燃料電池系統(tǒng)是新能源汽車領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的方向之一，能夠做到無(wú)排放污染的同時(shí)解決電動(dòng)汽車中續(xù)航和能源補(bǔ)充等瓶頸問(wèn)題。燃料電池控制器（Fuel cell Control Unit，F(xiàn)CU）作為燃料電池系統(tǒng)的主控單元，控制燃料電池系統(tǒng)的安全、可靠、高效運(yùn)行。

FCU的主要功能包括：傳感器信號(hào)采集、執(zhí)行器指令輸出、與其他控制器信息交互、監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)系統(tǒng)功率輸出，診斷系統(tǒng)各類型故障。

圖1 燃料電池系統(tǒng)控制器（FCU）功能

燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)多維、且參數(shù)敏感度高的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。燃料電池仿真模型作為FCU仿真測(cè)試的關(guān)鍵部分，需要將影響燃料電池系統(tǒng)性能的各維度參數(shù)進(jìn)行綜合處理，盡可能反應(yīng)出燃料電池真實(shí)特性，為FCU的仿真測(cè)試提供準(zhǔn)確的測(cè)試環(huán)境。經(jīng)緯恒潤(rùn)基于多年的仿真模型開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和成熟的新能源電控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，可提供功能豐富完善的FCU硬件在環(huán)仿真測(cè)試解決方案。

燃料電池HIL測(cè)試系統(tǒng)解決方案可覆蓋如下功能測(cè)試：

控制器上下電控制邏輯測(cè)試

噴射閥、壓縮機(jī)、循環(huán)泵、加濕器、風(fēng)扇控制

流量、壓力、溫度、濕度等傳感器信號(hào)采集

氫氣流量/壓力閉環(huán)控制測(cè)試

氧氣流量/壓力閉環(huán)控制測(cè)試

燃料電池輸出功率控制

燃料電池?zé)峁芾砉δ軠y(cè)試

FCU控制診斷功能及IO診斷功能測(cè)試

CAN通訊收發(fā)功能測(cè)試

控制策略開發(fā)驗(yàn)證

圖2 燃料電池系統(tǒng)HIL測(cè)試方案

硬件系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)控制器HIL的硬件系統(tǒng)為目標(biāo)控制器輸入真實(shí)的電氣信號(hào)，同時(shí)對(duì)控制器和真實(shí)負(fù)載輸出的電氣信號(hào)進(jìn)行采集處理。硬件系統(tǒng)的組成包括：

電源管理系統(tǒng)

基于PXI的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)

數(shù)字量/模擬量輸入輸出板卡

溫度傳感器信號(hào)仿真板卡

電流輸入輸出及故障注入板卡

噴射閥等驅(qū)動(dòng)信號(hào)采集板卡

總線信號(hào)（CAN、LIN、FlexRay）板卡

圖3 真實(shí)負(fù)載信號(hào)處理邏輯

軟件工具

試驗(yàn)軟件作為人機(jī)交互接口，可實(shí)現(xiàn)：工程管理、信號(hào)交互、在線監(jiān)測(cè)、故障設(shè)置、自動(dòng)化測(cè)試等功能。

故障注入軟件可實(shí)現(xiàn)硬線故障的配置與激活功能。

自動(dòng)測(cè)試軟件用于測(cè)試序列的執(zhí)行，制定測(cè)試計(jì)劃，生成測(cè)試報(bào)告。

圖4 HIL測(cè)試系統(tǒng)軟件配置

模型配置

仿真模型用于配置目標(biāo)控制器外圍的邏輯環(huán)境，主要包括：硬線輸入/輸出接口模型、總線輸入/輸出接口模型、虛擬駕駛員模型、虛擬控制器模型、燃料電池模型、車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型。其中燃料電池模型是本方案核心。

燃料電池系統(tǒng)模型基于熱力學(xué)、電化學(xué)原理搭建，支持參數(shù)化配置，電堆模型遵循質(zhì)量守恒、能量守恒定律。燃料電池系統(tǒng)模型主要組成：

陽(yáng)極供氫氣系統(tǒng)：流量，壓力，濃度，摩爾分量

陰極供氧/空氣系統(tǒng)：流量，壓力，濃度，摩爾分量

加熱/冷卻系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)，冷卻循環(huán)

循環(huán)系統(tǒng)：吹掃，氣體循環(huán)，水循環(huán)，溫度循環(huán)

電堆模型：分壓計(jì)算，氣體消耗計(jì)算，能量轉(zhuǎn)換計(jì)算，理論電壓計(jì)算，極化過(guò)程計(jì)算，濕度計(jì)算

圖5 質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)模型