武 振，梁 東，郭 婷，王國卓，吳詩雨

基于實車路譜的燃料電池堆臺架耐久試驗方法分析

武 振，梁 東，郭 婷，王國卓，吳詩雨

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

文章主要研究目的為車用燃料電池堆在實際道路工況下的振動響應特性及臺架試驗驗證方法的搭建，因此，基于實車采集了燃料電池堆在試驗場8種強化壞路下的振動譜，分別計算了各路面對應的疲勞損傷譜，進而依據(jù)Miner損傷準則以及該車燃料電池堆的振動耐久目標，得到了臺架等效耐久試驗需要的隨機振動功率密度譜，在臺架上可等效模擬8種試驗場強化壞路每軸108 h的振動耐久試驗。同時，為了達到進一步加速試驗的目的，文章將每軸振動耐久試驗時長壓縮至最低33 h，且臺架加速耐久試驗的功率密度譜產(chǎn)生的極限響應譜整體小于8種試驗場強化壞路的沖擊響應譜的最大響應譜，且保證燃料電池堆在開展臺架加速耐久試驗時，不會產(chǎn)生不切實際的高負荷載荷。因此，該研究提出了一種可以在臺架上進行車載工況的振動研究，可以有效的縮減試驗時間。

燃料電池堆；實車路譜；臺架耐久試驗；疲勞損傷譜；沖擊響應譜

燃料電池堆可以高效、環(huán)保地將燃料中儲存的化學能轉化為電能，具有效率高、污染小、功率密度高、啟動快和工作溫度低的優(yōu)點，成為了一種新的汽車動力源。但是，燃料電池汽車的發(fā)展受到燃料電池堆耐久性的制約。因此，為促進燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化，提高燃料電池堆的耐久性是當務之急[1]。

由于燃料電池汽車行駛的路況多種多樣，路面不平引起的隨機振動不僅會對燃料電池堆的機械結構造成影響，還會影響其性能。因此，車用燃料電池堆應具有良好的振動耐久性，從而保證燃料電池系統(tǒng)及整車的可靠性。本文將通過實車采集燃料電池堆在試驗場強化壞路的振動譜，進而利用實車振動譜數(shù)據(jù)，針對燃料電池堆的臺架耐久試驗進行了研究。

1 燃料電池堆振動耐久性影響因素分析

汽車用燃料電池堆的工作環(huán)境與普通燃料電池堆的不同之處關鍵在于振動，車用燃料電池堆是由單電池通過連接組成，振動沖擊會對單電池產(chǎn)生很大的影響，從而直接影響其耐久壽命[2]。由于汽車在實際行駛時道路工況復雜，以及環(huán)境氣候、道路狀況多變，燃料電池堆主要持續(xù)承受以下幾方面的振動與沖擊載荷，對耐久性影響較大：

1）汽車行駛的平順度直接受路面顛簸狀況的影響，這種影響會直接傳遞到燃料電池堆。

2）燃料電池汽車會經(jīng)歷多種復雜運行工況，并不是長期處于勻速行駛狀態(tài)，特別是城市運行工況下，汽車長期在加速啟動、制動、轉彎、怠速工況下轉換，這將會對燃料電池堆不斷帶來慣性沖擊。

3）車輛如果發(fā)生碰撞事故，車輛的極端沖擊、擠壓會造成燃料電池堆的嚴重破壞，可能致使更大的危險，給駕駛員及乘客帶來安全隱患。

基于以上影響分析，本文的主要研究目標為車用燃料電池堆在實際工況下的振動響應特性及試驗驗證方法，主要研究內(nèi)容為基于實車振動路譜數(shù)據(jù)下的試驗臺架等效及強化試驗方法研究，最終判斷燃料電池堆是否可以達到相應的耐久目標要求。

2 實車振動譜采集與數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗場強化壞路振動譜采集

本文利用一臺燃料電池示范運營車，在某試驗場的8種強化壞路上進行了燃料電池堆的振動譜采集試驗。由于燃料電池堆的臺架振動耐久試驗需要在多軸模擬振動試驗臺上進行，為便于數(shù)據(jù)迭代，振動測點主要選取了燃料電池堆的本體及其懸置處，共布置了5個三軸向加速度傳感器進行測試。燃料電池堆振動測點說明如表1所示。

表1 燃料電池堆振動測點說明

測點位置測點用途測點方向 電堆前側目標迭代x,y,z 電堆左側監(jiān)測控制x,y,z 電堆右側監(jiān)測控制x,y,z 電堆左懸置目標迭代x,y,z 電堆右懸置監(jiān)測控制x,y,z

試驗場的實車振動譜采集試驗一個測量循環(huán)共包含8種強化壞面，采集試驗共完成了3次循環(huán)，每個循環(huán)試驗的振動譜數(shù)據(jù)各通道信號的長度約為1 058 s。試驗場強化壞路及試驗車速如表2所示，該測試依據(jù)參考了某燃料電池示范運行車在試驗場強化道路的實際耐久試驗行駛工況。

表2 試驗場強化壞路類型及試驗車速

序號道路類型長度/m車速/(km/h) 1搓板路甲20055 2搓板路乙20055 3坑洼路20010 4凸塊路甲9015 5凸塊路乙9025 6大卵石路20018 7比利時路2 50020 8粗瀝青路40060

2.2 振動譜數(shù)據(jù)處理

對實車采集的燃料電池堆振動譜數(shù)據(jù)進行處理分析，考察每個試驗循環(huán)數(shù)據(jù)與整體試驗數(shù)據(jù)的一致性，驗證各循環(huán)數(shù)據(jù)是否具有各態(tài)歷經(jīng)的統(tǒng)計特征，對于試驗數(shù)據(jù)的有效性驗證非常重要，數(shù)據(jù)準確無誤后才可進行臺架試驗數(shù)據(jù)準備[3]。因此，本文首先通過以下幾方面對振動譜數(shù)據(jù)進行了處理：

1）低通濾波處理。低通濾波處理可消除高頻干擾信號，提高信號的信噪比。以路面激勵的頻率范圍為參考設置低通濾波頻率，強化路面載荷的頻率主要集中在50 Hz以內(nèi)，因此，低通濾波頻率選取50 Hz進行處理。

2）異常值剔除。由于測試設備的電壓變化、電磁干擾或測試系統(tǒng)受到異常振動等，導致采集的信號中產(chǎn)生了異常值，這些非實際載荷的異常值必須剔除[4]，否則對載荷大小的估計及臺架耐久試驗結果的判斷都有很大影響。

3）去除趨勢項。由于外界的干擾和系統(tǒng)的原因，往往會造成某些振動譜信號偏離基線，偏離基線隨時間變化的過程為趨勢項。產(chǎn)生趨勢項的數(shù)據(jù)通道均應去除后才可以正常使用，本文采用了時域數(shù)據(jù)動態(tài)均值法進行去除。

通過以上數(shù)據(jù)處理后的時域數(shù)據(jù)如圖1所示（以比利時路為例）。

圖1 燃料電池堆（前側）時域數(shù)據(jù)

同時，對3次循環(huán)試驗在試驗場8種強化壞路上的時域數(shù)據(jù)分別進行了幅值域統(tǒng)計分析和頻譜分析，結果如圖2和圖3所示，圖1表明3次循環(huán)試驗周期內(nèi)燃料電池堆的試驗數(shù)據(jù)在幅值域分布及頻域分布基本保持一致。因此，選取其中一個循環(huán)的數(shù)據(jù)作為臺架數(shù)據(jù)輸入。

圖2 幅值域對比分析

圖3 頻譜數(shù)據(jù)對比分析

3 臺架等效耐久試驗及加速耐久試驗方法

3.1 試驗數(shù)據(jù)準備

由于實車振動譜時域數(shù)據(jù)表示加速度信號隨時間變化的各態(tài)歷經(jīng)關系，不能直接用于驅動臺架進行隨機振動試驗，多軸振動模擬試驗臺需要使用功率密度譜（Power Spectral Density, PSD）數(shù)據(jù)作為輸入。因此，本文通過振動譜時域數(shù)據(jù)首先計算每種道路工況下對應的沖擊響應譜（Shock Response Spectrum, SRS）及疲勞損傷譜（Fatigue Damage Spectrum, FDS），進而利用nCode軟件、結合試驗工況要求，進而編制開展燃料電池堆臺架耐久試驗需要的隨機振動PSD。

3.1.1沖擊響應譜

沖擊響應譜是將沖擊激勵施加到一系列線性、單自由度彈簧、質(zhì)量系統(tǒng)時，將各單自由度系統(tǒng)的最大響應值（加速度、速度、位移等）作為對應于系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)響應曲線[5]。目前，應用較為廣泛的沖擊響應譜算法是改進的遞歸數(shù)字濾波法，該方法在1980年首先由Smallwood提出。

式中，(-?)為單位階躍函數(shù)；為在-?時斜臺的斜率；?為系統(tǒng)的采樣率。根據(jù)疊加原理可以得到一個梯形函數(shù)逼近于沖擊輸入的數(shù)學模型，該方法相對于原來的數(shù)字濾波方法更加精確[6]。

基于以上方法，將燃料電池堆前側的實車振動譜數(shù)據(jù)分別計算了8種試驗場強化壞路對應的沖擊響應譜。以比利時路為例，燃料電池電堆的沖擊響應譜如圖4所示。同時，將8種試驗場強化壞路的沖擊響應譜按照最大值疊加的方法進行計算，得到燃料電池堆在試驗場強化壞路下的SRS最大值包絡線，此包絡線表示開展臺架耐久試驗時SRS可能達到的最大響應譜，SRS最大響應譜如圖5所示。

圖4 燃料電池堆沖擊響應譜

圖5 燃料電池堆SRS最大響應譜

3.1.2疲勞損傷譜

FDS是基于Miner損傷準則的隨機振動譜，疲勞損傷會隨著時間的推移而累積，直到損傷值達到極限值后會發(fā)生疲勞破壞。因此，疲勞損傷譜用來表征該段信號對結構造成的損傷效果，F(xiàn)DS結合了疲勞損傷理論和雨流計數(shù)法，代表了在其分析頻帶內(nèi)的振動損傷[7-8]。本文將FDS作為開展燃料電池堆臺架耐久試驗的邊界條件，分別計算了燃料電池堆前側的實車振動譜數(shù)據(jù)在8種試驗場強化壞路下疲勞損傷譜。以比利時路為例，燃料電池堆前側振動譜的疲勞損傷譜如圖6所示。

圖6 燃料電池堆（前側）疲勞損傷譜

3.2 臺架等效耐久試驗PSD

基于實車采集的振動譜時域數(shù)據(jù)，通過以上試驗數(shù)據(jù)準備，共有16個數(shù)據(jù)文件可使用，包含8個SRS文件和8個FDS文件，下一步再結合該燃料電池汽車的示范運營耐久性目標里程，進行燃料電池堆臺架耐久試驗隨機振動PSD的編制。

本文開展試驗的燃料電池示范運營車在試驗場8種強化壞路下的耐久試驗循環(huán)要求如表3所示，要求燃料電池堆每軸的強化耐久性試驗總時長為108 h，試驗循環(huán)數(shù)為等效用戶道路行駛240 000 km的試驗場耐久試驗規(guī)范要求。

表3 燃料電池堆耐久試驗循環(huán)要求

序號道路類型循環(huán)次數(shù)累積時長/h 1搓板路甲1 0004 2搓板路乙1 0004 3坑洼路50010 4凸塊路甲1 0006 5凸塊路乙1 0003.5 6大卵石路1 00011 7比利時路50062.5 8粗瀝青路1 0007 合計108

根據(jù)Miner損傷規(guī)則，允許將多個強化道路工況下的疲勞損傷譜進行累加，獲得一個完整循環(huán)下的總疲勞損傷譜，總疲勞損傷譜表示燃料電池堆產(chǎn)生的累積損傷。因此，本文依據(jù)表3中燃料電池堆耐久試驗循環(huán)要求，將8種試驗場強化壞路下燃料電池堆產(chǎn)生的疲勞損傷譜進行累加，得到的總疲勞損傷譜如圖7所示。

圖7 燃料電池堆總疲勞損傷譜

臺架等效耐久試驗的原則是燃料電池堆在臺架試驗中出現(xiàn)的故障模式或失效機理理論上應與試驗場強化壞路上產(chǎn)生的故障模式或失效機理保持一致。因此，本文根據(jù)表3中對于燃料電池堆每軸的耐久試驗累積時長要求，將圖7的燃料電池堆總疲勞損傷譜作為邊界條件。利用nCode軟件，每軸設定耐久試驗總時長為108 h，進而獲取燃料電池堆臺架等效耐久試驗的隨機振動PSD，據(jù)此可分別得到燃料電池堆、、三個方向的臺架等效耐久試驗隨機振動PSD，如圖8所示。

圖8 臺架等效耐久試驗隨機振動PSD

3.3 臺架加速耐久試驗PSD

通過開展臺架等效耐久試驗，可獨立完成對車用燃料電池堆的振動疲勞耐久試驗驗證，理論上可保證燃料電池堆產(chǎn)生總疲勞損傷分布與試驗場強化壞路的疲勞損傷結果分布一致。但是，燃料電池堆臺架等效耐久試驗每軸都需要進行108 h，總時長共需324 h，試驗周期長、成本高。因此，為了進一步縮短試驗周期，達到加速試驗的目的，同時保證燃料電池堆的臺架加速耐久試驗結果與試驗場強化壞路的試驗結果在一定程度上依然具有相同的疲勞損傷分布。

本文進一步探索了燃料電池堆臺架加速試驗PSD的編制方法。依然將圖6中燃料電池堆總疲勞損傷譜作為邊界條件，利用nCode軟件，將每軸耐久試驗時長持續(xù)進行壓縮，并把加速試驗PSD下產(chǎn)生的總疲勞損傷分布與總疲勞損傷譜持續(xù)進行對比。結果表明，將每軸振動時長壓縮至最短33 h時，兩者還基本保持一致，低于33 h后的疲勞損傷分布將無法滿足邊界條件。因此，每軸試驗時長最低可壓縮至33 h，試驗時長相較臺架等效耐久試驗每軸縮短了約70%，達到了加速試驗的目的。臺架加速耐久試驗隨機振動PSD如圖9所示。

圖9 臺架加速耐久試驗隨機振動PSD

為了驗證采用該隨機振動PSD試驗時，燃料電池堆不會產(chǎn)生不符合實際的高負荷載荷，本文又進一步將臺架加速耐久試驗PSD產(chǎn)生的極限響應譜（Extreme Response Spectrum, ERS）與圖4所示的燃料電池堆的SRS最大響應譜進行了比較，對比結果如圖10所示。結果表明，燃料電池堆臺架加速耐久試驗PSD產(chǎn)生的極限響應譜整體小于SRS最大響應譜（此處ERS和SRS的方向為向）。因此，燃料電池堆臺架加速耐久試驗不會出現(xiàn)不符合實際情況的高負荷載荷。

圖10 燃料電池堆ESR與SRS最大響應譜

4 結束語

本文利用某燃料電池示范運行車，在試驗場的8種強化壞路下對燃料電池堆進行了實車振動譜數(shù)據(jù)采集，進而對基于實車路譜的燃料電池堆臺架耐久試驗方法進行了研究，研究結果可為車用燃料電池堆開展臺架耐久試驗時提供參考。主要結論如下：

1）由于燃料電池汽車在實際道路上行駛時工況復雜，且會持續(xù)承受道路不平度引起的振動與沖擊載荷，這些載荷均以隨機振動的形式體現(xiàn)。因此，本文首先利用燃料電池實車在試驗場強化壞路上進行燃料電池堆的振動譜數(shù)據(jù)采集，包括，，三個軸向的實車振動數(shù)據(jù)，為臺架耐久試驗提供了準確的數(shù)據(jù)輸入。

2）為將燃料電池堆在試驗場強化壞路的整車振動耐久試驗等效到多軸振動模擬試驗臺架上進行，本文以燃料電池堆在試驗場強化道路下的沖擊響應譜、疲勞損傷譜作為邊界條件，通過等效疲勞損傷分布的方法進行臺架等效耐久試驗隨機振動PSD的編制，最終達到了每軸與試驗場強化道路108 h等效的臺架耐久試驗。

3）為進一步縮短燃料電池堆臺架耐久試驗周期，達到加快試驗進度的目的，本文將每軸的試驗時長壓縮至最短33 h，相較臺架等效耐久試驗每軸試驗節(jié)省了約70%的時間，且保持了與試驗場強化壞路的總疲勞損傷譜相一致。同時，驗證表明臺架加速耐久試驗的PSD譜不會對燃料電池堆產(chǎn)生不切實際的高負荷載荷影響。

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Analysis on Durability Test of Fuel Cell Stack Based on Real Vehicle Road Spectrum

WU Zhen, LIANG Dong, GUO Ting, WANG Guozhuo, WU Shiyu

( China Automotive Technology and Research Center Company Limited, Tianjin 300300, China )

The main research purpose of this paper is to establish the vibration response characteris- tics of vehicle fuel cell stacks under actual road conditions and the bench test verification method. Therefore, based on the actual vehicle, the vibration spectra of fuel cell stacks under eight kinds of strengthened bad roads in the test site are collected, and the corresponding fatigue damage spectra of each road surface are calculated respectively. Then, according to Miner damage criterion and the vibration durability target of the vehicle fuel cell stack, the random vibration power density spectrum required by the bench equivalent durability test is obtained, and the 108 h vibration durability test of each axle of eight test sites can be equivalent simulated on the bench. At the same time, in order to achieve the purpose of further accelerated test, the duration of vibration durability test of each axle is compressed to the minimum of 33h in this paper, and the limit response spectrum generated by power density spectrum of accelerated durability test bench is less than the maximum response spectrum of shock response spectrum of eight test sites, and it is ensured that the fuel cell stack will not produce unrealistic high load when conducting accelerated durability test bench. Therefore, this study proposes a vibration study that can be carried out on the bench under the vehicle working condition, which can effectively reduce the test time.

Fuel cell stack; Real vehicle road spectrum;Bench durability test;Fatigue damage spectrum;Shock response spectrum

U467

A

1671-7988(2023)12-06-06

武振（1994－），男，工程師，研究方向為新能源汽車測試評價，E-mail:wuzhen@catarc.ac.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.002