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(chē)在市場(chǎng)上商用車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)實(shí)際道路采集

燃料電池汽車(chē)的載荷譜采集需要安裝在燃料電池堆與整車(chē)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(chē)采集的路線主要根據(jù)物流車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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?chē)@燃料電池物流車(chē)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(chē)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(chē)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?chē)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）