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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汽

车

技

术

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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