FCU-HiL测试介绍

一、燃料电池汽车及HiL测试系统简介

近年来，随着新能源汽车的大规模推广应用，燃料电池汽车控制系统及零件的开发与测试计时也 得到了快速发展。燃料电池系统是新能源汽车领域重点发展方向之一，相比传统燃油车最大的优点在 于能够做到无排放零污染，同时能够解决电动汽车续航和能源补给瓶颈问题。

1.1 FCU-HiL测试功能

燃料电池控制器（Fuel cell Control Unit,FCU）作为燃料电池系统的控制单元，控制燃料电池系统的安全、可靠、高效运行。 FCU 硬件在环（HiL）仿真测试系统，则是支持 FCU 信号 级控制器测试。目的是对燃料电池汽车控制系统进行全面深入的功能测试、故障测试、总线诊断测试 及自动化测试，并辅助工程师对测试结果分析验证、故障再现，提高测试验证及分析的手段。

1.2方案特点及技术参数

FCU-HiL 采用成熟可靠的硬件及应用方案，优化先进的在环与测试系统架构，本文测试系统基于业内著名的 NI PXI 开放式的硬件平台介绍，方案采用专业的实验管理软件，基于燃料电池的实时仿真模型，针对燃料电池汽车 FCU， 完全满足控制器的 HiL 测试要求，可以根据客户的测试需求进行最优化的系统定制。 FCU 硬件在环 HiL 测试系统整体架构主要包含三层内容，第一层次为 HiL 测试系统软硬件架构， 主要包括 HiL 测试系统的硬件设备、实验管理软件、被测控制器等；第二层次为 HiL 测试系统开发， 在第一层次软硬件架构的基础上进行被测对象仿真模型开发、实时 I/O 接口匹配、硬线信号匹配及实 验定义等；第三层次为 HiL 测试，主要指在第一、二层次的基础上进行 HiL 测试，主要包括测试序列 开发、激励生成加载、模型参数调试、故障模拟实现及测试分析与评估等。

FCU 简介

 燃料电池控制器（Fuel cell Control Unit,FCU）作为燃料电池系统的控制单元。

主要控制功能： 

燃料电池系统能量管理 

驱动电流、电压协调控制 

燃料电池系统网络维护与管理 

燃料电池故障诊断与处理 

燃料电池系统状态监控 

燃料电池与外部通讯管

三 系统架构

系统基于业内著名的 NI PXI 开放式的硬件平台，采用专业的实验管理软件，基于 MATLAB/simulink 实时仿真模型，针对新能源汽车FCU， 满足控制器的 HiL 测试要求，主要包括两个部分，实时仿真机（用于仿真电机及电源驱动电路）和外部被测设备（在 FCU -HiL系统中主要指燃料电池控制器的信号电路）。这两个部分通过多个模拟/数字输入/输出通道 连接在一起，形成闭环回路。

3.2 基本组成

 HiL 系统组成主要包括以下三部分内容：

①系统硬件 系统硬件基于 NI PXI 平台搭建，主要有上位机（PC）、PXI 机箱、实时处理器板卡、数据采集板 卡、CAN 卡、DIO 板卡、电阻模拟板卡、低压电源等组成。

  HiL 系统组成

②试验管理软件

基于试验管理软件进行上位机管理和实验测试，实现试验管理、故障注入、测试用例编辑及自动化测试等功能。

试验管理软件基于NI VeriStand 软件平台，实现系统配置管理和测试管理。NI VeriStand 是一款基于配置的专业实时测试与仿真软件，无需编程即可创建测试应用，快速将 硬件I/O 与多种环境下开发的仿真模型相集成，同时可以通过NI LabVIEW 及其他软件添加自 定义与其他自动化测试功能，在兼具灵活性与开放性的同时，降低系统开发难度，缩短开发时间。

VeriStand 试验管理软件具有以下功能：

 1）可以以拖放方式建立试验监控界面： Ø

实时监控模型变量； Ø

记录实时数据，可以以图形方式显示，采集数据带有时间轴，采集周期可以设置≤1ms； Ø

界面控件支持实时激励和自动测试功能类型，可以给系统输入实时激励信号（包括常值 输入、斜坡输入、脉冲输入、工况数据输入及时序关系设置等），可按预定的顺序执行 一系列自动化测试逻辑，模拟各种不同驾驶员操作、试验环境和驾驶工况，同时记录运 行过程中的信号值。

1. 可以在线实时监控和修改仿真模型中的参数；
2. 能够集成 CAN、LIN 等通讯数据库，支持 CAN、LIN、FlexRay 总线通信功能： Ø

支持导入*.dbc、*.xml 等多种格式的数据文件，并实现报文发送和接收配置； Ø

能够基于 dbc 等文件自动生成测试界面，其中发送报文可以修改包括周期、信号值、触 发等，显示信号名、周期、ID、数据长度等；接收报文可以显示接收时间、周期、ID、 信号名称、信号值等。 Ø

支持 CAN 信号、IO 信号及仿真模型内部信号接收、数据记录、数据回放、曲线在线显 示功能； Ø

支持 CAN 信号的实时监测，对于发送的 CAN 信号，能实时切换至手动输入模式从而 进行调试；

1. 实现故障注入管理功能： 可实现对指定管脚的故障注入功能：包括对电源短路、对地短路、开路、管脚信号之间 短路等故障； 通过软件自动实现所有类型故障的注入和取消；  可以以拖拽的方式选取需要配置的通道。
2. 可直接在界面上配置 HiL 硬件系统参数，模拟各种不同驾驶员操作、试验环境和驾驶工况可 编辑和调用测试序列，实现自动化测试；
3. 可根据需求定制测试报告内容，自动导出测试报告；
4. 实现对系统、硬件、模型进行统一管理和配置功能，软件操作便捷，界面可视化；
5. 报警功能：用户可设置报警参数，以提醒用户通道中的某个值超限。报警也可触发某个流程 工作；
6. 流程管理功能：用户可在 VeriStand 上配置流程，以执行一系列动作。可以在启动时执行流 程，或者通过报警或其他流程触发该流程；
7. 数据共享网络：用户可增加反射内存网络，实现系统互联。
8. 系统初始化：如果有多个实时目标机，用户可使用该功能设置目标机的部署顺序，对目标机 进行重启设置。
9.  通过常用语言的简单配置即可实现自动化测试；
10. 能通过鼠标点击的方式，对实时操作系统进行配置，可以手动分配不同的任务至不同的运算 核中，并能为任务设定优先级；
11. 有专用的硬件管理界面，能够查看和管理 HiL 的所有的硬件，配置硬件 IO 板卡性能参数；
12. 各软硬件件模块的输入/输出接口清单能在姐买你中清晰显示，并通过鼠标点击该清单的方式， 实现各软硬件模块之间的数据连接；
13. 能将编译好的工程下载至实时机中，能实时地进行数据观测和更改，并对数据进行保存； 22) 带有调试功能，在硬件管脚已经与模型输出变量进行链接的情况下，可以实时进入调试功能， 手动更改 I/O 输出进行调试，即实时在线调参；
14. 实现模型所有的参数的在线标定与调试；
15. 实现模型输入、模型输出、 IO 板卡信号输入输出等信号的任意形状信号激励曲线配置，即 信号发生器的功能

③实时仿真模型

模型基于 MATLAB/Simulink 或者 AMESim 仿真平台进行搭建，提供与 FCU 控制器硬件IO信号相对应的资源及与 FCU 控制器控制策略相对应的燃料电池模型等。

 

实时仿真模型示意图

模型满足如下要求：

1) 满足燃料电池发动机控制器功能性测试要求；

2) 基于不同运行参数条件下的的电堆物理特性模型；

3) 燃料电池系统进气子系统模型，主要包括空压机、中冷器、增湿器、 背压阀、温度压力传感 器等；

4) 燃料电池系统供氢/回氢子系统模型，主要包括氢气调压阀、回氢泵/引射泵、水分离器等；

5) 燃料电池系统热平衡子系统模型，主要包括散热器、水泵、节温器等；

6) 燃料电池系统辅助部件模型；

7) 模型满足燃料电池控制器基于整车功能性测试要求；

8) 基于 MATLAB/Simulink 或者 AMESim 开发，能实现模型模块化、参数化设置，模型精度高； 9) 支持以图形用户界面输入数据；

10) 提供扩展的数据管理功能，方便应用于不同车型；

11）所有模型均开源、规范、易读，易于自主进行模型的二次开发，每个模块有详细的模型说明， 方便用户修改模型参数和完善模型。 燃料电池模型包含电堆模块、氢气系统模块、空气系统模块、冷却系统模块、增湿系统模块、功 率输出系统和控制系统模块组成