CN113738689A - 燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置，包括以下步骤：定义车辆使用场景和试验场工况；在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号；获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线；基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置能够模拟实车路况的振动加速老化方法，有效提高了测试效率及测试准确率。

Description

燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池的技术领域，特别是涉及一种燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置。
背景技术
在碳达峰和碳中和的背景下，二氧化碳的排放要求日以严苛。由于燃料电池车辆工作时只产生水和热量，燃料电池系统越来越受到人们的关注。离心空压机作为燃料电池系统的“心脏”，具有体积小、噪音低、无油和高效率的优点。故众多燃料电池系统厂家采用离心空压机作为空气子系统技术路线。
然而，车辆在日常行驶中不可避免地存在振动，离心空压机在怠速和启停工况时由于气模刚度较低，容易产生空气轴承磨损，从而影响离心空压机的寿命和性能。因此，振动作为衡量离心空压机可靠性和耐久性的十分重要的标准。
振动加速方法影响到离心空压机的寿命评估。现有技术中，振动老化多采用频域老化法，即把路谱信号转换为频谱后，增加振动幅值，提高零件受力，以达到与实车等效疲劳的目的。但是，上述方法适用于金属结构件，无法模拟实车振动老化工况，不适用于燃料电池空压机。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置，能够模拟实车路况的振动加速老化方法，有效提高了测试效率及测试准确率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种燃料电池离心空压机振动试验方法，包括以下步骤：定义车辆使用场景和试验场工况；在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号；获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线；基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。
于本发明一实施例中，还包括在所述时域振动加速老化试验完毕后，测量所述离心空压机性能，评估试验前后性能差异。
于本发明一实施例中，所述车辆使用场景包括车辆类型信息、行驶路面信息；所述试验场工况包括各类行驶路面占比、行驶速度和载荷。
于本发明一实施例中，还包括对所述路谱振动信号进行预处理，以基于预处理后的路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；
对所述路谱振动信号进行预处理包括以下步骤：
剔除所述路谱振动信号中的异常信号；
对剔除异常信号后的路谱振动信号进行低通滤波。
于本发明一实施例中，获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线包括以下步骤：
在保持频谱一致的情况下，采用不同的振幅对空气轴承进行振动试验，获取所述空气轴承的疲劳寿命曲线。
于本发明一实施例中，基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱包括以下步骤：
基于所述空气轴承的疲劳寿命曲线，在所述路谱振动信号中剔除小于疲劳极限且不会造成损伤的振动，保留至少第一预设比例以上的损伤，生成所述加速老化振动时域载荷谱。
于本发明一实施例中，所述第一预设比例为95％。
本发明提供一种燃料电池离心空压机振动试验系统，包括定义模块、采集模块、获取模块、生成模块和输入模块；
所述定义模块用于定义车辆使用场景和试验场工况；
所述采集模块用于在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号；
所述获取模块用于获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线；
所述生成模块用于基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；
所述输入模块用于将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。
本发明提供一种燃料电池离心空压机振动试验控制终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述燃料电池电压监测控制器执行上述的燃料电池离心空压机振动试验方法。
本发明提供一种燃料电池离心空压机振动试验装置，包括上述的燃料电池离心空压机振动试验控制终端和振动系统；
所述振动系统包括振动台体、振动控制器和固定工装；离心空压机基于所述固定工装固定在所述振动台体上；所述振动控制器用于根据燃料电池离心空压机振动试验控制终端输入的加速老化振动时域载荷谱控制所述振动台体进行振动，以实现所述离心空压机的时域振动加速老化试验。
如上所述，本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置，具有以下有益效果：
(1)能够模拟实车路况的振动加速老化方法，振动水平更加贴近实车运行工况，减少了频域振动中的过大振幅；
(2)在保留95％疲劳损伤的前提下，时域振动接近实车行驶效果，且减少近93％振动耐久时间，提高了测试效率；
(3)适用于多个平台的离心式空压机，减少了测试次数，降低了开发成本。
附图说明
图1显示为本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法于一实施例中的流程图；
图2显示为本发明的空气轴承的疲劳寿命曲线于一实施例中的示意图；
图3显示为本发明的燃料电池离心空压机振动试验系统于实施例一中的结构示意图；
图4显示为本发明的燃料电池离心空压机振动试验控制终端于实施例一中的结构示意图；
图5显示为本发明的燃料电池离心空压机振动试验装置于实施例一中的结构示意图。
元件标号说明
31 定义模块
32 采集模块
33 获取模块
34 生成模块
35 输入模块
41 处理器
42 存储器
51 燃料电池离心空压机振动试验控制终端
52 振动系统
521 振动台体
522 振动控制器
523 固定工装
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置通过模拟实车路况的振动加速老化方法，有效提高了离心空压机寿命和性能的测试效率及测试准确率，极具实用性。
如图1所示，于一实施例中，本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法包括以下步骤：
步骤S1、定义车辆使用场景和试验场工况。
具体地，所述车辆使用场景包括车辆类型信息、行驶路面信息。其中，对车辆使用场景进行分类，可分为乘用车和商用车。所述乘用车又可分为小轿车、SUV、越野车、皮卡等，所述商用车又可分为物流车、渣土车、半挂车、矿车工程机械等。所述行驶路面信息包括搓衣板路、鹅卵石路、比利时路、高环路等。所述试验场工况包括各类行驶路面占比、行驶速度和载荷。
步骤S2、在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号。
具体地，针对某一特定的车辆使用场景和试验场工况，测量所述离心空压机所受到的路面振动，从而获得所述路谱振动信号。
于本发明一实施例中，还包括对所述路谱振动信号进行预处理。对所述路谱振动信号进行预处理包括以下步骤：
a)剔除所述路谱振动信号中的异常信号。
其中，所述异常信号是指明显不符合路谱振动信号阈值区间的信号。
b)对剔除异常信号后的路谱振动信号进行低通滤波。
具体地，对剔除异常信号后的路谱振动信号进行低通滤波，获取低于预设频率(如200Hz)的路谱振动信号。这是因为高频振动不会对离心空压机产生疲劳损伤。其中疲劳损伤是由于循环载荷引起的裂纹起始及其持续扩展，这种损伤是一个累积的过程。
步骤S3、获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线。
具体地，在保持频谱一致的情况下，采用不同的振幅对空气轴承进行振动试验，获取如图2所示的空气轴承的疲劳寿命曲线。
步骤S4、基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱。
具体地，基于所述空气轴承的疲劳寿命曲线，在所述路谱振动信号中剔除小于疲劳极限且不会造成损伤的振动，保留至少第一预设比例(如95％)以上的损伤，生成所述加速老化振动时域载荷谱。
步骤S5、将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。
具体地，模拟实车安装方式，将离心空压机放置在所述振动系统上，将加速老化振动时域载荷谱输入到所述振动系统，使用路谱仿真功能，在离心空压机运功状态下，对其进行时域振动老化评估。优选地，在所述时域振动加速老化试验完毕后，测量所述离心空压机性能，评估试验前后性能差异。若性能满足，则判断所述离心空压机条件合格；若性能不满足，则需要对所述离心空压机的空气轴承进行优化。
于本发明一实施例中，所述振动系统包括振动台体振动控制器和固定工装；离心空压机基于所述固定工装固定在所述振动台体上；所述振动控制器用于根据燃料电池离心空压机振动试验控制终端输入的加速老化振动时域载荷谱控制所述振动台体进行振动，以实现所述离心空压机的时域振动加速老化试验。
如图3所示，于一实施例中，本发明的燃料电池离心空压机振动试验系统包括定义模块31、采集模块32、获取模块33、生成模块34和输入模块35。
所述定义模块31用于定义车辆使用场景和试验场工况。
所述采集模块32与所述定义模块31相连，用于在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号。
所述获取模块33与所述采集模块32相连，用于获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线。
所述生成模块34与所述采集模块32和所述获取模块33相连，用于基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱。
所述输入模块35与所述生成模块34相连，用于将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。
其中，定义模块31、采集32、获取模块33、生成模块34和输入模块35的结构和原理与上述燃料电池离心空压机振动试验方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。
需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。
如图4所示，于一实施例中，本发明的燃燃料电池离心空压机振动试验控制终端包括：处理器41及存储器42。
所述存储器42用于存储计算机程序。
所述存储器42包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
所述处理器41与所述存储器42相连，用于执行所述存储器42存储的计算机程序，以使所述燃料电池离心空压机振动试验控制终端执行上述的燃料电池离心空压机振动试验方法。
优选地，所述处理器41可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
如图5所示，于一实施例中，本发明的燃料电池离心空压机振动试验装置包括上述的燃料电池离心空压机振动试验控制终端51和振动系统52。
所述振动系统52包括振动台体521、振动控制器522和固定工装523。
所述固定工装523与所述振动台体521相连，离心空压机基于所述固定工装523固定在所述振动台体521上。
所述振动控制器522与所述振动台体521与所述燃料电池离心空压机振动试验控制终端51相连，用于根据燃料电池离心空压机振动试验控制终端51输入的加速老化振动时域载荷谱控制所述振动台体521进行振动，以实现所述离心空压机的时域振动加速老化试验。
下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法。
采用本发明的本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法所产生的时域振动信号和实车振动信号的参数比较如表1所示。
表1、时域振动信号与实车振动信号对比
实车振动信号 时域振动信号
疲劳损伤 100％ 95.06％
试验时间 1013s 76.5s
因此，在保留95％疲劳损伤的前提下，本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法将试验时间从1013s减少至76.5s，时域振动接近实车行驶效果且减少近93％耐久时间。
另外，频域振动的振动幅值明显大于时域振动，频域振动法不适合离心空压机，其振动远大于日常行驶水平。而本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法采用的时域振动未放大振动幅值，只是剔除无损伤的小振幅，适用于离心空压机。
综上所述，本发明的燃料电池离心空压机振动试验方法、系统及装置能够模拟实车路况的振动加速老化方法，振动水平更加贴近实车运行工况，减少了频域振动中的过大振幅；在保留95％疲劳损伤的前提下，时域振动接近实车行驶效果，且减少近93％振动耐久时间，提高了测试效率；适用于多个平台的离心式空压机，减少了测试次数，降低了开发成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
定义车辆使用场景和试验场工况；
在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号；
获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线；
基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；
将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。
2.根据权利要求1所述的燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：还包括在所述时域振动加速老化试验完毕后，测量所述离心空压机性能，评估试验前后性能差异。
3.根据权利要求1所述的燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：所述车辆使用场景包括车辆类型信息、行驶路面信息；所述试验场工况包括各类行驶路面占比、行驶速度和载荷。
4.根据权利要求1所述的燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：还包括对所述路谱振动信号进行预处理，以基于预处理后的路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；
对所述路谱振动信号进行预处理包括以下步骤：
剔除所述路谱振动信号中的异常信号；
对剔除异常信号后的路谱振动信号进行低通滤波。
5.根据权利要求1所述的燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线包括以下步骤：
在保持频谱一致的情况下，采用不同的振幅对空气轴承进行振动试验，获取所述空气轴承的疲劳寿命曲线。
6.根据权利要求1所述的燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱包括以下步骤：
基于所述空气轴承的疲劳寿命曲线，在所述路谱振动信号中剔除小于疲劳极限且不会造成损伤的振动，保留至少第一预设比例以上的损伤，生成所述加速老化振动时域载荷谱。
7.根据权利要求6所述的燃料电池离心空压机振动试验方法，其特征在于：所述第一预设比例为95％。
8.一种燃料电池离心空压机振动试验系统，其特征在于：包括定义模块、采集模块、获取模块、生成模块和输入模块；
所述定义模块用于定义车辆使用场景和试验场工况；
所述采集模块用于在某一车辆使用场景和试验场工况下，采集燃料电池的离心空压机的路谱振动信号；
所述获取模块用于获取所述离心空压机的空气轴承的疲劳寿命曲线；
所述生成模块用于基于所述路谱振动信号和所述空气轴承的疲劳寿命曲线生成加速老化振动时域载荷谱；
所述输入模块用于将所述加速老化振动时域载荷谱输入振动系统，以基于所述振动系统对所述离心空压机进行时域振动加速老化试验。
9.一种燃料电池离心空压机振动试验控制终端，其特征在于：包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述燃料电池电压监测控制器执行权利要求1至8中任一项所述的燃料电池离心空压机振动试验方法。
10.一种燃料电池离心空压机振动试验装置，其特征在于：包括权利要求9所述的燃料电池离心空压机振动试验控制终端和振动系统；
所述振动系统包括振动台体、振动控制器和固定工装；所述离心空压机基于所述固定工装固定在所述振动台体上；所述振动控制器用于根据燃料电池离心空压机振动试验控制终端输入的加速老化振动时域载荷谱控制所述振动台体进行振动，以实现所述离心空压机的时域振动加速老化试验。
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