德國ETAS氫燃料電池HIL方案- FCU HIL測試方案

ETAS GmbH 成立于 1994 年，是羅伯特博世聯(lián)合企業(yè)的一部分，是車用電子控制系統(tǒng)以 及相關(guān)嵌入式控制系統(tǒng)軟件開發(fā)工具和測試設(shè)備的供應(yīng)商。ETAS 致力于為車用嵌 入式系統(tǒng)的整個生命周期提供支持性的創(chuàng)新產(chǎn)品。ETAS 可向的汽車 OEM 以及電控 單元的一級供應(yīng)商提供產(chǎn)品與服務(wù)。本公司在擁有約 700  名員工，年營業(yè)額達到約 1.4 億歐元。以下是有關(guān)本公司的概要介紹。ETAS 化網(wǎng)絡(luò)是在范圍內(nèi)構(gòu)建起的一個由辦事機構(gòu)和研發(fā)中心組成的網(wǎng)絡(luò)，通 過該網(wǎng)絡(luò)進行產(chǎn)品的開發(fā)、配置并提供技術(shù)支持。本公司相信，對于建立長期、成功 的客戶關(guān)系來說，在地理位置上與客戶接近將具有至關(guān)重要的意義。ETAS 集團總部位 于德國斯圖加特，在美國、日本、韓國、中國、印度、法國、英國、意大利、巴西及 俄羅斯聯(lián)邦均設(shè)有地區(qū)分公司或辦事機構(gòu)。每一處辦事機構(gòu)都提供客戶賬戶管理、客 戶技術(shù)支持、區(qū)域內(nèi)項目管理以及工程技術(shù)服務(wù)資源等。

與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車具有加注時間短，續(xù)航里程長等優(yōu)勢，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要方向。目前，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正在興起。氫能是一種清潔能源，氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱，并不會產(chǎn)生二氧化碳，對環(huán)境無任何污染。

燃料電池電動汽車技術(shù)是目前世界環(huán)保汽車技術(shù)的熱點，我國應(yīng)更加積極開展燃料電池電動汽車技術(shù)研究，較快縮小與西方汽車工業(yè)發(fā)達國家的汽車環(huán)保技術(shù)的差距，從能源和環(huán)保角度來講，進行燃料電池電動汽車技術(shù)開發(fā)對能源多樣化，發(fā)展燃料電池汽車，將促進一系列技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成國民經(jīng)濟發(fā)展的新增長點。

燃料電池是一種很有前途的清潔能源，在未來很可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源成為主要能源。所以，很多國家和跨國集團都極其重視燃料電池技術(shù)的開發(fā)和研究。美國將燃料電池技術(shù)列為國家安全技術(shù);歐盟在2008年制定了2020年氫能與燃料電池發(fā)展計劃，投資近10億歐元用于燃料電池與氫能研究、技術(shù)開發(fā)及驗證等方面;加拿大計劃將燃料電池發(fā)展成國家的之助產(chǎn)業(yè);日本認為燃料電池技術(shù)是21世紀能源環(huán)境領(lǐng)域的核心;《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術(shù);我國中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要明確提出，大力發(fā)展氫燃料的制取、存儲及專用燃料電池技術(shù)的開發(fā)與研究，提高產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

近20年來，我國科技人員經(jīng)過不懈努力，盡管燃料電池及材料的開發(fā)和應(yīng)用得到了極大的進展，但由于研究投入和產(chǎn)業(yè)化資金數(shù)量很少，燃料技術(shù)的總體水平與發(fā)達國家相比還有較大差距，燃料電池技術(shù)的阻力主要在于基礎(chǔ)設(shè)施匱乏，技術(shù)人才不足，成本高、耐久性差，研究力量分散，產(chǎn)業(yè)化體系尚未形成，尤其是缺少企業(yè)的參與，很難將研究成果進行示范應(yīng)用。所以，我國應(yīng)尋找切入點，根據(jù)當前和中長期經(jīng)濟和社會發(fā)展需要，集中研究力量，大力推動燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入，為我過的國家能源安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

用于HiL測試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型

燃料電池系統(tǒng)的典型架構(gòu)-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型進行模擬的依據(jù)

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能記錄完整的燃料電池系統(tǒng)，包括堆棧、外圍設(shè)備和柔性ECU。其包含一個可以對水流、溫度影響和反應(yīng)動力學(xué)詳細模擬的一維PEM-FC堆棧。柔性ECU也能保證在工作站進行直接的閉環(huán)試運轉(zhuǎn)。

LABCAR-MODEL-FC模型能確保用戶逼真地模擬出燃料電池系統(tǒng)，從而對HiL系統(tǒng)中的ECU進行測試。其模塊化的模型架構(gòu)可以讓特定的客戶對氫氣、氧氣和冷卻系統(tǒng)進行模擬。

模型擴展裝置

LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校準的燃料電池系統(tǒng)模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料電池校準）是一種二維的PEM-FC堆棧模型，用于詳細地模擬電、水、和壓力分布。鑒于此模型具有模塊化的設(shè)計特點，并且還配有參數(shù)化的工具，因此其可以跟現(xiàn)有的LABCAR-MODEL-FC模型進行無縫整合。

兩種變體均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整車模擬中（虛擬車輛測試臺的模擬模型，用來進行HiL測試）。

LABCAR-MODEL-FC

在汽車應(yīng)用中，通常優(yōu)先使用PEM-FC燃料電池，因為其具備啟動快、能量密度高和動力學(xué)穩(wěn)定的優(yōu)良特點。為了給客戶在此大有前途的創(chuàng)新領(lǐng)域提供支持，ETAS提供了燃料電池系統(tǒng)的LABCAR-MODEL-FC模擬模型，用來進行HiL測試。

測試用于燃料電池系統(tǒng)的ECU

LABCAR-MODEL組合包括集成電路發(fā)動機、用于汽車推進的鋰離子電池、電動機、燃料電池、車輛動力學(xué)、車輛、駕駛員和環(huán)境的仿真模型。

在汽車應(yīng)用中，通常優(yōu)先使用PEM-FC燃料電池，因為其具備啟動快、能量密度高和動力學(xué)穩(wěn)定的優(yōu)良特點。為了給客戶在此大有前途的創(chuàng)新領(lǐng)域提供支持，ETAS提供了燃料電池系統(tǒng)的LABCAR-MODEL-FC模擬模型，用來進行HiL測試。

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模擬燃料系統(tǒng)性能。模擬整個系統(tǒng)-從PEM-FC（高分子電解膜燃料電池）堆棧到反應(yīng)物和冷卻劑的供應(yīng)-以確保對燃料電池系統(tǒng)ECU的可靠性測試和校準。

LABCAR-MODEL-FC可以模擬堆棧、氫氣供應(yīng)、氧氣供應(yīng)和冷卻劑供應(yīng)的詳細過程。此技術(shù)基于對物理過程的精確模擬，而這些模擬都是基于對電解反應(yīng)的復(fù)雜計算以及基于對堆棧和外圍設(shè)備之間相互作用的復(fù)雜計算得出。鑒于現(xiàn)代燃料電池堆棧的復(fù)雜性,要對堆棧進行一維（1D）空間分布模擬。為了滿足當前和未來的要求，可以實現(xiàn)對二維（2D）堆棧模擬進行特殊擴展，其燃料電池系統(tǒng)的模擬模型可用于完成基于HiL的校準（LABCAR-MODEL-FCCAL）。基于PC的模擬目標LABCAR-RTPC能為實時模擬提供所需的電源。

LABCAR-MODEL-FC模擬模型可以讓用戶在硬件在環(huán)測試臺上對燃料電池的ECU進行早期的測試和優(yōu)化。

將高成本的測試和安全相關(guān)的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到硬件在環(huán)測試臺上，從而在開發(fā)過程中讓顧客直接受益。應(yīng)用實例包括模擬PEM-FC燃料電池堆棧的冷啟動調(diào)節(jié)或模擬氫氣供應(yīng)的臨界處理。

LABCAR-MODEL-FC模型能確保用戶逼真地模擬出燃料電池系統(tǒng)，從而對HiL系統(tǒng)中的ECU進行測試。其模塊化的模型架構(gòu)可以讓特定的客戶對氫氣、氧氣和冷卻系統(tǒng)進行模擬。

模型擴展裝置

LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校準的燃料電池系統(tǒng)模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料電池校準）是一種二維的PEM-FC堆棧模型，用于詳細地模擬電、水、和壓力分布。鑒于此模型具有模塊化的設(shè)計特點，并且還配有參數(shù)化的工具，因此其可以跟現(xiàn)有的LABCAR-MODEL-FC模型進行無縫整合。

兩種變體均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整車模擬中（虛擬車輛測試臺的模擬模型，用來進行HiL測試）。

實驗環(huán)境中 EE 的組件操作

故障仿真軟件

LABCAR-PINCONTROL V2.0 為故障仿真箱 ESES5398 的配套軟件，具有方便用戶使用的 接口，可實現(xiàn) ES5398 的手動操作，是 ES5398 的重要組成部分，操作界面友好，其操 作界面請參見下圖。

軟件可實現(xiàn)的功能如下：

?創(chuàng)建并管理故障模式，產(chǎn)生 ECU 信號的一系列故障。如氧傳感器故障

?簡化故障仿真信號的選取

?設(shè)置故障產(chǎn)生的時間

?通過點擊鼠標來觸發(fā)故障

?設(shè)置多臺 ES5398 同時使用

?提供自動化測試的 API 接口等。

?通過 Excel 表格進行故障配置和定義

LABCAR_PINCONTROL 的配置界面

模型方案

燃料電池堆動力學(xué)模型

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 是一個 1-D+1-D 的燃料電池堆站模型，該模型包含 1-D 的 燃料電池單體膜模型和 1-D 的雙電極及氣體通道仿真模型。1-D 的燃料電池單體膜模型 能夠?qū)θ剂想姵啬さ膬?nèi)阻，電極之間氧和氫反映生成水的情況進行仿真；1-D 的雙電極 及氣體通道仿真模型能夠仿真雙電極間氣體在通道內(nèi)非線性分布的特性，包括溫度， 電流，沿電芯堆疊方向的氣體壓力變化，以及對冰點溫度影響等。

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 模型可以考慮為將燃料電池堆沿著氣路方向分為多個小模 塊，如下圖所示。Z 坐標所示方向為氣體流動方向，X/Y 坐標表示垂直于膜和氣流方向

。每一個小模塊代表所有燃料電池功能層，包括兩個電極板，氣路通道，氣體擴散層 以及膜。燃料電池模型的采用上述基本架構(gòu)，在子系統(tǒng)中包括有完整功能層，每個小

模塊均可對外提供數(shù)據(jù)接口，同時也能適用于用戶的模型擴展要求。

坐標系

描述

通過燃料電池系統(tǒng)模型 LABCAR-MODEL-FCCAL 的無時間限制的、節(jié)點版操作許可證， 客戶被在主機上執(zhí)行 LABCAR-MODEL-FCCAL 的代碼生成。

LABCAR-MODEL-FCCAL 是通過 MATLAB/Simulink 執(zhí)行的，用戶可以打開并修改模型。 這些元件以 S-Functions 的形式提供，如：已編譯的動態(tài)鏈接庫，不包含源代碼。

LABCAR-MODEL-FCCAL 作為 LABCAR 產(chǎn)品家族的一部分, 能夠天然支持 LABCAR 網(wǎng)絡(luò) HIL 系統(tǒng)仿真應(yīng)用。也就是說，只要 LABCAR-MODEL-VVTB 和其他 LABCAR 模型可以在 網(wǎng)絡(luò)中的 RTPCs 上運行，那么它也支持 LABCAR VARIANT MAN-AGEMENT (LVM) 。 功能

LABCAR-MODEL-FCCAL 是一個*燃料電池堆棧模型。該模型包含了一個一維膜模型

，能夠仿真薄膜電阻、含水量以及電極之間產(chǎn)生的水交換等特性。 除此之外，它使用了空間分布的 雙極板與氣體通道雙 1-D 維度模型，考慮上述兩個維 度上的電堆溫度、電流和壓力變化的非線性特性。此外還特別考慮了汽車會遇到在冰 點溫度下工作的情況。

LABCAR-MODEL-FCCAL 仿真模型包含：

?單電池模型，并考慮到電流、溫度、反應(yīng)物化學(xué)計量數(shù)以及膜濕度對電池電壓損耗的 影響計算。

?基于一維膜模型的含水量和水交換量的詳細計算。

?一維多組分氣體通道模型允許為每個電極單獨的氣體成分。

?不同的流場設(shè)計仿真。支持內(nèi)部電池加濕的順/逆流量設(shè)置。

?基于膜溫度模型、電池含水量的非線性動態(tài)特性和受溫度影響的流體性質(zhì)的實際冷啟 動行為。

?考慮氣體通道內(nèi)液態(tài)水的積聚和運動的兩相水模型。

? 具有兩種膜類型的默認堆棧參數(shù)設(shè)置。 傳輸范圍

綁定到單一 MAC 地址的節(jié)點版許可文件

在車輛控制單元開發(fā)與測試領(lǐng)域，LABCAR 硬件在環(huán)系統(tǒng)（HIL）是 ETAS 工具系列的一 個核心部分，貫穿于 V-模型的所有階段。測試既可以在給定模型在環(huán)（Model-in-the- Loop，MIL)上操作，在當前軟件在環(huán)(Software-in-the-Loop, SIL)，連接實體 ECU 硬件 在環(huán)(Hardware-in-the-Loop，HIL)上執(zhí)行，也可以涉及附加測量標定步驟，對車載 ECU 數(shù)據(jù)標定產(chǎn)生影響。它具備靈活性能和全面合理的邏輯概念。 控制單元初期開發(fā)，硬件在環(huán)（HIL）測試系統(tǒng)為其提供了重要的質(zhì)量保證。為了便于 在實驗室對控制單元進行功能測試或診斷, 通過 DVE 模型的模擬仿真，任何虛擬行駛環(huán) 境測試可以在廣泛范圍內(nèi)反復(fù)進行。另外自動化操作擴展了測試范圍，而對駕駛者和 車輛毫無損害。

LABCAR 的開放式結(jié)構(gòu)支持與測量標定工具的集成，廣泛的模型選擇與信號質(zhì)量優(yōu)良是

LABCAR 的兩大經(jīng)典優(yōu)勢。

LABCAR 的另一重要特色，即基于 PC 的結(jié)構(gòu)，賦予了其本身一項固有優(yōu)勢：可用計算 能力的升級更加簡便、經(jīng)濟。多目標與多核應(yīng)用實質(zhì)上無地提高了仿真速度與同 步獲取大量數(shù)據(jù)信息時的計算能力，智能信號管理，投資高度安全和系統(tǒng)整個服務(wù)周 期內(nèi)的性價比更加*。

同時 ETAS 是一個真正能為 V 模式開發(fā)提供完整工具鏈的供應(yīng)商。產(chǎn)品系列可靠地涵蓋 了 ECU 軟件開發(fā)的每個步驟 （直到售后診斷）， 他們分布到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，