基于实车路谱的燃料电池堆台架耐久试验方法分析

武 振，梁 东，郭 婷，王国卓，吴诗雨

基于实车路谱的燃料电池堆台架耐久试验方法分析

武 振，梁 东，郭 婷，王国卓，吴诗雨

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

文章主要研究目的为车用燃料电池堆在实际道路工况下的振动响应特性及台架试验验证方法的搭建，因此，基于实车采集了燃料电池堆在试验场8种强化坏路下的振动谱，分别计算了各路面对应的疲劳损伤谱，进而依据Miner损伤准则以及该车燃料电池堆的振动耐久目标，得到了台架等效耐久试验需要的随机振动功率密度谱，在台架上可等效模拟8种试验场强化坏路每轴108 h的振动耐久试验。同时，为了达到进一步加速试验的目的，文章将每轴振动耐久试验时长压缩至最低33 h，且台架加速耐久试验的功率密度谱产生的极限响应谱整体小于8种试验场强化坏路的冲击响应谱的最大响应谱，且保证燃料电池堆在开展台架加速耐久试验时，不会产生不切实际的高负荷载荷。因此，该研究提出了一种可以在台架上进行车载工况的振动研究，可以有效的缩减试验时间。

燃料电池堆；实车路谱；台架耐久试验；疲劳损伤谱；冲击响应谱

燃料电池堆可以高效、环保地将燃料中储存的化学能转化为电能，具有效率高、污染小、功率密度高、启动快和工作温度低的优点，成为了一种新的汽车动力源。但是，燃料电池汽车的发展受到燃料电池堆耐久性的制约。因此，为促进燃料电池汽车的大规模商业化，提高燃料电池堆的耐久性是当务之急[1]。

由于燃料电池汽车行驶的路况多种多样，路面不平引起的随机振动不仅会对燃料电池堆的机械结构造成影响，还会影响其性能。因此，车用燃料电池堆应具有良好的振动耐久性，从而保证燃料电池系统及整车的可靠性。本文将通过实车采集燃料电池堆在试验场强化坏路的振动谱，进而利用实车振动谱数据，针对燃料电池堆的台架耐久试验进行了研究。

1 燃料电池堆振动耐久性影响因素分析

汽车用燃料电池堆的工作环境与普通燃料电池堆的不同之处关键在于振动，车用燃料电池堆是由单电池通过连接组成，振动冲击会对单电池产生很大的影响，从而直接影响其耐久寿命[2]。由于汽车在实际行驶时道路工况复杂，以及环境气候、道路状况多变，燃料电池堆主要持续承受以下几方面的振动与冲击载荷，对耐久性影响较大：

1）汽车行驶的平顺度直接受路面颠簸状况的影响，这种影响会直接传递到燃料电池堆。

2）燃料电池汽车会经历多种复杂运行工况，并不是长期处于匀速行驶状态，特别是城市运行工况下，汽车长期在加速启动、制动、转弯、怠速工况下转换，这将会对燃料电池堆不断带来惯性冲击。

3）车辆如果发生碰撞事故，车辆的极端冲击、挤压会造成燃料电池堆的严重破坏，可能致使更大的危险，给驾驶员及乘客带来安全隐患。

基于以上影响分析，本文的主要研究目标为车用燃料电池堆在实际工况下的振动响应特性及试验验证方法，主要研究内容为基于实车振动路谱数据下的试验台架等效及强化试验方法研究，最终判断燃料电池堆是否可以达到相应的耐久目标要求。

2 实车振动谱采集与数据处理

2.1 试验场强化坏路振动谱采集

本文利用一台燃料电池示范运营车，在某试验场的8种强化坏路上进行了燃料电池堆的振动谱采集试验。由于燃料电池堆的台架振动耐久试验需要在多轴模拟振动试验台上进行，为便于数据迭代，振动测点主要选取了燃料电池堆的本体及其悬置处，共布置了5个三轴向加速度传感器进行测试。燃料电池堆振动测点说明如表1所示。

表1 燃料电池堆振动测点说明

测点位置测点用途测点方向 电堆前侧目标迭代x,y,z 电堆左侧监测控制x,y,z 电堆右侧监测控制x,y,z 电堆左悬置目标迭代x,y,z 电堆右悬置监测控制x,y,z

试验场的实车振动谱采集试验一个测量循环共包含8种强化坏面，采集试验共完成了3次循环，每个循环试验的振动谱数据各通道信号的长度约为1 058 s。试验场强化坏路及试验车速如表2所示，该测试依据参考了某燃料电池示范运行车在试验场强化道路的实际耐久试验行驶工况。

表2 试验场强化坏路类型及试验车速

序号道路类型长度/m车速/(km/h) 1搓板路甲20055 2搓板路乙20055 3坑洼路20010 4凸块路甲9015 5凸块路乙9025 6大卵石路20018 7比利时路2 50020 8粗沥青路40060

2.2 振动谱数据处理

对实车采集的燃料电池堆振动谱数据进行处理分析，考察每个试验循环数据与整体试验数据的一致性，验证各循环数据是否具有各态历经的统计特征，对于试验数据的有效性验证非常重要，数据准确无误后才可进行台架试验数据准备[3]。因此，本文首先通过以下几方面对振动谱数据进行了处理：

1）低通滤波处理。低通滤波处理可消除高频干扰信号，提高信号的信噪比。以路面激励的频率范围为参考设置低通滤波频率，强化路面载荷的频率主要集中在50 Hz以内，因此，低通滤波频率选取50 Hz进行处理。

2）异常值剔除。由于测试设备的电压变化、电磁干扰或测试系统受到异常振动等，导致采集的信号中产生了异常值，这些非实际载荷的异常值必须剔除[4]，否则对载荷大小的估计及台架耐久试验结果的判断都有很大影响。

3）去除趋势项。由于外界的干扰和系统的原因，往往会造成某些振动谱信号偏离基线，偏离基线随时间变化的过程为趋势项。产生趋势项的数据通道均应去除后才可以正常使用，本文采用了时域数据动态均值法进行去除。

通过以上数据处理后的时域数据如图1所示（以比利时路为例）。

图1 燃料电池堆（前侧）时域数据

同时，对3次循环试验在试验场8种强化坏路上的时域数据分别进行了幅值域统计分析和频谱分析，结果如图2和图3所示，图1表明3次循环试验周期内燃料电池堆的试验数据在幅值域分布及频域分布基本保持一致。因此，选取其中一个循环的数据作为台架数据输入。

图2 幅值域对比分析

图3 频谱数据对比分析

3 台架等效耐久试验及加速耐久试验方法

3.1 试验数据准备

由于实车振动谱时域数据表示加速度信号随时间变化的各态历经关系，不能直接用于驱动台架进行随机振动试验，多轴振动模拟试验台需要使用功率密度谱（Power Spectral Density, PSD）数据作为输入。因此，本文通过振动谱时域数据首先计算每种道路工况下对应的冲击响应谱（Shock Response Spectrum, SRS）及疲劳损伤谱（Fatigue Damage Spectrum, FDS），进而利用nCode软件、结合试验工况要求，进而编制开展燃料电池堆台架耐久试验需要的随机振动PSD。

3.1.1冲击响应谱

冲击响应谱是将冲击激励施加到一系列线性、单自由度弹簧、质量系统时，将各单自由度系统的最大响应值（加速度、速度、位移等）作为对应于系统固有频率的函数响应曲线[5]。目前，应用较为广泛的冲击响应谱算法是改进的递归数字滤波法，该方法在1980年首先由Smallwood提出。

式中，(-∆)为单位阶跃函数；为在-∆时斜台的斜率；∆为系统的采样率。根据叠加原理可以得到一个梯形函数逼近于冲击输入的数学模型，该方法相对于原来的数字滤波方法更加精确[6]。

基于以上方法，将燃料电池堆前侧的实车振动谱数据分别计算了8种试验场强化坏路对应的冲击响应谱。以比利时路为例，燃料电池电堆的冲击响应谱如图4所示。同时，将8种试验场强化坏路的冲击响应谱按照最大值叠加的方法进行计算，得到燃料电池堆在试验场强化坏路下的SRS最大值包络线，此包络线表示开展台架耐久试验时SRS可能达到的最大响应谱，SRS最大响应谱如图5所示。

图4 燃料电池堆冲击响应谱

图5 燃料电池堆SRS最大响应谱

3.1.2疲劳损伤谱

FDS是基于Miner损伤准则的随机振动谱，疲劳损伤会随着时间的推移而累积，直到损伤值达到极限值后会发生疲劳破坏。因此，疲劳损伤谱用来表征该段信号对结构造成的损伤效果，FDS结合了疲劳损伤理论和雨流计数法，代表了在其分析频带内的振动损伤[7-8]。本文将FDS作为开展燃料电池堆台架耐久试验的边界条件，分别计算了燃料电池堆前侧的实车振动谱数据在8种试验场强化坏路下疲劳损伤谱。以比利时路为例，燃料电池堆前侧振动谱的疲劳损伤谱如图6所示。

图6 燃料电池堆（前侧）疲劳损伤谱

3.2 台架等效耐久试验PSD

基于实车采集的振动谱时域数据，通过以上试验数据准备，共有16个数据文件可使用，包含8个SRS文件和8个FDS文件，下一步再结合该燃料电池汽车的示范运营耐久性目标里程，进行燃料电池堆台架耐久试验随机振动PSD的编制。

本文开展试验的燃料电池示范运营车在试验场8种强化坏路下的耐久试验循环要求如表3所示，要求燃料电池堆每轴的强化耐久性试验总时长为108 h，试验循环数为等效用户道路行驶240 000 km的试验场耐久试验规范要求。

表3 燃料电池堆耐久试验循环要求

序号道路类型循环次数累积时长/h 1搓板路甲1 0004 2搓板路乙1 0004 3坑洼路50010 4凸块路甲1 0006 5凸块路乙1 0003.5 6大卵石路1 00011 7比利时路50062.5 8粗沥青路1 0007 合计108

根据Miner损伤规则，允许将多个强化道路工况下的疲劳损伤谱进行累加，获得一个完整循环下的总疲劳损伤谱，总疲劳损伤谱表示燃料电池堆产生的累积损伤。因此，本文依据表3中燃料电池堆耐久试验循环要求，将8种试验场强化坏路下燃料电池堆产生的疲劳损伤谱进行累加，得到的总疲劳损伤谱如图7所示。

图7 燃料电池堆总疲劳损伤谱

台架等效耐久试验的原则是燃料电池堆在台架试验中出现的故障模式或失效机理理论上应与试验场强化坏路上产生的故障模式或失效机理保持一致。因此，本文根据表3中对于燃料电池堆每轴的耐久试验累积时长要求，将图7的燃料电池堆总疲劳损伤谱作为边界条件。利用nCode软件，每轴设定耐久试验总时长为108 h，进而获取燃料电池堆台架等效耐久试验的随机振动PSD，据此可分别得到燃料电池堆、、三个方向的台架等效耐久试验随机振动PSD，如图8所示。

图8 台架等效耐久试验随机振动PSD

3.3 台架加速耐久试验PSD

通过开展台架等效耐久试验，可独立完成对车用燃料电池堆的振动疲劳耐久试验验证，理论上可保证燃料电池堆产生总疲劳损伤分布与试验场强化坏路的疲劳损伤结果分布一致。但是，燃料电池堆台架等效耐久试验每轴都需要进行108 h，总时长共需324 h，试验周期长、成本高。因此，为了进一步缩短试验周期，达到加速试验的目的，同时保证燃料电池堆的台架加速耐久试验结果与试验场强化坏路的试验结果在一定程度上依然具有相同的疲劳损伤分布。

本文进一步探索了燃料电池堆台架加速试验PSD的编制方法。依然将图6中燃料电池堆总疲劳损伤谱作为边界条件，利用nCode软件，将每轴耐久试验时长持续进行压缩，并把加速试验PSD下产生的总疲劳损伤分布与总疲劳损伤谱持续进行对比。结果表明，将每轴振动时长压缩至最短33 h时，两者还基本保持一致，低于33 h后的疲劳损伤分布将无法满足边界条件。因此，每轴试验时长最低可压缩至33 h，试验时长相较台架等效耐久试验每轴缩短了约70%，达到了加速试验的目的。台架加速耐久试验随机振动PSD如图9所示。

图9 台架加速耐久试验随机振动PSD

为了验证采用该随机振动PSD试验时，燃料电池堆不会产生不符合实际的高负荷载荷，本文又进一步将台架加速耐久试验PSD产生的极限响应谱（Extreme Response Spectrum, ERS）与图4所示的燃料电池堆的SRS最大响应谱进行了比较，对比结果如图10所示。结果表明，燃料电池堆台架加速耐久试验PSD产生的极限响应谱整体小于SRS最大响应谱（此处ERS和SRS的方向为向）。因此，燃料电池堆台架加速耐久试验不会出现不符合实际情况的高负荷载荷。

图10 燃料电池堆ESR与SRS最大响应谱

4 结束语

本文利用某燃料电池示范运行车，在试验场的8种强化坏路下对燃料电池堆进行了实车振动谱数据采集，进而对基于实车路谱的燃料电池堆台架耐久试验方法进行了研究，研究结果可为车用燃料电池堆开展台架耐久试验时提供参考。主要结论如下：

1）由于燃料电池汽车在实际道路上行驶时工况复杂，且会持续承受道路不平度引起的振动与冲击载荷，这些载荷均以随机振动的形式体现。因此，本文首先利用燃料电池实车在试验场强化坏路上进行燃料电池堆的振动谱数据采集，包括，，三个轴向的实车振动数据，为台架耐久试验提供了准确的数据输入。

2）为将燃料电池堆在试验场强化坏路的整车振动耐久试验等效到多轴振动模拟试验台架上进行，本文以燃料电池堆在试验场强化道路下的冲击响应谱、疲劳损伤谱作为边界条件，通过等效疲劳损伤分布的方法进行台架等效耐久试验随机振动PSD的编制，最终达到了每轴与试验场强化道路108 h等效的台架耐久试验。

3）为进一步缩短燃料电池堆台架耐久试验周期，达到加快试验进度的目的，本文将每轴的试验时长压缩至最短33 h，相较台架等效耐久试验每轴试验节省了约70%的时间，且保持了与试验场强化坏路的总疲劳损伤谱相一致。同时，验证表明台架加速耐久试验的PSD谱不会对燃料电池堆产生不切实际的高负荷载荷影响。

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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，工程师，研究方向为新能源汽车测试评价，E-mail:wuzhen@catarc.ac.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.002