燃料电池系统HIL测试解决方案

燃料电池系统是新能源汽车领域重点发展的方向之一，能够做到无排放污染的同时解决电动汽车中续航和能源补充等瓶颈问题。燃料电池控制器（Fuel cell Control Unit，FCU）作为燃料电池系统的主控单元，控制燃料电池系统的安全、可靠运行。FCU的主要功能包括：传感器信号采集、执行器指令输出、与其他控制器信息交互、监测并预测系统功率输出，诊断系统各类型故障。

图1 燃料电池系统控制器（FCU）功能

燃料电池系统是一个多维、且参数敏感度高的复杂非线性系统。燃料电池仿真模型作为FCU仿真测试的关键部分，需要将影响燃料电池系统性能的各维度参数进行综合处理，尽可能反应出燃料电池真实特性，为FCU的仿真测试提供准确的测试环境。经纬恒润基于多年的仿真模型开发经验和成熟的新能源电控系统测试平台，可提供功能丰富完善的FCU硬件在环仿真测试解决方案。

燃料电池HIL测试系统解决方案可覆盖如下功能测试：

• 控制器上下电控制逻辑测试

• 喷射阀、压缩机、循环泵、加湿器、风扇控制

• 流量、压力、温度、湿度等传感器信号采集

• 氢气流量/压力闭环控制测试

• 氧气流量/压力闭环控制测试

• 燃料电池输出功率控制

• 燃料电池热管理功能测试

• FCU控制诊断功能及IO诊断功能测试

• CAN通讯收发功能测试

• 控制策略开发验证

图2 燃料电池系统HIL测试方案

硬件系统

燃料电池系统控制器HIL的硬件系统为目标控制器输入真实的电气信号，同时对控制器和真实负载输出的电气信号进行采集处理。硬件系统的组成包括：

• 电源管理系统

• 基于PXI的实时处理系统

• 数字量/模拟量输入输出板卡

• 温度传感器信号仿真板卡

• 电流输入输出及故障注入板卡

• 喷射阀等驱动信号采集板卡

• 总线信号（CAN、LIN、FlexRay）板卡

图3 真实负载信号处理逻辑

软件工具

试验软件作为人机交互接口，可实现：工程管理、信号交互、在线监测、故障设置、自动化测试等功能。

故障注入软件可实现硬线故障的配置与激活功能。

自动测试软件用于测试序列的执行，制定测试计划，生成测试报告。

图4 HIL测试系统软件配置

模型配置

仿真模型用于配置目标控制器外围的逻辑环境，主要包括：硬线输入/输出接口模型、总线输入/输出接口模型、虚拟驾驶员模型、虚拟控制器模型、燃料电池模型、车辆动力学仿真模型。其中燃料电池模型是本方案核心。

燃料电池系统模型基于热力学、电化学原理搭建，支持参数化配置，电堆模型遵循质量守恒、能量守恒定律。燃料电池系统模型主要组成：

• 阳极供氢气系统：流量，压力，浓度，摩尔分量

• 阴极供氧/空气系统：流量，压力，浓度，摩尔分量

• 加热/冷却系统：加热系统，冷却循环

• 循环系统：吹扫，气体循环，水循环，温度循环

• 电堆模型：分压计算，气体消耗计算，能量转换计算，理论电压计算，极化过程计算，湿度计算

图5 质子交换膜（PEM）燃料电池系统模型