燃料电池汽车动力系统测试平台的设计与验证

2019年
第1期
【摘要】为实现燃料电池汽车（FCV ）动力系统及其关键部件的开发和产品化综合测试，设计了FCV 动力系统的分布式
多任务动态测试平台，实现车辆运行环境、道路振动适应性和动态道路阻力的模拟，基于功能特性和冗余需求设计了测试系统的体系结构和功能，采用XiL 技术设计验证过程和测试用例。

通过对测试结果的分析，论证了测试平台的有效性和先进性，并验证了FCV 动力总成领域大型多层测试平台的设计方法。

主题词：燃料电池汽车动力系统多任务测试平台主控系统
中图分类号：U467.3
文献标识码：A DOI:10.19620/ki.1000-3703.20180853
Design and Verification of Fuel Cell Vehicle Power System Test Platform
Chai Hua,Zhang Tong,Chen Juexiao,Gao Haiyu
（Tongji University,Shanghai 201804）
【Abstract 】For the development and productization comprehensive test of FCV power system and its key components,a distributed multi-task dynamic test platform for FCV power system was designed,which could simulate vehicle operating environment,road vibration adaptability and dynamic road resistance.Architecture and function of the test system based on the functional characteristics and redundancy requirements were designed.The verification process and test cases were
designed using XiL technology.Through analysis of the test results,the effectiveness and advancement of the test platform were demonstrated,and the design method of the large multi-layer test platform in the FCV powertrain was verified.
Key words:Fuel cell vehicle,Power system,Multitask,Test platform,Main control system
柴华
章桐
陈觉晓
高海宇
（同济大学，上海201804）
燃料电池汽车动力系统测试平台的设计与验证
汽车技术·Automobile Technology
1前言
新能源汽车已成为汽车工业未来的发展方向，氢燃料电池汽车具有高效率和零排放的特点，因而具有广阔的应用前景[1-3]。

在燃料电池汽车的试验过程中，受路面激励、行驶速度、气候和环境等因素影响，燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle ，FCV ）动力系统及部件难以稳定运行。

实车道路测试时的性能衰减远远快于实验室测试。

另外，单个零部件集成到动力系统后，其耐久性变得更差
[4-5]。

FCV 动力系统是整车的核心，其开发和产业化验证
已成为燃料电池汽车产业发展的瓶颈，而综合测试是发现问题、分析问题、提升技术与产品水平的重要方式。

目前，单一部件的测试平台不能满足综合运行环境的模
拟，但实际车辆测试的安全风险和成本都很高。

企业迫切需要集零部件与总成测试为一体的综合测试平台来模拟大气环境、道路振动和动态阻力。

国内外许多学者对动力系统部件或总成的外特性进行了研究[6-7]。

现有的FCV 动力系统测试平台以动力系统的零部件测试台架为主，例如驱动电机、燃料电池发动机测试台架等。

另外，若动力系统某一关键零部件缺失，现有的测试平台无法实现软、硬件的测试。

针对现有测试平台的不足，必须引入新的测试方法，以及一个能够模拟大气环境、道路振动和动态阻力，实现整个产品开发过程全部功能测试的平台。

本文设计了FCV 动力总成动态性能测试系统[8]，该系统基于X 在环（X-in-the-Loop ，XiL ）[9-12]
技术，用于FCV 动力总成系统测
试，可实现动力总成系统设计、验证、子系统和系统匹配与集成测试，以及环境适应性和持续时间测试。

2多任务FCV 动力系统测试平台
考虑到集成单部件测试设备时，不同部件的实时性、传输数据量和数据类型、通信方式存在差异，平台应设计为分布式和多通信通道的形式，通过相应的网络将
·燃料电池汽车技术专题·
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车
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所有计算机及其他设备连接在一起，实现全网可控并在线检测的目的。

测试平台的网络架构如图1所示，主控系统的主要功能包括测试平台的管理、测试子模块之间的协调、部署测试过程、运行测试案例、车辆控制策略以及模型的主数据管理。

仿真模拟系统可以运行动力系统各部件的仿真模型，以仿真数据的输出弥补某些测试用例中缺失的实际部件数据。

图1测试平台网络结构示意
平台控制和性能测试的相关参数有数百个，多种通信协议形成了庞大的网络系统。

主控系统应确保与其他测试模块的数据交换的互通性、实时性、同步性和可靠性。

每个通信网络是多任务网络平台的独立业务主体。

对数据传递实时性要求高的模块，将采用高速通信通道接入测试系统，如反射内存和以太网控制自动化技术（Ethernet for Control Automation Technology ，Ether⁃CAT ）。

对于数据变化较缓慢的模块，统一采用基于TCP 传输的Modbus/TCP 协议实施通信，而被测对象则
以目前车载CAN 总线网络接入测试系统。

3主控系统
3.1
主控系统架构
主控系统是测试平台的监控中心，也是实现综合测试平台的关键。

主控制器可以调度和管理测试任务、模拟车辆和控制模型的操作、处理数据和总线通信并执行在线诊断。

为实现这些复杂的功能，主控系统由上位机（PC ）和实时处理器（RT Controller ）组成。

上位机提供人机交互界面，完成试验配置、测试执行、状态监控、数据监控以及数据后处理等功能，实时处理器对测试指令和测试数据进行综合控制管理。

分布式实时处理器的功能模块包括：
a.
环境模型的仿真模块：用于模拟FCV 的运行环
境、外部子模块的通信安全机制的控制、系统的在线诊断模型控制以及通信调度机制的控制。

b.数据分发模块：将外部子模块的测试数据、环
境模型模拟模块的运行数据、主机的指令数据分配给相应的目标单元或模块。

c.
数据融合模块：将系统中不同形式与格式的数
据进行解析、转换和融合，包含外部子模块上传的测试数据、仿真模块的运行数据、上位机指令数据和系统配
置数据。

d.
授时模块：根据周期同步网络中的运行时钟，包括主控制系统的内部设备和外部子模块。

e.数据冗余处理模块：数据存储模块中的主通信
数据源和备份通道数据源的冗余检查。

f.通信协议解析模块：完成主控制系统与外部子模块之间的通信驱动程序和协议分析。

g.在线诊断模块：用于监控主控系统，获取网络
中各节点的运行状态和重要测试数据，包括通信、数据有效性和测试数据，按故障的紧急重要性分为4类。

h.数据存储模块：将存储融合后的数据作为数据
分发、冗余处理、在线诊断等模块的数据共享池。

测试平台主控系统的构成如图2所示。

图2主控系统内部功能模块设计
3.2
系统冗余建模
如上所述，主控制器是测试平台的监控中心，也是
实现集成测试平台的关键。

主控制器可以调度和管理测试任务、模拟车辆和控制模型、处理数据和通信，并实施在线诊断。

为了实现这些复杂功能，主控系统采用PXIe 架构和实时处理器技术，使用MATLAB/Simulink 和LabVIEW 工具链和图形建模功能分别实现相关功
能，但系统的可靠性是首先要解决的问题。

在系统可靠性理论中，系统可靠性定义为系统在规定时间内完成规定功能的能力。

提高主控制器的可靠性可以减少故障和事故、系统停机时间和维护工作量。

测试模块和UUTs 模型之间的拓扑关系很复杂，因此，必须量化主控制器的可靠性模型，并通过设备的冗余来提
电驱动系统测试台架
燃料电池堆测试台架反射内存
交换机
温湿度+压力环境舱
振动台声环境舱燃料电池单体测试仪
仿真模拟系统
燃料电池发动机
系统测试台架
燃料电池单体燃料电池堆燃料电池发动机
系统电驱动系统主控系统
反射内存网
CAN 网EtherCAT 网
MODBUS 网
权限
管理模块
测试管理模块系统资源管理模块
自动测试模块
数据库管理模块
系统状态监控模块
指令数据
测试数据
指令数据
测试数据
测试数据指令数据
模型数据测试数据
指令数据模型数据测试数据
测试数据模型数据指令数据冗余测试数据
数据分发模块数据
冗余处理模块授时模块
在线诊断模块环境模型仿真模块整车模型仿真模块部件模型仿真模块
诊断
保护策略模型
测试序列执行模块数据融合模块
数据存储模块
授时模块
通信协议解析模块
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第1期
高和优化可靠性。

首先，对主控系统作出如下假设：系统状态离散，每次状态变化时至多1个设备出现状态变化（故障或修复）；系统启动时所有设备均完好无故障；故障设备经修复返回前一个状态后，下次故障概率不受之前的故障影响；所有设备故障均可检测，且立即修复，不存在故障检测不出的状态。

在现有测试平台的使用过程中，实时处理器RT01运行MATLAB/Simulink 模型，以模拟车辆、气候和虚拟组件的环境，实时处理器RT02通过LabVIEW 代码执行更多数据处理任务，这些数据来自于主控系统所控制的各模块。

当系统需要多任务并行工作时，工作负载率超过60%，这可能导致更高的故障率。

为了提高系统可靠性，本文在现有平台的基础上设计主控系统中执行数据处理任务的实时处理器的冗余部件，命名为RT03。

RT03被设计为RT02的冗余热备份，运行数据融合、数据存储、定时服务和通信解析功能。

根据系统可靠性理论和马尔可夫理论模型[13-14]，RT02与RT03并联，主控制器为双模冗余系统。

双模冗余系统可分为6个离散状态，如图3所示。

状态0表示所有设备均正常运行，系统正常运行；状态1表示有1个冗余设备出现故障，系统正常运行；状态2表示RT01出现故障，系统故障；状态3表示2个冗余设备都出现故障，系统故障；状态4表示RT01和1个冗余设备出现故障，系统故障；状态5表示RT01和2个冗余设备均出现故障，系统故障。

其中，系统处于状态0和状态1时为正常工作状态，其余状态都是故障状态。

（a ）状态0
（b ）状态1
（c ）状态2
（d ）状态3
（e ）状态4
（f ）状态5
图3
系统状态划分
根据马尔可夫理论模型，假设RT01、RT02的失效率分别为λ1、λ2，故障修复率均为u ，则在t ~(t +Δt )时间内，RT01、RT02发生故障的概率分别为λ1Δt 、λ2Δt ，故障
修复的概率为u Δt 。

根据状态转移关系，可作出系统空间状态转移图，如图4所示。

图4系统空间状态转移
根据图4可以写出系统故障转移矩阵：
RT01
RT02RT03
RT01
RT02RT03
RT01
RT02RT03
RT01
RT02RT03
RT01
RT02RT03
RT01
RT02RT03
1-()λ2+u Δt
1-()λ1+2u Δt
λ2Δt
2
3
410
5λ2Δt
2u Δt u Δt
λ1Δt
λ1Δt u Δt u Δt u Δt
u Δt λ1Δt 2u Δt
λ2Δt
1-()λ2+2u Δt
1-()λ1+λ2+u Δt
2λ2Δt
1-()λ1+2λ2Δt
1-3u Δt
双模冗余系统可靠性模型中定义了6个状态：Q (t )={q 0(t ),q 1(t ),q 2(t ),q 3(t ),q 4(t ),q 5(t )}（3）
式中，q i (t )为系统在t 时刻处于i 状态的概率，初始状态为
Q (0)=[1,0,0,0,0,0]。

微分方程的求解结果如图5所示。

通过上述测试结果可以证明主控系统的冗余部件
P ()Δt =éë
êêêêêêêêêêêêùûúú
úúúúúúúú
úú1-()λ1+2λ2Δt 2λ2Δt λ1Δt 000u Δt 1-()λ1+λ2+u Δt 0λ2Δt λ1Δt 0u Δt 01-()λ2+u Δt 0λ2Δt 002u Δt 01-()λ1+2u Δt 0λ1Δt 0u Δt u Δt 01-()λ2+2u Δt λ2Δt 000u Δt 2u Δt 1-3u Δt （1）
D =éë
êêêêêêêêêêùûúúúú
úúúúúú-(λ1+2λ2)
2λ2λ1000u -(λ1+λ2+u )0λ2λ10u 0-(λ2+u )0λ2002u 0-(λ1+2u )0λ10u u 0-(λ2+2u )λ2000u 2u -3u （2）
消去Δt ，可求出系统故障转移密度矩阵：
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车
技
术
提高了系统可靠性。

图5系统冗余可靠度
3.3冗余切换设计
测试平台在试验过程中要求良好的通信实时性，所
以实时处理器的冗余应设计为热备份形式。

在热备份的工作方式下，2个实时处理器同时处于运行状态，其中RT02为主设备，用于接收外部子设备的试验数据信息，以及下发上位机的指令。

当主设备故障时，备份设备RT03不需要启动时间就能快速接替主设备工作，可提高试验的稳定性和可靠性。

由此可知，上位机对实时处理器的状态监控以及主、从设备的数据同步是实现冗余切换的基础。

为了使设备之间能够无缝切换，需要保证设备之间的数据实时同步。

主设备接收外部试验模块的报文后，进行数据解析等工作，将自己的运算结果和相关状态通过反射内存发送给备用设备。

备用设备将自己的运行结果与主设备发送来的结果进行比较，如果相同，发送确认信息，此时数据已同步，如果不相同，则修改自己的运行结果并将信息反馈给主设备，保证备用设备的输出部分与主监控系统同步。

同时，当主设备出现故障时，需要通过同步控制将主机的部分数据复制到本机，实现监控系统数据信息的一致性和完整性。

当主设备故障时，上位机会出现报警。

待故障维修完成，作为备用设备接入主控系统中继续使用。

主、备设备切换流程如图6所示。

图6主、备设备切换流程
4测试平台验证
4.1
测试平台验证过程
测试平台集成了模型在环（Mode-in-the-Loop ，MiL ）、软件在环（Software-in-the-Loop ，SiL ）和硬件在环（Hardware-in-the-Loop ，HiL ）测试功能，可以无缝连
接完成模型、硬件在环仿真和台架测试内容。

本文以混合度仿真测试为例，验证测试平台的功能。

测试流程如图7所示。

图7主控系统验证流程
试验进行过程中，同时验证冗余切换策略的有效性。

在上位机的状态监控模块中设计了主动故障注入机制，通过人为抛出异常的方式模拟实时处理器故障信息。

故障注入流程如图8所示。

图8故障注入流程
混合度指燃料电池发动机的功率与动力系统功率的比率，是FCV 动力系统开发和验证的重要指标。

在文献[15]、文献[16]中，混合度定义为蓄电池结构设计功率在动力源总的结构设计功率中的占比，在文献[17]中定义为蓄电池功率在动力源总输出功率中的占比。

本文将前者定义为动力总成结构设计的静态混合度（HD static ），后者定义为动态混合度（HD dynamic ），用于能
量管理控制策略优化。

该测试平台可以无缝地实现从
MiL 到HiL 的整个测试过程。

建立车辆模型和关键部
件模型，包括驱动电机、燃料电池发动机、电池和辅助部件，然后配置物理测试块以设置模拟条件。

当电池和燃料电池发动机的功率得到优化时，评估能量管理控制策略。

100200
300
400
500
时间/h
1.000.950.900.850.800.75
可靠度双模冗余
无冗余程序各参数初始化，
默认RT02为主设备
开始
维修设备，恢复后作
为备用设备接入主控，主/备反转
备用设备定时检查
主设备的运行状态
同步主/备设备
的数据
有异常响应
切换到备用设备，上
位机发出故障报警
备用设备是否接收主设备响应状态
正常响应
否
是
系统是否退出
无响应
延时查看
响应状态
否
结束
响应正常
多任务测试平台
验证设计
静态混合度设计
测试结果
基于XiL 技术的混合度和能量管理测试场景配置
动态混合设计与
测试
车辆参数定义和系统建模
控制目标
N
Y
Y
N
主控系统测试通过
平台重新设计和
优化
满足测试应用，满足测试平台设计可行性目标
开始
试验进行
否
是
主设备收到故障注入指令？
将故障状态信号发给上
位机和备用设备
主设备停止工作，切换
到备用设备
结束
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在混合度仿真测试的过程中，实时处理器RT01对
大气环境和道路阻力进行模拟，进行整车模型仿真。

燃料电池发动机和驱动电机等零部件与实时处理器RT02和RT03进行数据传输与指令收发。

其余缺失零部件则由RT01中的仿真模型替代，从而实现了整车级
别的验证。

4.2测试结果
由汽车动力学模型可仿真求出驱动电机峰值功
率。

整车参数如表1所示。

表1整车参数
根据测试模型和车辆规格，计算驱动电机功率需
求，如表2所示，其中，P rate,TM为电机额定功率，P TM,u max为最高车速时的电机功率，P TM,t max为加速工况电机功率，P TM,u cmax为持续最高车速电机功率。

表2驱动电机功率需求kW
首先在NEDC、JC08、UDDS、HWFET4种典型工况下仿真获取驱动电机的需求功率。

基于上述计算和模拟，燃料电池发动机额定功率应大于P TM,u cmax=14.28kW，以满足持续最高速度条件下的功率要求。

最大值约为P TM,t max= 120.03kW，满足加速时的功率需求。

在此案例中，燃料电池发动机的结构功率为45kW，可以覆盖大部分行驶周期，静态混合度为HD dynamic=62.5%。

本文设计一种双SOC开关的能量控制策略，将经济性能作为测试目标。

燃料电池发动机响应相对慢，只能满足非突变情况下的驱动电机功率要求，蓄电池作为辅助电源可以补偿功率间隙或进行制动能量回收。

根据测试结果，双SOC控制策略是一种半跟随控制方法。

改进的控制策略测试结果如图9所示[18]，测试在HWFET 工况下，测试周期为20000s，SOC从2.5%开始，稳定在75%左右，燃料电池发动机在整个运行时间内约有40%的时间进入高效区。

测试平台成功完成了整车级别的仿真测试，为混合度的优化提供了指导。

同时，在故障注入的过程中，实时处理器实现了主、备无缝切换，验证了实时处理器冗余设计的有效性，提高了系统可靠度和稳定性。

图9基于改良算法的整车控制标定
5结束语
在设计的混合度测试案例下验证了本文提出的测试平台，测试结果证明了集成测试平台的多任务网络集中控制方法的可用性。

同时，通过对混合度的重新定义和XiL技术的应用，有效实现了动力总成关键部件匹配和能量管理控制策略。

基于马尔可夫可靠性理论，分析和设计了主控制器的冗余部件以及冗余切换策略，这是首次探索FCV领域大型综合测试设备的冗余设计。

该测试平台旨在应用于整个燃料电池动力系统和关键部件的相关开发和产品化阶段。

还有进一步的后续工作要做，如环境适应性测试下的功能验证、多级故障情况下的系统冗余性测试等。

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名称
整车质量m/kg 迎风面积A f/m2
风阻系数C d 滚动阻力系数f r
参数
2235
2.18
0.31
0.0086
名称
车轮半径R/m
最高车速u max/km·h-1
0~100km/h加速时间t max/s
参数
0.316
150
15
参数P rate,TM P TM,u max 测试结果
50
37.76
参数
P TM,t max
P TM,u cmax
测试结果
120.03
14.28
00.40.8 1.2 1.6 2.0
时间/×104s
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
S
O
C
高效区
-
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（责任编辑斛畔）修改稿收到日期为2018年9月11日。

《汽车技术》专项征稿启事
《汽车技术》杂志是长春汽车研究所主办的国内外公开发行的汽车前瞻与应用技术类月刊，为中国科学引文数据库（CSCD）核心库来源期刊、中国科技核心期刊（ISTIC）、RCCSE中国核心学术期刊（A），被《中文核心期刊要目总览》、俄罗斯《文摘杂志》（AJ）收录。

伴随以互联、大数据和人工智能为代表的新一轮科技革命的到来，汽车智能网联技术正成为全球发展的热点。

为应对能源与环境的严峻挑战，实现汽车产业的可持续发展，《中国制造2025》明确将“节能与新能源汽车”列为重点发展突破领域。

为此，《汽车技术》特面向智能网联汽车和新能源汽车领域的研究人员征集综述类稿件。

对符合要求的稿件，本刊将优先处理，在同等条件下优先录用和安排发表，欢迎相关领域的专家、学者不吝赐稿。

稿件要求：
1.征稿领域为人工智能与自动驾驶技术、环境感知与驾驶员行为感知技术、人机共驾技术、智能网联汽车数据传输与信息安全技术、智能交通系统交通流管理技术、电机及电驱动技术、燃料电池关键零部件技术，综述类论文；
2.通讯作者须具有博士研究生导师资格，第一作者须具有副教授（副研究员）及以上职称或为在读博士研究生；
3.论文须体现相应领域最新研究成果，对该领域的技术发展有独到见解，参考文献中2015~2018年国外发表的文献原则上不少于20篇，并请同时注意引用国内的最新研究成果；
4.其他详细要求见本刊网站主页“下载中心”栏目《作者指南》。

本次征稿有效期为自征稿启事发布之日起至2019年12月31日。

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《汽车技术》编辑部-
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汽车技术。