基于道路模拟实验的PEMFC机械振动特性

李玉坷，何云堂，郝 冬，侯永平

(1. 同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804； 2. 中国汽车技术研究中心，天津 300300)

基于道路模拟实验的PEMFC机械振动特性

李玉坷1，何云堂2，郝 冬1，侯永平1

(1. 同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804； 2. 中国汽车技术研究中心，天津 300300)

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行250 h强化道路振动耐久实验，分别在振动0 h、78 h、150 h和250 h后采集PEMFC的响应信号数据，进行时域和频域分析。在时域内，分析PEMFC的加速度响应信号均方值随时间的变化规律；在频域内，研究PEMFC加速度响应的特征频率及对应的幅值与振动时间的关系。振动250 h后，PEMFC加速度响应的均方值有增大趋势，加速度响应信号的特征频率未发生改变，但特征频率对应的幅值有略微波动。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)； 耐久实验； 时域； 频域

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是电动车的理想候选电源之一[1]。电动汽车在行驶过程中，不可避免地会受到路面的各种振动与冲击[2]，进而导致电池的性能衰减。在目前已经公开发表的文献中，关于燃料电池振动耐久性的研究较少。M.C.Bétournay等[3]将小型燃料电池连接到矿用装载机的底盘上，在矿井中经受49 h的振动和冲击，发现该小型电堆在经受振动和冲击后，没有发生明显的机械破坏，但极化曲线在大电流区间出现了明显的波动变化。在传统车的疲劳耐久研究方面，吴道俊[4]对某轿车进行耐久性实验，在车身后地板位置粘贴应变片，累计测量5次该位置的应变信号，从均方根、标准偏差和伪损伤等方面，对应变信号数据进行分析，发现在耐久性实验期内，该位置没有裂纹产生。张生[5]运用模态分析的方法，分析系统的固有频率和振型等参数，根据机械设备参数变化情况，分辨故障类型。

目前，从时域和频域两个方面对燃料电池进行全面故障分析的研究相对较少。本文作者基于室内模拟强化道路振动条件，对9 kW PEMFC进行250 h耐久性振动实验，分别在振动0 h、78 h、150 h和250 h后采集响应信号，基于时域和频域分析原理，对PEMFC激励和响应信号进行分析，为车用PEMFC的振动耐久性分析提供参考。

1 理论基础

振动故障诊断的基本方法包括时域分析法、频域分析法和小波分析法等。对振动时域信号的时间历程进行分析和研究，是状态监测中最简单直接的方法。通过振动信号的频谱分析，解释振动过程的频率结构，是进行故障诊断的重要途径[6]。本文作者主要运用时域分析法和频域分析法进行分析。

在时域分析方法中，一般只关注载荷信号幅值的最大值，但最大值只是给出了载荷变化的极限，并未给出载荷中心位置的变化水平。

采用均方值描述载荷动态与静态总的平均能量水平[7]，均方值xrsm的计算公式见式(1)：

(1)

式(1)中：n为样本个数，xi为离散数据。

频域分析时，需根据各信号的功率谱密度函数获得信号能量或功率在频域内的分布情况，进而分析各信号能量集中的特征频率。

为了提高功率谱的计算精度，减小“栅栏效应”和环境噪声等因素的影响，采用Welch功率谱密度法估计法计算[8]，即改进的平均周期图法，采用信号重叠分段，加窗函数和FFT算法等，计算一个信号序列的功率谱密度函数。

2 实验

2.1 实验设备

模拟道路振动实验所采用的设备是六通道模拟振动实验台(美国产)。该实验台拥有6个作动器，以液压为动力，提供横向、纵向和垂向的平动，以及侧倾、横摆和俯仰的转动，可精确地模拟PEMFC在汽车上的运动状态[9]。

2.2 激励信号获取

激励信号获取步骤为：①在上海某专业化试车场的强化试验道路(SVP)上，采集燃料电池汽车(同济大学试验车)的原始道路谱；②将采集的原始道路谱迭代为实验台的驱动谱；③利用驱动谱进行燃料电池汽车的室内强化道路实验，并采集9 kW PEMFC(昆山产)的响应谱；④将PEMFC的响应谱迭代，获取六通道模拟振动实验台的驱动谱。

2.3 振动耐久实验

实验采用的驱动谱，1个周期的时长为145 s，包含了SVP的拱形不平整路、比利时路、薄饼路和坑洼路等13种路面的数据。由于零部件故障的形成是一个长时间积累的过程，将PEMFC放置在六通道模拟振动实验台上进行250 h耐久性振动实验，并采集振动0 h、78 h、150 h和250 h后，PEMFC上表面几何中心处的加速度响应信号。

3 振动耐久性分析

3.1 激励信号分析

振动实验台的输入信号是位移信号，而采集的响应信号是加速度信号。为了便于激励信号与响应信号的对比，将位移激励信号通过数值微分方法转化为加速度激励信号，并绘出加速度激励时域信号图形，如图1所示。

图1 PEMFC加速度激励信号

Fig.1 Acceleration excitation signal of PEMFC

从图1可知，在强化道路振动条件下，PEMFC在X、Y和Z等3个方向上的加速度激励信号，在时域内的变化趋势相同。

统计X、Y和Z等3个方向加速度激励的特征值，如表1所示，其中，最大值为载荷信号数据取绝对值后的最大值。

表1 加速度激励信号特征值统计

从表1可知，Z向的加速度激励信号强于X向和Y向，原因是：路面颠簸引起燃料电池汽车的垂向运动大于俯仰和侧倾运动。

为了获取加速度激励信号在频域内的能量分布情况，对PEMFC加速度激励信号进行频域分析，加速度激励信号的功率谱密度曲线如图2所示。

图2 PEMFC加速度激励功率谱

Fig.2 Acceleration excitation power spectrum of PEMFC

从图2可知，X、Y和Z等3个方向的加速度激励频率都集中在1～20 Hz，X向的特征频率为4.00 Hz、11.75 Hz和14.50 Hz，Y向和Z向的特征频率为11.75 Hz和14.50 Hz。

3.2 响应信号分析

3.2.1 时域分析

在PEMFC振动0 h、78 h、150 h和250 h后，在相同的激励信号条件下采集加速度响应信号，其中X向加速度响应信号的时域图形如图3所示。

图3 PEMFC在X向的加速度响应时域图形

Fig.3 Acceleration response in time domain of X direction of PEMFC

从图3可知，PEMFCX向的加速度响应信号在0 h、78 h、150 h和250 h的波形变化趋势一致，与图1所示的X向加速度激励的波形吻合。

X、Y和Z等3个方向的加速度响应的特征值见表2。

表2 加速度响应特征值统计

从表2可知，Z向的振动加速度最大值可达到3.495 g(1 g=9.8 m/s2)，主要与Z向的加速度激励较大有关。表2中的偏离值表示加速度响应均方值相对于0 h时初始均方值的偏离程度。0 h时无偏离，故偏离值为0；振动78 h、150 h和250 h后的均方值相对于0 h均方值的偏离值都在±8%内，由此可以判断：在250 h的耐久振动时间内，PEMFC并没有发生严重的机械破坏[4]。

X、Y和Z等3个方向4次加速度响应的均方值随振动时间变化曲线见图4，对均方值曲线进行线性拟合，得到加速度响应拟合直线。

图4 PEMFC加速度响应均方值

Fig.4 Mean square value of acceleration response of PEMFC

从图4可知，3条加速度响应拟合直线的斜率都大于0，说明随着振动时间的增加，PEMFC的振动能量有增大的趋势。可能的原因有：①随着振动时间的延长，PEMFC的预紧螺栓发生微小松动，导致两个端板之间的夹紧力减小，各组件之间的接触摩擦力略微减小；②PEMFC是通过T型架与封装外壳进行连接的(见图5)，随着振动时间的延长，PEMFC壳体及T型架在振动过程中发生变形，导致载荷在内部的传递发生了改变。

图5 PEMFC的T型架连接细节

Fig.5 The connecting detail of T stand of PEMFC

3.2.2 频域分析

利用时域分析可实现对设备的简易诊断，但当PEMFC结构发生故障，如出现裂纹，零部件损坏等情况，PEMFC的结构物理参数发生改变后，频域内的特征参数(固有频率、振型和频响函数等)也随之改变。根据这些参数的变化情况，可进一步判断PEMFC是否发生故障，并判断出故障的位置。

同激励信号的频域分析相同，对振动0 h、78 h、150 h和250 h后的响应信号进行频谱分析。X向的加速度响应的功率谱密度曲线见图6，X、Y和Z等3个方向的功率谱密度曲线的特征频率及幅值统计见表3。

图6 PEMFC在X向的加速度响应功率谱

Fig.6 Acceleration response power spectrum of X direction of PEMFC

表3 PEMFC激励与响应信号频谱特征值统计

Table 3 Characteristic value of acceleration excitation and response signal in frequency domain of PEMFC

方向特征频率/Hz幅值/10-3(9.8m·s-2)2·s激励0h78h150h250hX4.003.6333.6333.6333.6333.63311.756.0202.2412.2902.1012.28314.505.1511.3771.4081.2621.408Y11.7512.0514.4274.6044.3764.58714.508.7422.5902.3892.2702.306Z11.758.9103.5663.7373.4993.93814.506.3232.1902.2562.2082.308

从图6和表3可知，X向的特征频率为4.00 Hz、11.75 Hz和14.50 Hz，Y向和Z向的特征频率为11.75 Hz、14.50 Hz，与加速度激励的特征频率保持一致；同时，随着振动时间的延长，X、Y和Z等3个方向在频域内没有出现其他的特征频率，进一步确认PEMFC在振动250 h后没有发生严重的机械破坏。信号的自功率谱密度函数下的面积等于信号的均方值[7]，从图6可以看出，250 h的功率谱曲线略高于0 h的功率谱曲线，说明随着振动时间的增加，响应的均方值有增大趋势，进一步验证了时域分析的结果。

4 结论

本文作者对PEMFC振动250 h过程中的4次响应信号数据进行时域和频域分析，得出以下结论：①耐久振动对载荷在PEMFC内部的机械传递特性有一定的影响；②时域分析表明：PEMFC的响应信号的均方值随振动时间的延长有增大的趋势；③频域分析表明：PEMFC响应信号功率谱密度函数的特征频率对应的幅值有小幅增长，但特征频率并未发生改变。

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Vibration characteristics of PEMFC based on road simulation test

LI Yu-ke1，HE Yun-tang2，HAO Dong1，HOU Yong-ping1

(1.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter，TongjiUniversity，Shanghai201804，China；2.ChinaAutomotiveTechnology&ResearchCenter，Tianjin300300，China)

The endurance test of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) after vibrating for 250 h under strengthened road conditions was conducted. The response data after vibration for 0 h，78 h，150 h and 250 h was collected and analyzed in time domain and frequency domain. In time domain，the rule of the mean square value of the acceleration response data with the change of time was analyzed. The characteristic frequency of the acceleration response data of the fuel cell and the relation between the amplitude of the characteristic frequency and the time of vibrating were analyzed in frequency domain. After vibrating for 250 h，the mean square value of the acceleration response data had the tendency to increase，the characteristic frequency of the acceleration response data remained the same，but the amplitude of the characteristic frequency changed a little.

proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)； endurance test； time domain； frequency domain

李玉坷(1989-)，男，河南人，同济大学新能源汽车工程中心硕士生，研究方向：汽车试验技术，本文联系人；

国家自然科学基金(51275357)

TM911.42

A

1001-1579(2016)05-0239-04

2016-06-06

何云堂(1966-)，男，天津人，中国汽车技术研究中心高级工程师，研究方向：汽车标准化；

郝 冬(1988-)，男，天津人，同济大学新能源汽车工程中心博士生，研究方向：汽车试验技术；

侯永平(1971-)，男，山西人，同济大学新能源汽车工程中心教授，博士生导师，研究方向：汽车试验技术、车辆系统动力学等。