基于實際運行場景下燃料電池堆振動測試評價方法

關鍵詞：燃料電池堆，使用場景，振動

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上商用車的占比較高，其復雜的運行路況對燃料電池堆的性能影響較為明顯，長時間的振動也會對使燃料電池堆性能衰減，也會使其氣密性產生變化，所以對燃料電池堆的振動[1-3]考核就更為重要。而現階段并沒有針對燃料電池汽車關鍵部件的振動測試評價方法，很多企業都參考動力電池的臺架振動測試方法[4-5]進行，由于不符合結構特征等差異導致該方法無法準確的評估燃料電池堆的振動情況，因此研究燃料電池堆的臺架振動的測試評價方法具有十分重要意義[6]。

目前大多數堆燃料電池電堆的臺架振動研究主要從振動后的性能、耐久、效率和氫安全角度，分析不同的振動沖擊和振動加載等對其的影響。但是，針對如何從實際用戶使用場景進行轉化燃料電池堆臺架振動[7-8]試驗較少研究。

以某燃料電池物流車為研究對象，通過其社會路面的載荷譜采集測試，基于結構連接件的損傷情況進行分析，最終轉化出燃料電池堆的臺架振動測試方法。

1 載荷譜采集及預處理

1.1 燃料電池汽車實際道路采集

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燃料電池堆的受力大小、變形程度、相對位移以及沖擊加速度等影響。實車采集的路線主要根據物流車的應用路線進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處燃料電池堆安裝點的位置，包括前后左右共4個測點，每個測點包含x、y、z 三個方向的加速度信號，共計12通道。

1.2 燃料電池汽車載荷譜數據預處理

采用商業化的軟件ncode對載荷譜數據進行預處理，首先需將所有不明確和不清晰的數據去除，僅保留明確、清晰的數據用于后續分析，并忽略不完整的循環和無用文件。對每一個獨立的時間歷程曲線進行有效性確認，包括漂移、補償、毛刺和噪聲。通常會經過毛刺信號檢查，把由于電磁干擾或者外撞沖擊的信號剔除。然后進行去除趨勢項處理，將采集的信號偏離基線的數據進行消除。最后再通過濾波處理掉高頻的成分，減少采集過程中噪聲的影響。

2 燃料電池堆的臺架振動規范的制定

2.1 燃料電池堆臺架振動規范的制定流程

經過路譜數據的采集和預處理后，首先進行雨流計數，然后外推全生命周期的數據分布狀態，再進行疲勞損傷譜與沖擊響應譜的計算，制定合理的臺架加速功率密度譜的計算，最后進行加速功率密度譜的檢驗。其中處理過程中需要使用Ncode軟件進行數據處理，其原理如下：首先通過雨流計算出燃料電池堆在不同的社會路面下不同載荷參量值和出現的頻次，然后通過有限的載荷樣本數據獲取全生命周期燃料電池堆目標載荷。采用非參數二維核密度估計法對用戶道路實測載荷譜的雨流矩陣展開外推，建立該全生命周期載荷譜。最后，利用軟件對全生命周期載荷譜進行處理，轉化出臺架的功率密度譜。

2.2 燃料電池堆偽損傷值的計算

偽損傷是載荷譜等效計算中的重要參考數值，可以反映不同幅值、不同道路下的載荷譜數據給燃料電池堆造成的疲勞損傷程度。通過對燃料電池堆在不同路面的偽損傷值進行對比和分析，以燃料電池物流車在運行各道路載荷譜的Z向加速度為例，各通道偽損傷值的計算結果見表1。

2.3 燃料電池堆振動測試方法的應用

基于實際的物流車的使用場景，采集了52 km社會路面使用路線的載荷譜，循環進行數據的采集，一共累計采集了1500 km，實際的采集車速如圖1所示。通過已采集的載荷譜的數據利用雨流計數外推的方法外推至80萬公里的損傷值。

通過數據的計算和處理，燃料電池堆的不同位置的損傷值如圖2所示，X、Y、Z 三個方向在頻率為10 Hz的時候都表現出較高的損傷值，隨著頻率的增加，損傷值也逐漸降低，在高頻率下產生的損傷值較低，高頻出現的次數也較低。

經過雨流外推，將物流車的全生命周期假設為800，000 km后的疲勞損傷譜，如圖3所示，三個方向下X、Y、Z 三個方向的疲勞損傷值得到加強，該數據覆蓋高里程損傷分布以及全工況數據分布。經過數據的處理，形成基于燃料電池物流車的電堆21小時的臺架振動方案，如表2 所示，分別選取1、2、5、10、12、20、42、50Hz頻率下進行強化，整體上在Z方向的RMS值最大為0.12 g。

3 結語

緊密圍繞燃料電池物流車用燃料電池堆進行傳感器的安裝測試，分別依據用戶使用場景對其開展了全通道道路載荷數據采集，獲得了燃料電池堆密切貼合實際使用場景和工況的道路載荷譜數據樣本。提出一種燃料電池物流車的燃料電池堆的振動測試方案，經過社會路面的載荷數據的采集和對比分析，經過全生命周期的雨流計數外推，建立了臺架21 h的振動測試方案，對物流車用燃料電池堆測試驗證有一定的意義。

作者簡介

吳迪，碩士，工程師，研究方向為整車測試評價技術。

（責任編輯：袁文靜）