上一次,小捷為大家介紹了燃料電池系統的總體誕生過程。那么在燃料電池的系統的設計過程當中,會遇到哪些問題?又該怎么解決呢?
今天,就讓小捷給大家介紹燃料電池系統在結構設計上會遇到的問題和解決方案。
對于燃料電池系統的結構設計而言,安全性和可靠性肯定是重中之重。那什么樣的產品可以認為是安全可靠的呢?
簡單來說,就是燃料電池系統在規定的載荷等條件下,經歷規定的時間和里程等,最終保持可靠性,就可以認為這個燃料電池的結構是可靠的。
那么該如何評估燃料電池系統的結構可靠性呢?有沒有具體的例子?
我們是采用了兩大工具:仿真與試驗,并從五個維度:模態、振動傳遞、振動耐久、靜強度、沖擊強度來評估燃料電池的可靠性。
以PROME P3X系統為例,在設計初期,主要通過仿真進行分析。設置完善的工況條件,對系統進行多個維度的全面評估。
我們可以通過計算系統的模態,得到系統本身的振動特點。包括系統整體各個轉動件的主要振型是怎樣的?轉動件是以軸向還是徑向的運動為主?轉動件的工作點與支架是否共振?轉動件相互間是否有共振?等等。
對系統本身的振動特點分析,有助于在項目初期發現結構的薄弱點,找出主要的改進方向。
系統振動模態圖
分析自身的振動特點之后,是不是還需要分析其他的因素?比如路面不平而引起的振動是不是也有影響?
沒錯,除了評估本身的結構特點,系統的隨機和沖擊分析也是重要的分析項。分析工況條件盡可能涵蓋實際的應用情況,這樣才能更好的發現結構方面的應用問題。
具體來說,隨機振動分析是評估燃料電池系統的振動耐久性能,一般通過PSD載荷譜作為分析條件,反映的是車輛在長時間運行下系統受到的一個統計載荷,評價標準是要求系統在x、y、z方向的振動激勵下不發生斷裂損傷。
而沖擊振動分析是評估燃料電池系統在大載荷下的結構強度,一般對應過坑、撞擊等加速度較大的實際狀態,同樣要求x、y、z方向載荷下均不發生斷裂損傷。
振動耐久分析的PSD載荷
仿真測試完沒有問題就可以了嗎?
當然不是,完成仿真評估后,系統的數模經過鎖定到裝配,還需要通過相關的測試,最終完成結構可靠性的評估與檢驗。
只有經過多輪靜態特性、動態性能、疲勞耐久等的仿真分析,以及試驗的評估,燃料電池系統在各個維度上都達到目標要求,才能確保燃料電池系統能夠在車輛行駛過程中可靠運行。
振動與沖擊臺架試驗
經過這么多工序的結構就是不是就完美了?
在其他方面仍然有提升的空間。有時,初期的結構設計會比較“穩重”,這是為了能夠充分的滿足結構的靜態、動態特性以及耐久、抗沖擊的要求。但過于“穩”,“重”的缺點也會隨之而來。在保證系統的結構耐久穩定性的基礎上,下一步的工作就是盡可能的降低結構重量,保持系統輕便,以提升燃料電池系統質量功率密度。
那怎么樣才能使得系統變得輕便?
首先可以采用更穩定的結構設計,而不是厚重的結構。例如,避免采用過多厚重的方鋼作為主要支撐,在燃料電池系統中優化懸置的位置,使整體本身的剛度提高。
此外,初版結構設計鎖定后,難以進行大的變動,可以考慮在原設計的基礎上進行拓撲優化,以每個結構單元的使用率為優化對象,根據結構單元的使用率,對結構形式進行優化改進,達到系統減重的目的。
P3X集成框架的單元密度優化
在燃料電池系統結構性能滿足要求的前提下,通過結構拓撲優化等仿真手段,采用高度一體化集成策略,基于多結構耦合設計理念,將系統布置空間及系統質量做到極致。
怎么樣,大家對燃料電池的結構設計有一定了解了嗎?下一期小捷會帶大家了解,燃料電池系統的NVH性能(乘員感受到的噪聲、振動及相關的聲振粗糙度)是如何優化的~
原文始發于微信公眾號(捷氫科技):我們很穩,但不重 ——小捷帶你走進燃料電池系統的結構設計