FCU燃料电池控制器RCP-HIL解决方案

FCU燃料电池控制器HIL&RCP解决方案

——为清洁能源技术提供高效的开发与验证平台

——背景——

随着全球能源转型的加速，燃料电池技术成为清洁能源领域的新趋势。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。然而，其开发一直面临着算法迭代周期长、控制器验证复杂和测试成本高等诸多挑战。

下图为目前控制器软件开发主流的V流程，流程左侧为算法开发，右侧为测试验证，各环节层层相扣，开发与测试相互可追溯。其中，快速控制原型(Rapid Control Prototyping，RCP)是通过实时仿真机运行Simulink算法，控制真实的物理对象，进行算法的功能验证；而硬件在环（Hardware-in-the-Loop，HIL）则是运行在实时机中的Simulink被控对象模型受真实控制器的控制，以此对控制器进行测试。两者的结合可以加速开发周期，提高测试的效率和可靠性。为此，我们推出RCP与HIL的一体化解决方案，覆盖FCU控制器从算法开发到测试验证的全流程，助力客户加速产品落地，降低项目成本和风险。 

图 1 控制器软件开发V流程

借助HIL仿真测试技术，对燃料电池控制器的开发和测试带来显著的优势：

1、       加速开发周期

l                      早期验证与迭代：HIL测试允许在燃料电池系统尚未搭建完成时，对系统进行功能验证和控制策略优化，大幅缩短开发周期；

l                      并行开发：燃料电池系统硬件（如空压机、水泵和阀等）和软件（如控制算法）可以同步开发和测试，减少传统串行开发的等待时间。

2、       增强系统集成测试能力，提高测试覆盖度

l                      多子系统协同测试：HIL测试平台可集成车辆、电池、电机等多个子系统的虚拟控制器和仿真模型，验证燃料电池系统和其它子系统的兼容性；

l                      全工况模拟测试：HIL测试可以在实验室环境中模拟极端压力、温度等复杂工况，覆盖传统台架和实车测试难以实现的场景；

l                      软硬件接口验证：通过HIL测试，可提前发现并解决软硬件接口（如传感器信号、执行器控制）的兼容性问题；

l                      故障注入与边界测试：可主动注入传感器、执行器等电气及失效等故障，验证系统的故障诊断功能和鲁棒性。

3、       降低研发成本与风险

l                      减少台架和实车测试依赖：HIL测试可在实验室环境完成大部分功能的验证，减少对台架和实车测试的依赖，降低测试成本（如时间成本、路试和环境舱费用）；

l                      降低硬件损坏风险：在虚拟环境中测试极限和故障工况（如过压、过温），降低因测试失误导致的硬件损坏或安全事故风险；

l                      优化资源利用：通过HIL测试提前发现和修复设计缺陷，减少项目后期修正成本，并优化测试资源分配。

——燃料电池HIL测试系统——

一、系统组成

燃料电池HIL测试系统是一个复杂的仿真平台，旨在通过模拟燃料电池系统的运行工况，对FCU硬件和软件进行闭环测试。该系统通常包括以下三大核心部分：

图2 燃料电池HIL测试系统架构

1、       系统硬件

l                      上位机电脑：开发、编译、下载和运行被控对象模型，试验管理和自动化测试；

l                      实时仿真机：高性能实时计算设备，运行燃料电池系统仿真模型；

l                      I/O接口模块：提供数字量、模拟量、CAN总线等I/O接口，实现仿真系统与被测控制器之间的数据交互；

l                      信号调理模块：用于将实时机输出的信号转换为被测控制器可接受的信号（如电压、电流、PWM信号），并将被测控制器的反馈信号（如温度、压力）经过调理传回实时机；

l                      故障注入模块：用于在测试过程中向FCU相应PIN脚注入电气故障。

2、       软件

l                      试验管理软件：搭建测试UI界面，实时在线监控，波形显示，数据记录等；

l                      自动化测试软件：管理测试工程，创建和执行测试用例。

3、       实时仿真模型

l                      基于Simulink搭建燃料电池系统模型，包括硬线、总线等接口模型。

二、系统功能

l                      上下电控制功能测试

l                      运行状态控制功能测试

l                      传感器仿真，氢氧回路流量、压力闭环控制功能测试

l                      BOP部件控制与监测功能测试

l                      燃料电池输出功率控制功能测试

l                      CAN总线通讯功能测试

l                      热管理控制功能测试

l                      低温冷启动功能测试

l                      启停机吹扫控制功能测试

l                      故障诊断功能测试

三、系统优势

熠速在燃料电池HIL系统拥有丰富的积累和实际项目案例，主要特点如下：

l                      功能全面：HIL系统能够模拟FCU系统测试的各项功能，包括各功率点正常闭环运行和故障注入测试等；

l                      拓扑灵活：通过数学建模搭建Simulink模型库，调试方便，模型部件与实际部件对应，可灵活适用于不同的系统拓扑，兼容性好；

l                      经验丰富：具备丰富的燃料电池系统模型的开发和测试经验和测试用例库；

l                      性价比高：HIL系统采用半定制化模式，根据用户需求灵活配置硬件和模型开发，实现高性价比；

l                      易上手：具有完整、简单的配套软件工具链，用户经过培训后即可独立对控制器进行HIL相关功能测试，提高测试效率。

——实时仿真机——

实时仿真机，包括CPU、RAM和SDD，通过PCIe总线扩展数字量、模拟量、CAN总线等I/O模块，并通过千兆以太网与上位机进行数据交互。

图3 实时仿真机系统架构

l                      Intel Core/Xeon多核高性能CPU，支持升级；

l                      支持并行多核，多目标机和FPGA的实时运行；

l                      灵活可扩展多种I/O模块；

l                      适用于桌面及机柜式HIL应用（低噪音）。

——燃料电池系统模型——

基于电化学、热力学和流体力学等多物理场耦合的燃料电池被控对象模型。模型主要包括以下几个部分：

Ø                      空气路：空滤、空压机、中冷器、主阀、开度调节阀、湿度调节阀、背压阀、加湿器等模块

Ø                      氢气路：氢气瓶、比例阀、引射器、氢气循环泵、气水分离器、尾排阀和排水阀等模块

Ø                      冷却路：水泵、节温器、PTC、风扇和散热器、管道等模块

Ø                      电气路：DCDC、PDU、负载等模块

Ø                      电堆：阳极流道、阴极流道、冷却流道和膜电极等模块

Ø                      虚拟控制器：根据系统网络拓扑以及控制器功能定制

Ø                      车辆：纵向动力学、电池、电机、驾驶员等模块

图4 燃料电池系统模型

模型特点：

1)                      基于MATLAB/Simulink数学模型搭建，丰富的模型组件库，可针对客户提供的数据对模型参数进行优化；

2)                      满足HIL测试实时性要求，整体解算步长≤1ms；

3)                      白盒交付，无License和加密狗限制，用户可进行二次开发；

4)                      模型中各模块参数定义在.m文件中，并且均可以实时在线修改，无需重新编译下载模型；

5)                      提供模型说明文档，包括功能、接口、参数和建模机理；

6)                      支持进行MIL仿真测试。

图5 燃料电池系统模型库

——燃料电池HIL仿真测试与数据——

根据GB/T 24554-2022燃料电池发动机性能试验方法中的测试工况进行HIL仿真，各回路重点参数的测试数据波形如下：

图6 电堆测试数据

图7 空气路测试数据

图8 氢气路测试数据

图9 冷却路测试数据

 

——燃料电池RCP系统——

燃料电池RCP系统是一种在开发流程中提前验证FCU控制算法功能的先进工具和方法，它借助实时仿真机运行控制模型，使工程师能够在开发的早期阶段快速设计、测试和优化迭代控制算法。

在RCP应用中，熠速为用户提供一套完整的解决方案，包括：实时仿真机、特定的I/O和功率驱动模块、试验管理软件。通过运行用户开发的控制算法模型，来控制真实的燃料电池系统。

图10 燃料电池系统RCP示意

——实时仿真机——

RCP实时仿真机与上文中介绍的HIL实时仿真机用法相同，区别在于RCP的实时仿真机中运行控制算法模型，因此I/O接口需求和真实FCU控制器硬件是一样的。

针对燃料电池系统RCP的接口需求，实时仿真机具备丰富的I/O接口类型，以便充当一个“万能控制器”，适配于不同项目的算法开发验证。熠速所提供的RCP方案包含丰富的I/O模块，支持多种类型的I/O和协议。

图11 丰富的I/O接口类型

——传感器接口和功率驱动模块——

控制燃料电池系统时，需要采集压力、温度等传感器接口信息和驱动系统各回路中的阀、风扇、电机等功率负载部件。除了常规的模拟量、数字量等信号采集，熠速也支持相应的功率驱动模块，包括：高边驱动、低边驱动、H桥驱动及步进电机驱动等模块，用户可直接驱动执行部件。

图12 功率驱动模块

 

——熠速RCP和HIL的特点——

熠速在RCP和HIL的应用中具有完整的解决方案，主要的特点总结如下：

l                      专为实时仿真而设计，广泛的客户案例；

l                      整体HIL系统在本土集成，周期短，并且未来扩展升级方便；

l                      I/O驱动库基于Simulink实现，与Simulink无缝集成，接口灵活丰富；

l                      专业的试验管理软件和自动化测试软件；

l                      HIL模型基于Simulink工具箱定制化搭建，100%白盒交付，性价比高，且无License或加密狗限制，公司级授权，适合团队协作；

l                      坚持“以客户为中心、为客户创造价值”的宗旨，终身提供7*12h远程技术支持服务，售后设备使用无忧；

l                      如遇紧急情况，工程师可提供现场技术支持服务。