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展望未来：燃料电池控制单元的测试和验证

2020-05-14 17:57:42·  来源：ETAS易特驰  
　
展望未来燃料电池控制单元的测试和验证多年来，车辆动力传动系统从传统内燃机向电气化动力传动系统的转化已经被汽车制造商和配件供应商提上了日程。然而，很长一
展望未来
 
燃料电池控制单元的测试和验证
 
多年来，车辆动力传动系统从传统内燃机向电气化动力传动系统的转化已经被汽车制造商和配件供应商提上了日程。然而，很长一段时间以来，这些替代驱动系统的研发活动侧重于串联或并联混合动力系统，以维持化石燃料快速补充燃料的优势。
 
直到今天，电池-电力驱动概念仍然存在续航时间短、重量大、充电时间相对较长等缺陷。针对这些挑战，我们可以看到，目前在燃料电池领域的研究和基于燃料电池的驱动概念的开发方面都有明显的进步。
 
燃料电池作为一种电化学驱动与电子控制系统。需要详细开发燃料电池的化学、机械、电气子系统以及功能强大的电子控制单元。测试与验证是开发 过程中非常重要的一个环节，ETAS工程师采用了硬件在环（HiL）的方法，将燃料电池控制单元投入到闭环中运行，并进行了广泛的测试。HiL系统的主要目标是尽可能逼真地模拟驾驶员、车辆（部件）和环境。关于模拟精度的要求，通过与ECU软件开发部门就质量目标密切合作确定。
 
1、燃料电池硬件在环（HIL）系统
 
 
图1：ETAS燃料电池LABCAR
 
HiL方法显著提高了软件开发效率，并减少了开发成本和开发时间。HiL系统可以用于软件开发的早期试验阶段，对加快软件开发进度有很大帮助。图1所示为HiL系统的正视图。HiL系统提供模拟和数字输入/输出硬件板和总线通信接口（例如，CAN、LIN等）供用户进行配置。对于特殊的负载功能（例如，氢气喷射器），真实或模拟的电子负载被集成到HiL系统中。利用电子喷射器负载模块，可以高精度地模拟氢气喷射器。
 
高精度物理燃料电池仿真模型的输入和输出通过软件集成平台（在这个例子中为ETAS COSYM）与HiL的硬件输入和输出相连。燃料电池模型在严格的实时条件下在实时仿真计算机上运行。集成燃料电池ECU的校准接口（例如，ETAS INCA）形成了仿真和燃料电池软件与模拟燃料电池系统之间的闭环
 
 
2、燃料电池模型
 
图2：车辆中的燃料电池系统
 
HiL系统最重要的组成部分是燃料电池系统的物理仿真模型（例如，ETAS LABCAR-MODEL-FC）。图2显示了燃料电池系统的五个主要部分：燃料电池堆、带氢气供应/储氢罐的阳极回路、空气供应阴极回路、用于系统温度控制的冷却回路、用于储能、电压转换和电气负载（电机）的高压电气回路。这五个主要部分集成在一个复杂的燃料电池系统中，会对系统工作能效产生很大影响。
 
为了在 HiL 系统上运行整个燃料电池仿真模型，必须考虑以下几点：
 
软件模型必须能够实时运行。
燃料电池单体模型必须模拟详尽的物理关系。例如，“损耗”或电流、温度和电阻的影响，以及电池内部的水分等。
需要详细计算电堆内部水的组成和两相水模型，计算出气道中气态和液态水等聚集状态的“转化”图。
需要一个一维多组份气道模型，它可以分别定义每个电极的气体成分以及压力损失特性。
需要支持不同的流道设计和详细的单元内部气体成分转换与渗透特性计算。
必须考虑到基于膜-温度模型、电池-水组成的非线性动力学和依赖温度的流体特性模型以实现冷启动过程模拟。
为了支持不同的燃料电池系统架构，各子系统部件模型应构建模型库
 
图3. 将燃料电池分成独立的部分
 
如图 3 所示，模型中的燃料电池单体沿着气体扩散方向分成若干部分。当 z 坐标跟随气体流动时，x 坐标和 y 坐标垂直于膜和气道。燃料电池模型包含所有功能层，包括双极板、气道、气体扩散和膜。因此，对于一个部分，可以使用与整个电池相同的方程组。质量流和热流将电池的各部分和各层连接起来。模型各部分之间的能量，质量交换主要通过在气道，双极板和膜电极中进行。
 
由于膜电极质量可以忽略不计，膜电极组件（MEA）对与相邻部分的能量交换没有影响。此外，它在 x 方向上的范围比在 z/y 方向上的范围要小几个数量级。因此，驱动质子和水通过电池的空间压力和浓度梯度，主要发生在 x 方向上。因此，在对电堆内部特性建模时，我们主要关注气道和双极板。
 
一个由大量子系统零部件组成的燃料电池模型库能够支持不同系统架构的燃料电池发动机系统仿真和ECU测试应用。特别是必须考虑氢气喷射器（HGI）、氢气再循环泵（HRB）、水分离器，阳极回路排空阀、空气压缩机、阴极回路加湿器、冷却水泵、冷却回路MCV阀、安全回路和DCDC高压输入。这些部件通过灵活集成提供一个完整的燃料电池系统模型供HiL系统使用。
 
3、仿真与试验验证
图4显示了未经校准的HiL LABCAR实时仿真（红线）和车辆试车（蓝线）的测试数据。两种数据使用的是相同的燃料电池控制单元。
 
图4：ETAS LABCAR HiL仿真与车辆试验测试结果对比图
 
红线：闭环仿真蓝线：实测数据
 
与车辆试验数据相比，阳极（氢气）压差，压缩机的质量流速（“空气”）的仿真结果在很大程度上与实测数据趋势一致。燃料电池所输出的电流与车辆试验数据非常接近。燃料电池模块产生的电压与车辆实测数据的变化趋势也大致相同。
 
利用测试台测量结果来校准燃料电池模型（模型校准），可以实现系统仿真和试车数据的优化。如果ECU软件的开发需要，目前可以使用350个参数进一步优化已开发和使用的实时燃料电池模型。此外，对车辆动力学、电机或电池的仿真可以改善仿真结果。 
 
除了使用hil测试系统的测试和验证方法外，在ECU软件开发的早期阶段，对虚拟化测试过程的需求也不断增加。利用HiL测试中使用的燃料电池仿真模型，用户可以在真实的ECU模型可用之前，对ECU的功能进行全面的虚拟测试。通过XiL测试平台COSYM，不仅可以在虚拟闭环实验中验证未来ECU的软件功能，还可以将仿真模型集成到仿真的高级车辆模型中。通过模拟所有车辆总线（例如，虚拟CAN或汽车以太网），可以在早期开发阶段实现对网络通信的现实分析。
 
结 论  
 
在燃料电池控制单元的新开发和进一步开发中，为了获得可靠且可重复的测试结果，精确实时模拟燃料电池将是在HiL测试台上进行验证的基本要素。
 
早期使用的SiL测试平台还可以在开发过程中，在集中、高效的测试环境里实现早期、递归的测试。现有的HiL和SiL解决方案及相关的仿真模型为在所有安全要求下高效开发燃料电池控制单元奠定了基础。
 
燃料电池将很快能够为让交通变得更环保做出重要贡献，并以可持续的方式满足世界各地的法规要求。 
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