基于實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景下燃料電池堆振動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法

關(guān)鍵詞：燃料電池堆，使用場(chǎng)景，振動(dòng)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.013.039

0 引言

目前燃料電池汽車在市場(chǎng)上商用車的占比較高，其復(fù)雜的運(yùn)行路況對(duì)燃料電池堆的性能影響較為明顯，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)也會(huì)對(duì)使燃料電池堆性能衰減，也會(huì)使其氣密性產(chǎn)生變化，所以對(duì)燃料電池堆的振動(dòng)[1-3]考核就更為重要。而現(xiàn)階段并沒(méi)有針對(duì)燃料電池汽車關(guān)鍵部件的振動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法，很多企業(yè)都參考動(dòng)力電池的臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試方法[4-5]進(jìn)行，由于不符合結(jié)構(gòu)特征等差異導(dǎo)致該方法無(wú)法準(zhǔn)確的評(píng)估燃料電池堆的振動(dòng)情況，因此研究燃料電池堆的臺(tái)架振動(dòng)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法具有十分重要意義[6]。

目前大多數(shù)堆燃料電池電堆的臺(tái)架振動(dòng)研究主要從振動(dòng)后的性能、耐久、效率和氫安全角度，分析不同的振動(dòng)沖擊和振動(dòng)加載等對(duì)其的影響。但是，針對(duì)如何從實(shí)際用戶使用場(chǎng)景進(jìn)行轉(zhuǎn)化燃料電池堆臺(tái)架振動(dòng)[7-8]試驗(yàn)較少研究。

以某燃料電池物流車為研究對(duì)象，通過(guò)其社會(huì)路面的載荷譜采集測(cè)試，基于結(jié)構(gòu)連接件的損傷情況進(jìn)行分析，最終轉(zhuǎn)化出燃料電池堆的臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試方法。

1 載荷譜采集及預(yù)處理

1.1 燃料電池汽車實(shí)際道路采集

燃料電池汽車的載荷譜采集需要安裝在燃料電池堆與整車的連接位置處，采集不同路面特征下對(duì)燃料電池堆的受力大小、變形程度、相對(duì)位移以及沖擊加速度等影響。實(shí)車采集的路線主要根據(jù)物流車的應(yīng)用路線進(jìn)行道路載荷譜的采集。燃料電池堆的采集位置為燃料電池堆與車輛連接點(diǎn)處燃料電池堆安裝點(diǎn)的位置，包括前后左右共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)包含x、y、z 三個(gè)方向的加速度信號(hào)，共計(jì)12通道。

1.2 燃料電池汽車載荷譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用商業(yè)化的軟件ncode對(duì)載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，首先需將所有不明確和不清晰的數(shù)據(jù)去除，僅保留明確、清晰的數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析，并忽略不完整的循環(huán)和無(wú)用文件。對(duì)每一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間歷程曲線進(jìn)行有效性確認(rèn)，包括漂移、補(bǔ)償、毛刺和噪聲。通常會(huì)經(jīng)過(guò)毛刺信號(hào)檢查，把由于電磁干擾或者外撞沖擊的信號(hào)剔除。然后進(jìn)行去除趨勢(shì)項(xiàng)處理，將采集的信號(hào)偏離基線的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除。最后再通過(guò)濾波處理掉高頻的成分，減少采集過(guò)程中噪聲的影響。

2 燃料電池堆的臺(tái)架振動(dòng)規(guī)范的制定

2.1 燃料電池堆臺(tái)架振動(dòng)規(guī)范的制定流程

經(jīng)過(guò)路譜數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理后，首先進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，然后外推全生命周期的數(shù)據(jù)分布狀態(tài)，再進(jìn)行疲勞損傷譜與沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算，制定合理的臺(tái)架加速功率密度譜的計(jì)算，最后進(jìn)行加速功率密度譜的檢驗(yàn)。其中處理過(guò)程中需要使用Ncode軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其原理如下：首先通過(guò)雨流計(jì)算出燃料電池堆在不同的社會(huì)路面下不同載荷參量值和出現(xiàn)的頻次，然后通過(guò)有限的載荷樣本數(shù)據(jù)獲取全生命周期燃料電池堆目標(biāo)載荷。采用非參數(shù)二維核密度估計(jì)法對(duì)用戶道路實(shí)測(cè)載荷譜的雨流矩陣展開(kāi)外推，建立該全生命周期載荷譜。最后，利用軟件對(duì)全生命周期載荷譜進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化出臺(tái)架的功率密度譜。

2.2 燃料電池堆偽損傷值的計(jì)算

偽損傷是載荷譜等效計(jì)算中的重要參考數(shù)值，可以反映不同幅值、不同道路下的載荷譜數(shù)據(jù)給燃料電池堆造成的疲勞損傷程度。通過(guò)對(duì)燃料電池堆在不同路面的偽損傷值進(jìn)行對(duì)比和分析，以燃料電池物流車在運(yùn)行各道路載荷譜的Z向加速度為例，各通道偽損傷值的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.3 燃料電池堆振動(dòng)測(cè)試方法的應(yīng)用

基于實(shí)際的物流車的使用場(chǎng)景，采集了52 km社會(huì)路面使用路線的載荷譜，循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，一共累計(jì)采集了1500 km，實(shí)際的采集車速如圖1所示。通過(guò)已采集的載荷譜的數(shù)據(jù)利用雨流計(jì)數(shù)外推的方法外推至80萬(wàn)公里的損傷值。

通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，燃料電池堆的不同位置的損傷值如圖2所示，X、Y、Z 三個(gè)方向在頻率為10 Hz的時(shí)候都表現(xiàn)出較高的損傷值，隨著頻率的增加，損傷值也逐漸降低，在高頻率下產(chǎn)生的損傷值較低，高頻出現(xiàn)的次數(shù)也較低。

經(jīng)過(guò)雨流外推，將物流車的全生命周期假設(shè)為800，000 km后的疲勞損傷譜，如圖3所示，三個(gè)方向下X、Y、Z 三個(gè)方向的疲勞損傷值得到加強(qiáng)，該數(shù)據(jù)覆蓋高里程損傷分布以及全工況數(shù)據(jù)分布。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理，形成基于燃料電池物流車的電堆21小時(shí)的臺(tái)架振動(dòng)方案，如表2 所示，分別選取1、2、5、10、12、20、42、50Hz頻率下進(jìn)行強(qiáng)化，整體上在Z方向的RMS值最大為0.12 g。

3 結(jié)語(yǔ)

緊密圍繞燃料電池物流車用燃料電池堆進(jìn)行傳感器的安裝測(cè)試，分別依據(jù)用戶使用場(chǎng)景對(duì)其開(kāi)展了全通道道路載荷數(shù)據(jù)采集，獲得了燃料電池堆密切貼合實(shí)際使用場(chǎng)景和工況的道路載荷譜數(shù)據(jù)樣本。提出一種燃料電池物流車的燃料電池堆的振動(dòng)測(cè)試方案，經(jīng)過(guò)社會(huì)路面的載荷數(shù)據(jù)的采集和對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)全生命周期的雨流計(jì)數(shù)外推，建立了臺(tái)架21 h的振動(dòng)測(cè)試方案，對(duì)物流車用燃料電池堆測(cè)試驗(yàn)證有一定的意義。

作者簡(jiǎn)介

吳迪，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎嚋y(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）