李 智，程若愚，徐茂青，長岡宏

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300450)

1 新能源車輛發(fā)展現(xiàn)狀及耐久性評價

進(jìn)入 21世紀(jì)以來，為了響應(yīng)節(jié)能減排的號召，各大汽車品牌逐漸增加新能源車輛的研發(fā)與生產(chǎn)，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(xù)位居首位，市場規(guī)模占比超過60%(圖 1)，國務(wù)院辦公廳于 2020年 10月印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》更是進(jìn)一步刺激了新能源汽車的加速發(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)換高效、加氫便捷等優(yōu)勢，有著巨大的應(yīng)用前景。有別于傳統(tǒng)電動車，F(xiàn)CV從構(gòu)造上增加了儲存氫氣的氫罐，作為質(zhì)量較大、安全系數(shù)要求較高的零部件，其結(jié)構(gòu)安全性與使用耐久性也成為開發(fā)及評價的重中之重。

國內(nèi)目前針對電池包的耐久性能評價和開發(fā)經(jīng)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(rèn)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(jié)構(gòu)、受力情況和對車架的整體耐久性影響等方面需要進(jìn)行確認(rèn)。本文介紹一汽豐田開發(fā)的一款為 2022年北京冬奧會服務(wù)的FCV，并分析該車輛氫罐總成的耐久性開發(fā)及評價方法。

2 耐久性開發(fā)

2.1 開發(fā)流程簡介

為了縮短開發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)成本，目前車輛開發(fā)主流已經(jīng)由“設(shè)計立案—試制車試驗驗證—優(yōu)化設(shè)計方案—再次試制車試驗驗證—優(yōu)化設(shè)計方案”的低效率循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計立案—模型仿真分析—優(yōu)化設(shè)計方案—試制車試驗驗證”的低成本高效化開發(fā)模式?；谀繕?biāo)用戶及使用環(huán)境需求創(chuàng)建整車 CAE模型[1-2]，并通過仿真優(yōu)化各支架結(jié)構(gòu)及搭載方案得到較為合理的整車結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行試驗車的試制并進(jìn)行實車評價確認(rèn)，通過評價試驗驗證性能滿足開發(fā)目標(biāo)即可著手準(zhǔn)備車輛的批量化生產(chǎn)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)等進(jìn)行多次機(jī)上檢查完成合理化設(shè)計后需要模擬用戶使用工況制定載荷條件并進(jìn)行仿真分析，以確認(rèn)整體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的區(qū)域(圖 3)，并判斷目前結(jié)構(gòu)能否滿足耐久性能的開發(fā)目標(biāo)并進(jìn)行必要調(diào)整，最終完成整車搭載結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)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(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)方案著手準(zhǔn)備試制試驗車輛，并記錄氫罐總成在當(dāng)前搭載結(jié)構(gòu)下應(yīng)力最大的區(qū)域位置及數(shù)據(jù)作為評價試驗項目的輸入條件。

2.3 設(shè)定評價內(nèi)容及日程

根據(jù)本次車輛開發(fā)的重點關(guān)注內(nèi)容設(shè)定各項需要實際評價確認(rèn)性能的試驗項目，針對氫罐總成的耐久性能開發(fā)，并結(jié)合設(shè)計的結(jié)構(gòu)、氫罐總成質(zhì)量等輸入數(shù)據(jù)，梳理需要采集實際道路跑行中的各安裝支架最大應(yīng)力、最大加速度、車架安裝點位振動頻率等參數(shù)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(rèn)后按照設(shè)定好的評價日程逐步實施各開發(fā)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(shù)據(jù)，還需要在國家法規(guī)要求的試驗場進(jìn)行壞路路譜跑行，從而確認(rèn)車輛實際使用中氫罐總成的狀態(tài)。在其總成支架粘貼三軸加速度傳感器、各應(yīng)力較大位置粘貼應(yīng)變片(圖 4)，以采集車輛在國標(biāo)試驗場壞路各不同路況下跑行時的各項數(shù)據(jù)。

圖4 氫罐總成加速度傳感器及應(yīng)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(yīng)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(fā)要求(表 1)，同時整理采集壞路跑行的路譜數(shù)據(jù)作為耐久試驗輸入條件。

表1 氫罐總成應(yīng)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(jié)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(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確，真實反映車輛實際壽命的優(yōu)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(jié)構(gòu)變更不大時采集到的數(shù)據(jù)與前代開發(fā)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(shè)備進(jìn)行整車臺上耐久試驗具有無需駕駛員、可以 24h持續(xù)進(jìn)行、試驗中各通道數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、利用設(shè)備設(shè)置安全限制等優(yōu)點(圖 5)，在車輛的開發(fā)前期經(jīng)常作為優(yōu)先使用手段，可以大幅縮短開發(fā)時間并節(jié)約成本，有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)[3]。

圖5 四通道輪耦合設(shè)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(jù)車輛的開發(fā)目標(biāo)設(shè)定跑行里程及點檢頻率，設(shè)置各通道安全限值并進(jìn)行設(shè)備動力源檢查，完成車輛試驗前的扭矩值校準(zhǔn)、傳感器線束固定等各項試驗前準(zhǔn)備及安全確認(rèn)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(yīng)變片數(shù)據(jù)對比輸入的壞路跑行路譜，多次迭代擬合至各通道輸入數(shù)據(jù)，與臺上試驗數(shù)據(jù)偏差量低于 5%后即可按照當(dāng)先擬合工況進(jìn)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(shè)備各運動機(jī)構(gòu)及試驗車各項數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，以確保整個跑行過程中無人為因素影響干預(yù)試驗的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。按照試驗前預(yù)設(shè)的跑行里程對氫罐總成搭載支架等重要零部件進(jìn)行螺栓扭矩確認(rèn)及裂紋點檢，并在試驗全部完成后對整車進(jìn)行拆解，對內(nèi)部各個搭載支架、零部件進(jìn)行裂紋點檢，以確保整車及各零部件耐久性能滿足開發(fā)目標(biāo)。對于在開發(fā)階段試驗中出現(xiàn)的裂紋及性能不足的結(jié)構(gòu)，需要及時與設(shè)計及關(guān)聯(lián)人員共同確認(rèn)，檢討變更合理的結(jié)構(gòu)或材料，進(jìn)行優(yōu)化后再次進(jìn)行評價確認(rèn)，以確保最終量產(chǎn)前結(jié)構(gòu)性能達(dá)到開發(fā)要求的目標(biāo)，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(jīng)可以把握車輛使用中不同路況下的跑行狀態(tài)及耐久性能，但為了確保重點零部件在車輛跑行中出現(xiàn)共振總成加速度及位移量大幅提升時仍然具備相當(dāng)?shù)哪途眯阅?，就需要對零部件總成進(jìn)行臺上的耐久試驗，以驗證其共振期間耐久性能滿足開發(fā)要求。

六自由度振動耐久試驗機(jī)作為目前應(yīng)用較為廣泛的零部件總成、單品級別的耐久性能確認(rèn)設(shè)備，由于其精確的工況模擬能力和極高的安全系數(shù)，目前廣泛應(yīng)用于車輛開發(fā)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(fā)同樣使用了這一設(shè)備對其共振點耐久性能進(jìn)行試驗評價。

將氫罐總成及其搭載車架的半車身結(jié)構(gòu)固定于六自由度振動耐久試驗臺設(shè)備上(圖 7)，通過對氫罐總成法規(guī)壞路跑行時采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行六自由度的峰值篩選，并通過頻譜掃頻確認(rèn)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(fā)目標(biāo)等效壽命計算出在共振頻率下的期望壽命里程數(shù)(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(jiān)控各通道的加速度和應(yīng)變數(shù)據(jù)[4]，確保在試驗過程中全程監(jiān)控重點評價部位的試驗條件準(zhǔn)確、設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)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(jìn)行螺栓扭矩及裂紋點檢(圖 8)，確認(rèn)耐久性能滿足開發(fā)要求。至此，本次氫罐總成的耐久性能開發(fā)得以完成最終確認(rèn)，從而確保車輛上市后在各種路況下、不同的使用環(huán)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(jié)果Tab.3 Durability test results

4 結(jié) 論

本次氫罐總成開發(fā)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(fā)流程，切實縮短了開發(fā)周期、節(jié)約了開發(fā)費用，為未來新搭載總成及新設(shè)計結(jié)構(gòu)的耐久性開發(fā)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(tǒng)燃油車，大量的三電系統(tǒng)、智能化設(shè)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(fā)流程與評價手段勢必提高開發(fā)車輛的效率，從而制造出優(yōu)質(zhì)車輛造福人民。