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展望未來：燃料電池控制單元的測試和驗(yàn)證
2020-05-14 17:57:42· 來源：ETAS易特馳
展望未來燃料電池控制單元的測試和驗(yàn)證多年來，車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)向電氣化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化已經(jīng)被汽車制造商和配件供應(yīng)商提上了日程。然而，很長一
展望未來
燃料電池控制單元的測試和驗(yàn)證
多年來，車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)向電氣化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化已經(jīng)被汽車制造商和配件供應(yīng)商提上了日程。然而，很長一段時(shí)間以來，這些替代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)活動(dòng)側(cè)重于串聯(lián)或并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，以維持化石燃料快速補(bǔ)充燃料的優(yōu)勢。
直到今天，電池-電力驅(qū)動(dòng)概念仍然存在續(xù)航時(shí)間短、重量大、充電時(shí)間相對較長等缺陷。針對這些挑戰(zhàn)，我們可以看到，目前在燃料電池領(lǐng)域的研究和基于燃料電池的驅(qū)動(dòng)概念的開發(fā)方面都有明顯的進(jìn)步。
燃料電池作為一種電化學(xué)驅(qū)動(dòng)與電子控制系統(tǒng)。需要詳細(xì)開發(fā)燃料電池的化學(xué)、機(jī)械、電氣子系統(tǒng)以及功能強(qiáng)大的電子控制單元。測試與驗(yàn)證是開發(fā) 過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，ETAS工程師采用了硬件在環(huán)（HiL）的方法，將燃料電池控制單元投入到閉環(huán)中運(yùn)行，并進(jìn)行了廣泛的測試。HiL系統(tǒng)的主要目標(biāo)是盡可能逼真地模擬駕駛員、車輛（部件）和環(huán)境。關(guān)于模擬精度的要求，通過與ECU軟件開發(fā)部門就質(zhì)量目標(biāo)密切合作確定。
1、燃料電池硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)
圖1：ETAS燃料電池LABCAR
HiL方法顯著提高了軟件開發(fā)效率，并減少了開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間。HiL系統(tǒng)可以用于軟件開發(fā)的早期試驗(yàn)階段，對加快軟件開發(fā)進(jìn)度有很大幫助。圖1所示為HiL系統(tǒng)的正視圖。HiL系統(tǒng)提供模擬和數(shù)字輸入/輸出硬件板和總線通信接口（例如，CAN、LIN等）供用戶進(jìn)行配置。對于特殊的負(fù)載功能（例如，氫氣噴射器），真實(shí)或模擬的電子負(fù)載被集成到HiL系統(tǒng)中。利用電子噴射器負(fù)載模塊，可以高精度地模擬氫氣噴射器。
高精度物理燃料電池仿真模型的輸入和輸出通過軟件集成平臺(tái)（在這個(gè)例子中為ETAS COSYM）與HiL的硬件輸入和輸出相連。燃料電池模型在嚴(yán)格的實(shí)時(shí)條件下在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。集成燃料電池ECU的校準(zhǔn)接口（例如，ETAS INCA）形成了仿真和燃料電池軟件與模擬燃料電池系統(tǒng)之間的閉環(huán)
2、燃料電池模型
圖2：車輛中的燃料電池系統(tǒng)
HiL系統(tǒng)最重要的組成部分是燃料電池系統(tǒng)的物理仿真模型（例如，ETAS LABCAR-MODEL-FC）。圖2顯示了燃料電池系統(tǒng)的五個(gè)主要部分：燃料電池堆、帶氫氣供應(yīng)/儲(chǔ)氫罐的陽極回路、空氣供應(yīng)陰極回路、用于系統(tǒng)溫度控制的冷卻回路、用于儲(chǔ)能、電壓轉(zhuǎn)換和電氣負(fù)載（電機(jī)）的高壓電氣回路。這五個(gè)主要部分集成在一個(gè)復(fù)雜的燃料電池系統(tǒng)中，會(huì)對系統(tǒng)工作能效產(chǎn)生很大影響。
為了在 HiL 系統(tǒng)上運(yùn)行整個(gè)燃料電池仿真模型，必須考慮以下幾點(diǎn)：
軟件模型必須能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行。
燃料電池單體模型必須模擬詳盡的物理關(guān)系。例如，“損耗”或電流、溫度和電阻的影響，以及電池內(nèi)部的水分等。
需要詳細(xì)計(jì)算電堆內(nèi)部水的組成和兩相水模型，計(jì)算出氣道中氣態(tài)和液態(tài)水等聚集狀態(tài)的“轉(zhuǎn)化”圖。
需要一個(gè)一維多組份氣道模型，它可以分別定義每個(gè)電極的氣體成分以及壓力損失特性。
需要支持不同的流道設(shè)計(jì)和詳細(xì)的單元內(nèi)部氣體成分轉(zhuǎn)換與滲透特性計(jì)算。
必須考慮到基于膜-溫度模型、電池-水組成的非線性動(dòng)力學(xué)和依賴溫度的流體特性模型以實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)過程模擬。
為了支持不同的燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)，各子系統(tǒng)部件模型應(yīng)構(gòu)建模型庫
圖3. 將燃料電池分成獨(dú)立的部分
如圖 3 所示，模型中的燃料電池單體沿著氣體擴(kuò)散方向分成若干部分。當(dāng) z 坐標(biāo)跟隨氣體流動(dòng)時(shí)，x 坐標(biāo)和 y 坐標(biāo)垂直于膜和氣道。燃料電池模型包含所有功能層，包括雙極板、氣道、氣體擴(kuò)散和膜。因此，對于一個(gè)部分，可以使用與整個(gè)電池相同的方程組。質(zhì)量流和熱流將電池的各部分和各層連接起來。模型各部分之間的能量，質(zhì)量交換主要通過在氣道，雙極板和膜電極中進(jìn)行。
由于膜電極質(zhì)量可以忽略不計(jì)，膜電極組件（MEA）對與相鄰部分的能量交換沒有影響。此外，它在 x 方向上的范圍比在 z/y 方向上的范圍要小幾個(gè)數(shù)量級。因此，驅(qū)動(dòng)質(zhì)子和水通過電池的空間壓力和濃度梯度，主要發(fā)生在 x 方向上。因此，在對電堆內(nèi)部特性建模時(shí)，我們主要關(guān)注氣道和雙極板。
一個(gè)由大量子系統(tǒng)零部件組成的燃料電池模型庫能夠支持不同系統(tǒng)架構(gòu)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真和ECU測試應(yīng)用。特別是必須考慮氫氣噴射器（HGI）、氫氣再循環(huán)泵（HRB）、水分離器，陽極回路排空閥、空氣壓縮機(jī)、陰極回路加濕器、冷卻水泵、冷卻回路MCV閥、安全回路和DCDC高壓輸入。這些部件通過靈活集成提供一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)模型供HiL系統(tǒng)使用。
3、仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證
圖4顯示了未經(jīng)校準(zhǔn)的HiL LABCAR實(shí)時(shí)仿真（紅線）和車輛試車（藍(lán)線）的測試數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)使用的是相同的燃料電池控制單元。
圖4：ETAS LABCAR HiL仿真與車輛試驗(yàn)測試結(jié)果對比圖
紅線：閉環(huán)仿真藍(lán)線：實(shí)測數(shù)據(jù)
與車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，陽極（氫氣）壓差，壓縮機(jī)的質(zhì)量流速（“空氣”）的仿真結(jié)果在很大程度上與實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢一致。燃料電池所輸出的電流與車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。燃料電池模塊產(chǎn)生的電壓與車輛實(shí)測數(shù)據(jù)的變化趨勢也大致相同。
利用測試臺(tái)測量結(jié)果來校準(zhǔn)燃料電池模型（模型校準(zhǔn)），可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真和試車數(shù)據(jù)的優(yōu)化。如果ECU軟件的開發(fā)需要，目前可以使用350個(gè)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化已開發(fā)和使用的實(shí)時(shí)燃料電池模型。此外，對車輛動(dòng)力學(xué)、電機(jī)或電池的仿真可以改善仿真結(jié)果。
除了使用HiL測試系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證方法外，在ECU軟件開發(fā)的早期階段，對虛擬化測試過程的需求也不斷增加。利用HiL測試中使用的燃料電池仿真模型，用戶可以在真實(shí)的ECU模型可用之前，對ECU的功能進(jìn)行全面的虛擬測試。通過XiL測試平臺(tái)COSYM，不僅可以在虛擬閉環(huán)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證未來ECU的軟件功能，還可以將仿真模型集成到仿真的高級車輛模型中。通過模擬所有車輛總線（例如，虛擬CAN或汽車以太網(wǎng)），可以在早期開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信的現(xiàn)實(shí)分析。
結(jié) 論
在燃料電池控制單元的新開發(fā)和進(jìn)一步開發(fā)中，為了獲得可靠且可重復(fù)的測試結(jié)果，精確實(shí)時(shí)模擬燃料電池將是在HiL測試臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證的基本要素。
早期使用的SiL測試平臺(tái)還可以在開發(fā)過程中，在集中、高效的測試環(huán)境里實(shí)現(xiàn)早期、遞歸的測試?，F(xiàn)有的HiL和SiL解決方案及相關(guān)的仿真模型為在所有安全要求下高效開發(fā)燃料電池控制單元奠定了基礎(chǔ)。
燃料電池將很快能夠?yàn)樽尳煌ㄗ兊酶h(huán)保做出重要貢獻(xiàn)，并以可持續(xù)的方式滿足世界各地的法規(guī)要求。
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