基于道路模擬實驗的PEMFC機械振動特性

李玉坷，何云堂，郝 冬，侯永平

(1. 同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804； 2. 中國汽車技術研究中心，天津 300300)

基于道路模擬實驗的PEMFC機械振動特性

李玉坷1，何云堂2，郝 冬1，侯永平1

(1. 同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804； 2. 中國汽車技術研究中心，天津 300300)

對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)進行250 h強化道路振動耐久實驗，分別在振動0 h、78 h、150 h和250 h后采集PEMFC的響應信號數(shù)據(jù)，進行時域和頻域分析。在時域內(nèi)，分析PEMFC的加速度響應信號均方值隨時間的變化規(guī)律；在頻域內(nèi)，研究PEMFC加速度響應的特征頻率及對應的幅值與振動時間的關系。振動250 h后，PEMFC加速度響應的均方值有增大趨勢，加速度響應信號的特征頻率未發(fā)生改變，但特征頻率對應的幅值有略微波動。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)； 耐久實驗； 時域； 頻域

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是電動車的理想候選電源之一[1]。電動汽車在行駛過程中，不可避免地會受到路面的各種振動與沖擊[2]，進而導致電池的性能衰減。在目前已經(jīng)公開發(fā)表的文獻中，關于燃料電池振動耐久性的研究較少。M.C.Bétournay等[3]將小型燃料電池連接到礦用裝載機的底盤上，在礦井中經(jīng)受49 h的振動和沖擊，發(fā)現(xiàn)該小型電堆在經(jīng)受振動和沖擊后，沒有發(fā)生明顯的機械破壞，但極化曲線在大電流區(qū)間出現(xiàn)了明顯的波動變化。在傳統(tǒng)車的疲勞耐久研究方面，吳道俊[4]對某轎車進行耐久性實驗，在車身后地板位置粘貼應變片，累計測量5次該位置的應變信號，從均方根、標準偏差和偽損傷等方面，對應變信號數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在耐久性實驗期內(nèi)，該位置沒有裂紋產(chǎn)生。張生[5]運用模態(tài)分析的方法，分析系統(tǒng)的固有頻率和振型等參數(shù)，根據(jù)機械設備參數(shù)變化情況，分辨故障類型。

目前，從時域和頻域兩個方面對燃料電池進行全面故障分析的研究相對較少。本文作者基于室內(nèi)模擬強化道路振動條件，對9 kW PEMFC進行250 h耐久性振動實驗，分別在振動0 h、78 h、150 h和250 h后采集響應信號，基于時域和頻域分析原理，對PEMFC激勵和響應信號進行分析，為車用PEMFC的振動耐久性分析提供參考。

1 理論基礎

振動故障診斷的基本方法包括時域分析法、頻域分析法和小波分析法等。對振動時域信號的時間歷程進行分析和研究，是狀態(tài)監(jiān)測中最簡單直接的方法。通過振動信號的頻譜分析，解釋振動過程的頻率結(jié)構，是進行故障診斷的重要途徑[6]。本文作者主要運用時域分析法和頻域分析法進行分析。

在時域分析方法中，一般只關注載荷信號幅值的最大值，但最大值只是給出了載荷變化的極限，并未給出載荷中心位置的變化水平。

采用均方值描述載荷動態(tài)與靜態(tài)總的平均能量水平[7]，均方值xrsm的計算公式見式(1)：

(1)

式(1)中：n為樣本個數(shù)，xi為離散數(shù)據(jù)。

頻域分析時，需根據(jù)各信號的功率譜密度函數(shù)獲得信號能量或功率在頻域內(nèi)的分布情況，進而分析各信號能量集中的特征頻率。

為了提高功率譜的計算精度，減小“柵欄效應”和環(huán)境噪聲等因素的影響，采用Welch功率譜密度法估計法計算[8]，即改進的平均周期圖法，采用信號重疊分段，加窗函數(shù)和FFT算法等，計算一個信號序列的功率譜密度函數(shù)。

2 實驗

2.1 實驗設備

模擬道路振動實驗所采用的設備是六通道模擬振動實驗臺(美國產(chǎn))。該實驗臺擁有6個作動器，以液壓為動力，提供橫向、縱向和垂向的平動，以及側(cè)傾、橫擺和俯仰的轉(zhuǎn)動，可精確地模擬PEMFC在汽車上的運動狀態(tài)[9]。

2.2 激勵信號獲取

激勵信號獲取步驟為：①在上海某專業(yè)化試車場的強化試驗道路(SVP)上，采集燃料電池汽車(同濟大學試驗車)的原始道路譜；②將采集的原始道路譜迭代為實驗臺的驅(qū)動譜；③利用驅(qū)動譜進行燃料電池汽車的室內(nèi)強化道路實驗，并采集9 kW PEMFC(昆山產(chǎn))的響應譜；④將PEMFC的響應譜迭代，獲取六通道模擬振動實驗臺的驅(qū)動譜。

2.3 振動耐久實驗

實驗采用的驅(qū)動譜，1個周期的時長為145 s，包含了SVP的拱形不平整路、比利時路、薄餅路和坑洼路等13種路面的數(shù)據(jù)。由于零部件故障的形成是一個長時間積累的過程，將PEMFC放置在六通道模擬振動實驗臺上進行250 h耐久性振動實驗，并采集振動0 h、78 h、150 h和250 h后，PEMFC上表面幾何中心處的加速度響應信號。

3 振動耐久性分析

3.1 激勵信號分析

振動實驗臺的輸入信號是位移信號，而采集的響應信號是加速度信號。為了便于激勵信號與響應信號的對比，將位移激勵信號通過數(shù)值微分方法轉(zhuǎn)化為加速度激勵信號，并繪出加速度激勵時域信號圖形，如圖1所示。

圖1 PEMFC加速度激勵信號

Fig.1 Acceleration excitation signal of PEMFC

從圖1可知，在強化道路振動條件下，PEMFC在X、Y和Z等3個方向上的加速度激勵信號，在時域內(nèi)的變化趨勢相同。

統(tǒng)計X、Y和Z等3個方向加速度激勵的特征值，如表1所示，其中，最大值為載荷信號數(shù)據(jù)取絕對值后的最大值。

表1 加速度激勵信號特征值統(tǒng)計

從表1可知，Z向的加速度激勵信號強于X向和Y向，原因是：路面顛簸引起燃料電池汽車的垂向運動大于俯仰和側(cè)傾運動。

為了獲取加速度激勵信號在頻域內(nèi)的能量分布情況，對PEMFC加速度激勵信號進行頻域分析，加速度激勵信號的功率譜密度曲線如圖2所示。

圖2 PEMFC加速度激勵功率譜

Fig.2 Acceleration excitation power spectrum of PEMFC

從圖2可知，X、Y和Z等3個方向的加速度激勵頻率都集中在1～20 Hz，X向的特征頻率為4.00 Hz、11.75 Hz和14.50 Hz，Y向和Z向的特征頻率為11.75 Hz和14.50 Hz。

3.2 響應信號分析

3.2.1 時域分析

在PEMFC振動0 h、78 h、150 h和250 h后，在相同的激勵信號條件下采集加速度響應信號，其中X向加速度響應信號的時域圖形如圖3所示。

圖3 PEMFC在X向的加速度響應時域圖形

Fig.3 Acceleration response in time domain of X direction of PEMFC

從圖3可知，PEMFCX向的加速度響應信號在0 h、78 h、150 h和250 h的波形變化趨勢一致，與圖1所示的X向加速度激勵的波形吻合。

X、Y和Z等3個方向的加速度響應的特征值見表2。

表2 加速度響應特征值統(tǒng)計

從表2可知，Z向的振動加速度最大值可達到3.495 g(1 g=9.8 m/s2)，主要與Z向的加速度激勵較大有關。表2中的偏離值表示加速度響應均方值相對于0 h時初始均方值的偏離程度。0 h時無偏離，故偏離值為0；振動78 h、150 h和250 h后的均方值相對于0 h均方值的偏離值都在±8%內(nèi)，由此可以判斷：在250 h的耐久振動時間內(nèi)，PEMFC并沒有發(fā)生嚴重的機械破壞[4]。

X、Y和Z等3個方向4次加速度響應的均方值隨振動時間變化曲線見圖4，對均方值曲線進行線性擬合，得到加速度響應擬合直線。

圖4 PEMFC加速度響應均方值

Fig.4 Mean square value of acceleration response of PEMFC

從圖4可知，3條加速度響應擬合直線的斜率都大于0，說明隨著振動時間的增加，PEMFC的振動能量有增大的趨勢?？赡艿脑蛴校孩匐S著振動時間的延長，PEMFC的預緊螺栓發(fā)生微小松動，導致兩個端板之間的夾緊力減小，各組件之間的接觸摩擦力略微減??；②PEMFC是通過T型架與封裝外殼進行連接的(見圖5)，隨著振動時間的延長，PEMFC殼體及T型架在振動過程中發(fā)生變形，導致載荷在內(nèi)部的傳遞發(fā)生了改變。

圖5 PEMFC的T型架連接細節(jié)

Fig.5 The connecting detail of T stand of PEMFC

3.2.2 頻域分析

利用時域分析可實現(xiàn)對設備的簡易診斷，但當PEMFC結(jié)構發(fā)生故障，如出現(xiàn)裂紋，零部件損壞等情況，PEMFC的結(jié)構物理參數(shù)發(fā)生改變后，頻域內(nèi)的特征參數(shù)(固有頻率、振型和頻響函數(shù)等)也隨之改變。根據(jù)這些參數(shù)的變化情況，可進一步判斷PEMFC是否發(fā)生故障，并判斷出故障的位置。

同激勵信號的頻域分析相同，對振動0 h、78 h、150 h和250 h后的響應信號進行頻譜分析。X向的加速度響應的功率譜密度曲線見圖6，X、Y和Z等3個方向的功率譜密度曲線的特征頻率及幅值統(tǒng)計見表3。

圖6 PEMFC在X向的加速度響應功率譜

Fig.6 Acceleration response power spectrum of X direction of PEMFC

表3 PEMFC激勵與響應信號頻譜特征值統(tǒng)計

Table 3 Characteristic value of acceleration excitation and response signal in frequency domain of PEMFC

方向特征頻率/Hz幅值/10-3(9.8m·s-2)2·s激勵0h78h150h250hX4.003.6333.6333.6333.6333.63311.756.0202.2412.2902.1012.28314.505.1511.3771.4081.2621.408Y11.7512.0514.4274.6044.3764.58714.508.7422.5902.3892.2702.306Z11.758.9103.5663.7373.4993.93814.506.3232.1902.2562.2082.308

從圖6和表3可知，X向的特征頻率為4.00 Hz、11.75 Hz和14.50 Hz，Y向和Z向的特征頻率為11.75 Hz、14.50 Hz，與加速度激勵的特征頻率保持一致；同時，隨著振動時間的延長，X、Y和Z等3個方向在頻域內(nèi)沒有出現(xiàn)其他的特征頻率，進一步確認PEMFC在振動250 h后沒有發(fā)生嚴重的機械破壞。信號的自功率譜密度函數(shù)下的面積等于信號的均方值[7]，從圖6可以看出，250 h的功率譜曲線略高于0 h的功率譜曲線，說明隨著振動時間的增加，響應的均方值有增大趨勢，進一步驗證了時域分析的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文作者對PEMFC振動250 h過程中的4次響應信號數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析，得出以下結(jié)論：①耐久振動對載荷在PEMFC內(nèi)部的機械傳遞特性有一定的影響；②時域分析表明：PEMFC的響應信號的均方值隨振動時間的延長有增大的趨勢；③頻域分析表明：PEMFC響應信號功率譜密度函數(shù)的特征頻率對應的幅值有小幅增長，但特征頻率并未發(fā)生改變。

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Vibration characteristics of PEMFC based on road simulation test

LI Yu-ke1，HE Yun-tang2，HAO Dong1，HOU Yong-ping1

(1.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter，TongjiUniversity，Shanghai201804，China；2.ChinaAutomotiveTechnology&ResearchCenter，Tianjin300300，China)

The endurance test of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) after vibrating for 250 h under strengthened road conditions was conducted. The response data after vibration for 0 h，78 h，150 h and 250 h was collected and analyzed in time domain and frequency domain. In time domain，the rule of the mean square value of the acceleration response data with the change of time was analyzed. The characteristic frequency of the acceleration response data of the fuel cell and the relation between the amplitude of the characteristic frequency and the time of vibrating were analyzed in frequency domain. After vibrating for 250 h，the mean square value of the acceleration response data had the tendency to increase，the characteristic frequency of the acceleration response data remained the same，but the amplitude of the characteristic frequency changed a little.

proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)； endurance test； time domain； frequency domain

李玉坷(1989-)，男，河南人，同濟大學新能源汽車工程中心碩士生，研究方向：汽車試驗技術，本文聯(lián)系人；

國家自然科學基金(51275357)

TM911.42

A

1001-1579(2016)05-0239-04

2016-06-06

何云堂(1966-)，男，天津人，中國汽車技術研究中心高級工程師，研究方向：汽車標準化；

郝 冬(1988-)，男，天津人，同濟大學新能源汽車工程中心博士生，研究方向：汽車試驗技術；

侯永平(1971-)，男，山西人，同濟大學新能源汽車工程中心教授，博士生導師，研究方向：汽車試驗技術、車輛系統(tǒng)動力學等。