實際使用中氫罐總成的耐久性能，以完成各項前期檢討確認后按照設定好的評價日程逐步實施各開發階段的各項評價試驗。

3 耐久性評價方法

3.1 壞路路譜采集

通過 CAE仿真分析，對氫罐總成支架各位置受力情況有了一個基本的了解，但為了得到車輛使用中的真實數據，還需要在國家法規要求的試驗場進行壞路路譜跑行，從而確認車輛實際使用中氫罐總成的狀態。在其總成支架粘貼三軸加速度傳感器、各應力較大位置粘貼應變片(圖 4)，以采集車輛在國標試驗場壞路各不同路況下跑行時的各項數據。

圖4 氫罐總成加速度傳感器及應變片粘貼位置(例)Fig.4 Stick position of accelerate sensor and strain gauge for tank assembly(e.g.)

分析氫罐總成的共振頻率以及最大加速度、應力最大值，從而判斷在各不同路況下車輛及零部件的耐久性能及安全率是否滿足開發要求(表 1)，同時整理采集壞路跑行的路譜數據作為耐久試驗輸入條件。

表1 氫罐總成應變采集及壽命推定一覽表(例)Tab.1 List of strain collection and life estimation of hydrogen tank assembly(e.g.)

3.2 整車耐久試驗

3.2.1 整車臺上耐久試驗概述

整車耐久試驗基本可以歸結為實車道路跑行和整車臺上耐久試驗 2種類型。實車道路跑行作為以往較為常用的試驗類型，具有數據真實準確，真實反映車輛實際壽命的優點。但是由于評價周期過長、場地租用等成本過高，且車輛底盤結構變更不大時采集到的數據與前代開發車輛變化量較小等原因，逐漸被整車臺上耐久試驗替代。使用四通道輪耦合設備進行整車臺上耐久試驗具有無需駕駛員、可以 24h持續進行、試驗中各通道數據實時監控、利用設備設置安全限制等優點(圖 5)，在車輛的開發前期經常作為優先使用手段，可以大幅縮短開發時間并節約成本，有著廣泛的應用基礎[3]。

圖5 四通道輪耦合設備迭代擬合實車道路跑行工況(例)Fig.5 Iterative fitting of real vehicle road running conditions by four channel wheel coupling equipment(e.g.)

3.2.2 整車臺上耐久評價方法

根據車輛的開發目標設定跑行里程及點檢頻率，設置各通道安全限值并進行設備動力源檢查，完成車輛試驗前的扭矩值校準、傳感器線束固定等各項試驗前準備及安全確認后(圖 6)即可開始壞路跑行路譜擬合的迭代工作。通過迭代中實時讀取的傳感器及應變片數據對比輸入的壞路跑行路譜，多次迭代擬合至各通道輸入數據，與臺上試驗數據偏差量低于 5%后即可按照當先擬合工況進行耐久試驗的跑行。

圖6 整車臺上耐久試驗示意圖(例)Fig.6 Schematic of vehicle bench durability test(e.g.)

定期對設備各運動機構及試驗車各項數據進行確認，以確保整個跑行過程中無人為因素影響干預試驗的穩定性與準確性。按照試驗前預設的跑行里程對氫罐總成搭載支架等重要零部件進行螺栓扭矩確認及裂紋點檢，并在試驗全部完成后對整車進行拆解，對內部各個搭載支架、零部件進行裂紋點檢，以確保整車及各零部件耐久性能滿足開發目標。對于在開發階段試驗中出現的裂紋及性能不足的結構，需要及時與設計及關聯人員共同確認，檢討變更合理的結構或材料，進行優化后再次進行評價確認，以確保最終量產前結構性能達到開發要求的目標，保證用戶的正常、安全使用。

3.3 氫罐總成臺架耐久試驗

雖然通過整車耐久試驗的評價已經可以把握車輛使用中不同路況下的跑行狀態及耐久性能，但為了確保重點零部件在車輛跑行中出現共振總成加速度及位移量大幅提升時仍然具備相當的耐久性能，就需要對零部件總成進行臺上的耐久試驗，以驗證其共振期間耐久性能滿足開發要求。

六自由度振動耐久試驗機作為目前應用較為廣泛的零部件總成、單品級別的耐久性能確認設備，由于其精確的工況模擬能力和極高的安全系數，目前廣泛應用于車輛開發中各零部件共振頻率下耐久性能、NVH性能的評價中。本次氫罐總成的開發同樣使用了這一設備對其共振點耐久性能進行試驗評價。

將氫罐總成及其搭載車架的半車身結構固定于六自由度振動耐久試驗臺設備上(圖 7)，通過對氫罐總成法規壞路跑行時采集到的加速度數據進行六自由度的峰值篩選，并通過頻譜掃頻確認氫罐總成在前后、上下、左右方向上的共振點頻率及最大加速度，利用開發目標等效壽命計算出在共振頻率下的期望壽命里程數(表 2)，作為試驗條件輸入以完成氫罐總成的臺架耐久試驗。在實施過程中實時監控各通道的加速度和應變數據[4]，確保在試驗過程中全程監控重點評價部位的試驗條件準確、設備狀態穩定。

圖7 氫罐總成臺上耐久試驗示意圖(例)Fig.7 Schematic of bench durability test of hydrogen tank assembly(e.g.)

表2 氫罐總成各方向共振點最大加速度(例)Tab.2 Maximum acceleration of resonance point in each direction of hydrogen tank assembly(e.g.)

完成試驗后同樣需要對氫罐總成及安裝部位進行螺栓扭矩及裂紋點檢(圖 8)，確認耐久性能滿足開發要求。至此，本次氫罐總成的耐久性能開發得以完成最終確認，從而確保車輛上市后在各種路況下、不同的使用環境中均能正常跑行，滿足使用需求。

圖8 扭矩及裂紋點檢示意圖(例)Fig.8 Schematic of torque and crack spot inspection(e.g.)

表3 耐久試驗結果Tab.3 Durability test results

4 結 論

本次氫罐總成開發采用的“模型仿真分析、路譜采集、整車及總成耐久試驗”的耐久性開發流程，切實縮短了開發周期、節約了開發費用，為未來新搭載總成及新設計結構的耐久性開發及性能驗證提供了行之有效的思路。目前全球汽車市場新能源車輛的占比逐年上升，相比較于傳統燃油車，大量的三電系統、智能化設備等新型總成、零部件需要添加在車輛上，低成本高效率的開發流程與評價手段勢必提高開發車輛的效率，從而制造出優質車輛造福人民。