德国ETAS氢燃料电池HIL方案- FCU HIL测试方案

ETAS GmbH 成立于 1994 年，是罗伯特博世联合企业的一部分，是车用电子控制系统以 及相关嵌入式控制系统软件开发工具和测试设备的供应商。ETAS 致力于为车用嵌 入式系统的整个生命周期提供支持性的创新产品。ETAS 可向的汽车 OEM 以及电控 单元的一级供应商提供产品与服务。本公司在拥有约 700  名员工，年营业额达到约 1.4 亿欧元。以下是有关本公司的概要介绍。ETAS 化网络是在范围内构建起的一个由办事机构和研发中心组成的网络，通 过该网络进行产品的开发、配置并提供技术支持。本公司相信，对于建立长期、成功 的客户关系来说，在地理位置上与客户接近将具有至关重要的意义。ETAS 集团总部位 于德国斯图加特，在美国、日本、韩国、中国、印度、法国、英国、意大利、巴西及 俄罗斯联邦均设有地区分公司或办事机构。每一处办事机构都提供客户账户管理、客 户技术支持、区域内项目管理以及工程技术服务资源等。

与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车具有加注时间短，续航里程长等优势，是未来汽车工业可持续化发展的重要方向。目前，氢燃料电池汽车产业正在兴起。氢能是一种清洁能源，氢燃料电池只会产生水和热，并不会产生二氧化碳，对环境无任何污染。

燃料电池电动汽车技术是目前世界环保汽车技术的热点，我国应更加积极开展燃料电池电动汽车技术研究，较快缩小与西方汽车工业发达国家的汽车环保技术的差距，从能源和环保角度来讲，进行燃料电池电動汽车技术开发对能源多样化，发展燃料电池汽车，将促进一系列技术和产业的发展，形成国民经济发展的新增长点。

燃料电池是一种很有前途的清洁能源，在未来很可能代替传统能源成为主要能源。所以，很多国家和跨国集团都极其重视燃料电池技术的开发和研究。美国将燃料电池技术列为国家安全技术;欧盟在2008年制定了2020年氢能与燃料电池发展计划，投资近10亿欧元用于燃料电池与氢能研究、技术开发及验证等方面;加拿大计划将燃料电池发展成国家的之助产业;日本认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心;《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术;我国中长期科学和技术发展规划纲要明确提出，大力发展氢燃料的制取、存储及专用燃料电池技术的开发与研究，提高产业化技术。

近20年来，我国科技人员经过不懈努力，尽管燃料电池及材料的开发和应用得到了极大的进展，但由于研究投入和产业化资金数量很少，燃料技术的总体水平与发达国家相比还有较大差距，燃料电池技术的阻力主要在于基础设施匮乏，技术人才不足，成本高、耐久性差，研究力量分散，产业化体系尚未形成，尤其是缺少企业的参与，很难将研究成果进行示范应用。所以，我国应寻找切入点，根据当前和中长期经济和社会发展需要，集中研究力量，大力推动燃料电池发电技术的发展，加大研发和产业化投入，为我过的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。

用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型

燃料电池系统的典型架构-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型进行模拟的依据

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能记录完整的燃料电池系统，包括堆栈、外围设备和柔性ECU。其包含一个可以对水流、温度影响和反应动力学详细模拟的一维PEM-FC堆栈。柔性ECU也能保证在工作站进行直接的闭环试运转。

LABCAR-MODEL-FC模型能确保用户逼真地模拟出燃料电池系统，从而对HiL系统中的ECU进行测试。其模块化的模型架构可以让特定的客户对氢气、氧气和冷却系统进行模拟。

模型扩展装置

LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料电池校准）是一种二维的PEM-FC堆栈模型，用于详细地模拟电、水、和压力分布。鉴于此模型具有模块化的设计特点，并且还配有参数化的工具，因此其可以跟现有的LABCAR-MODEL-FC模型进行无缝整合。

两种变体均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整车模拟中（虚拟车辆测试台的模拟模型，用来进行HiL测试）。

LABCAR-MODEL-FC

在汽车应用中，通常优先使用PEM-FC燃料电池，因为其具备启动快、能量密度高和动力学稳定的优良特点。为了给客户在此大有前途的创新领域提供支持，ETAS提供了燃料电池系统的LABCAR-MODEL-FC模拟模型，用来进行HiL测试。

测试用于燃料电池系统的ECU

LABCAR-MODEL组合包括集成电路发动机、用于汽车推进的锂离子电池、电动机、燃料电池、车辆动力学、车辆、驾驶员和环境的仿真模型。

在汽车应用中，通常优先使用PEM-FC燃料电池，因为其具备启动快、能量密度高和动力学稳定的优良特点。为了给客户在此大有前途的创新领域提供支持，ETAS提供了燃料电池系统的LABCAR-MODEL-FC模拟模型，用来进行HiL测试。

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模拟燃料系统性能。模拟整个系统-从PEM-FC（高分子电解膜燃料电池）堆栈到反应物和冷却剂的供应-以确保对燃料电池系统ECU的可靠性测试和校准。

LABCAR-MODEL-FC可以模拟堆栈、氢气供应、氧气供应和冷却剂供应的详细过程。此技术基于对物理过程的精确模拟，而这些模拟都是基于对电解反应的复杂计算以及基于对堆栈和外围设备之间相互作用的复杂计算得出。鉴于现代燃料电池堆栈的复杂性,要对堆栈进行一维（1D）空间分布模拟。为了满足当前和未来的要求，可以实现对二维（2D）堆栈模拟进行特殊扩展，其燃料电池系统的模拟模型可用于完成基于HiL的校准（LABCAR-MODEL-FCCAL）。基于PC的模拟目标LABCAR-RTPC能为实时模拟提供所需的电源。

LABCAR-MODEL-FC模拟模型可以让用户在硬件在环测试台上对燃料电池的ECU进行早期的测试和优化。

将高成本的测试和安全相关的应用转移到硬件在环测试台上，从而在开发过程中让顾客直接受益。应用实例包括模拟PEM-FC燃料电池堆栈的冷启动调节或模拟氢气供应的临界处理。

LABCAR-MODEL-FC模型能确保用户逼真地模拟出燃料电池系统，从而对HiL系统中的ECU进行测试。其模块化的模型架构可以让特定的客户对氢气、氧气和冷却系统进行模拟。

模型扩展装置

LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料电池校准）是一种二维的PEM-FC堆栈模型，用于详细地模拟电、水、和压力分布。鉴于此模型具有模块化的设计特点，并且还配有参数化的工具，因此其可以跟现有的LABCAR-MODEL-FC模型进行无缝整合。

两种变体均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整车模拟中（虚拟车辆测试台的模拟模型，用来进行HiL测试）。

实验环境中 EE 的组件操作

故障仿真软件

LABCAR-PINCONTROL V2.0 为故障仿真箱 ESES5398 的配套软件，具有方便用户使用的 接口，可实现 ES5398 的手动操作，是 ES5398 的重要组成部分，操作界面友好，其操 作界面请参见下图。

软件可实现的功能如下：

•创建并管理故障模式，产生 ECU 信号的一系列故障。如氧传感器故障

•简化故障仿真信号的选取

•设置故障产生的时间

•通过点击鼠标来触发故障

•设置多台 ES5398 同时使用

•提供自动化测试的 API 接口等。

•通过 Excel 表格进行故障配置和定义

LABCAR_PINCONTROL 的配置界面

模型方案

燃料电池堆动力学模型

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 是一个 1-D+1-D 的燃料电池堆站模型，该模型包含 1-D 的 燃料电池单体膜模型和 1-D 的双电极及气体通道仿真模型。1-D 的燃料电池单体膜模型 能够对燃料电池膜的内阻，电极之间氧和氢反映生成水的情况进行仿真；1-D 的双电极 及气体通道仿真模型能够仿真双电极间气体在通道内非线性分布的特性，包括温度， 电流，沿电芯堆叠方向的气体压力变化，以及对冰点温度影响等。

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 模型可以考虑为将燃料电池堆沿着气路方向分为多个小模 块，如下图所示。Z 坐标所示方向为气体流动方向，X/Y 坐标表示垂直于膜和气流方向

。每一个小模块代表所有燃料电池功能层，包括两个电极板，气路通道，气体扩散层 以及膜。燃料电池模型的采用上述基本架构，在子系统中包括有完整功能层，每个小

模块均可对外提供数据接口，同时也能适用于用户的模型扩展要求。

坐标系

描述

通过燃料电池系统模型 LABCAR-MODEL-FCCAL 的无时间限制的、节点版操作许可证， 客户被在主机上执行 LABCAR-MODEL-FCCAL 的代码生成。

LABCAR-MODEL-FCCAL 是通过 MATLAB/Simulink 执行的，用户可以打开并修改模型。 这些元件以 S-Functions 的形式提供，如：已编译的动态链接库，不包含源代码。

LABCAR-MODEL-FCCAL 作为 LABCAR 产品家族的一部分, 能够天然支持 LABCAR 网络 HIL 系统仿真应用。也就是说，只要 LABCAR-MODEL-VVTB 和其他 LABCAR 模型可以在 网络中的 RTPCs 上运行，那么它也支持 LABCAR VARIANT MAN-AGEMENT (LVM) 。 功能

LABCAR-MODEL-FCCAL 是一个*燃料电池堆栈模型。该模型包含了一个一维膜模型

，能够仿真薄膜电阻、含水量以及电极之间产生的水交换等特性。 除此之外，它使用了空间分布的 双极板与气体通道双 1-D 维度模型，考虑上述两个维 度上的电堆温度、电流和压力变化的非线性特性。此外还特别考虑了汽车会遇到在冰 点温度下工作的情况。

LABCAR-MODEL-FCCAL 仿真模型包含：

•单电池模型，并考虑到电流、温度、反应物化学计量数以及膜湿度对电池电压损耗的 影响计算。

•基于一维膜模型的含水量和水交换量的详细计算。

•一维多组分气体通道模型允许为每个电极单独的气体成分。

•不同的流场设计仿真。支持内部电池加湿的顺/逆流量设置。

•基于膜温度模型、电池含水量的非线性动态特性和受温度影响的流体性质的实际冷启 动行为。

•考虑气体通道内液态水的积聚和运动的两相水模型。

• 具有两种膜类型的默认堆栈参数设置。 传输范围

绑定到单一 MAC 地址的节点版许可文件

在车辆控制单元开发与测试领域，LABCAR 硬件在环系统（HIL）是 ETAS 工具系列的一 个核心部分，贯穿于 V-模型的所有阶段。测试既可以在给定模型在环（Model-in-the- Loop，MIL)上操作，在当前软件在环(Software-in-the-Loop, SIL)，连接实体 ECU 硬件 在环(Hardware-in-the-Loop，HIL)上执行，也可以涉及附加测量标定步骤，对车载 ECU 数据标定产生影响。它具备灵活性能和全面合理的逻辑概念。 控制单元初期开发，硬件在环（HIL）测试系统为其提供了重要的质量保证。为了便于 在实验室对控制单元进行功能测试或诊断, 通过 DVE 模型的模拟仿真，任何虚拟行驶环 境测试可以在广泛范围内反复进行。另外自动化操作扩展了测试范围，而对驾驶者和 车辆毫无损害。

LABCAR 的开放式结构支持与测量标定工具的集成，广泛的模型选择与信号质量优良是

LABCAR 的两大经典优势。

LABCAR 的另一重要特色，即基于 PC 的结构，赋予了其本身一项固有优势：可用计算 能力的升级更加简便、经济。多目标与多核应用实质上无地提高了仿真速度与同 步获取大量数据信息时的计算能力，智能信号管理，投资高度安全和系统整个服务周 期内的性价比更加*。

同时 ETAS 是一个真正能为 V 模式开发提供完整工具链的供应商。产品系列可靠地涵盖 了 ECU 软件开发的每个步骤 （直到售后诊断）， 他们分布到不同的应用领域，