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【摘要】為實現燃料電池汽車（FCV）動力系統及其關鍵部件的開發和產品化綜合測試，設計了FCV動力系統的分布式多任務動態測試平臺，實現車輛運行環境、道路振動適應性和動態道路阻力的模擬，基于功能特性和冗余需求設計了測試系統的體系結構和功能，采用XiL技術設計驗證過程和測試用例。通過對測試結果的分析，論證了測試平臺的有效性和先進性，并驗證了FCV動力總成領域大型多層測試平臺的設計方法。

主題詞：燃料電池汽車動力系統多任務測試平臺主控系統

1前言

新能源汽車已成為汽車工業未來的發展方向，氫燃料電池汽車具有高效率和零排放的特點，因而具有廣闊的應用前景[1-3]。在燃料電池汽車的試驗過程中，受路面激勵、行駛速度、氣候和環境等因素影響，燃料電池汽車（FuelCellVehicle，FCV）動力系統及部件難以穩定運行。實車道路測試時的性能衰減遠遠快于實驗室測試。另外，單個零部件集成到動力系統后，其耐久性變得更差[4-5]。FCV動力系統是整車的核心，其開發和產業化驗證已成為燃料電池汽車產業發展的瓶頸，而綜合測試是發現問題、分析問題、提升技術與產品水平的重要方式。目前，單一部件的測試平臺不能滿足綜合運行環境的模擬，但實際車輛測試的安全風險和成本都很高。企業迫切需要集零部件與總成測試為一體的綜合測試平臺來模擬大氣環境、道路振動和動態阻力。國內外許多學者對動力系統部件或總成的外特性進行了研究[6-7]?，F有的FCV動力系統測試平臺以動力系統的零部件測試臺架為主，例如驅動電機、燃料電池發動機測試臺架等。另外，若動力系統某一關鍵零部件缺失，現有的測試平臺無法實現軟、硬件的測試。針對現有測試平臺的不足，必須引入新的測試方法，以及一個能夠模擬大氣環境、道路振動和動態阻力，實現整個產品開發過程全部功能測試的平臺。本文設計了FCV動力總成動態性能測試系統[8]，該系統基于X在環（X-in-the-Loop，XiL）[9-12]技術，用于FCV動力總成系統測試，可實現動力總成系統設計、驗證、子系統和系統匹配與集成測試，以及環境適應性和持續時間測試。

2多任務FCV動力系統測試平臺

考慮到集成單部件測試設備時，不同部件的實時性、傳輸數據量和數據類型、通信方式存在差異，平臺應設計為分布式和多通信通道的形式，通過相應的網絡將所有計算機及其他設備連接在一起，實現全網可控并在線檢測的目的。測試平臺的網絡架構如圖1所示，主控系統的主要功能包括測試平臺的管理、測試子模塊之間的協調、部署測試過程、運行測試案例、車輛控制策略以及模型的主數據管理。仿真模擬系統可以運行動力系統各部件的仿真模型，以仿真數據的輸出彌補某些測試用例中缺失的實際部件數據。平臺控制和性能測試的相關參數有數百個，多種通信協議形成了龐大的網絡系統。主控系統應確保與其他測試模塊的數據交換的互通性、實時性、同步性和可靠性。每個通信網絡是多任務網絡平臺的獨立業務主體。對數據傳遞實時性要求高的模塊，將采用高速通信通道接入測試系統，如反射內存和以太網控制自動化技術（EthernetforControlAutomationTechnology，Ether⁃CAT）。對于數據變化較緩慢的模塊，統一采用基于TCP傳輸的Modbus/TCP協議實施通信，而被測對象則以目前車載CAN總線網絡接入測試系統。3主控系統3.1主控系統架構主控系統是測試平臺的監控中心，也是實現綜合測試平臺的關鍵。主控制器可以調度和管理測試任務、模擬車輛和控制模型的操作、處理數據和總線通信并執行在線診斷。為實現這些復雜的功能，主控系統由上位機（PC）和實時處理器（RTController）組成。上位機提供人機交互界面，完成試驗配置、測試執行、狀態監控、數據監控以及數據后處理等功能，實時處理器對測試指令和測試數據進行綜合控制管理。分布式實時處理器的功能模塊包括：a.環境模型的仿真模塊：用于模擬FCV的運行環境、外部子模塊的通信安全機制的控制、系統的在線診斷模型控制以及通信調度機制的控制。b.數據分發模塊：將外部子模塊的測試數據、環境模型模擬模塊的運行數據、主機的指令數據分配給相應的目標單元或模塊。c.數據融合模塊：將系統中不同形式與格式的數據進行解析、轉換和融合，包含外部子模塊上傳的測試數據、仿真模塊的運行數據、上位機指令數據和系統配置數據。d.授時模塊：根據周期同步網絡中的運行時鐘，包括主控制系統的內部設備和外部子模塊。e.數據冗余處理模塊：數據存儲模塊中的主通信數據源和備份通道數據源的冗余檢查。f.通信協議解析模塊：完成主控制系統與外部子模塊之間的通信驅動程序和協議分析。g.在線診斷模塊：用于監控主控系統，獲取網絡中各節點的運行狀態和重要測試數據，包括通信、數據有效性和測試數據，按故障的緊急重要性分為4類。h.數據存儲模塊：將存儲融合后的數據作為數據分發、冗余處理、在線診斷等模塊的數據共享池。測試平臺主控系統的構成如圖2所示。3.2系統冗余建模如上所述，主控制器是測試平臺的監控中心，也是實現集成測試平臺的關鍵。主控制器可以調度和管理測試任務、模擬車輛和控制模型、處理數據和通信，并實施在線診斷。為了實現這些復雜功能，主控系統采用PXIe架構和實時處理器技術，使用MATLAB/Simulink和LabVIEW工具鏈和圖形建模功能分別實現相關功能，但系統的可靠性是首先要解決的問題。在系統可靠性理論中，系統可靠性定義為系統在規定時間內完成規定功能的能力。提高主控制器的可靠性可以減少故障和事故、系統停機時間和維護工作量。測試模塊和UUTs模型之間的拓撲關系很復雜，因此，必須量化主控制器的可靠性模型，并通過設備的冗余來提高和優化可靠性。首先，對主控系統作出如下假設：系統狀態離散，每次狀態變化時至多1個設備出現狀態變化（故障或修復）；系統啟動時所有設備均完好無故障；故障設備經修復返回前一個狀態后，下次故障概率不受之前的故障影響；所有設備故障均可檢測，且立即修復，不存在故障檢測不出的狀態。在現有測試平臺的使用過程中，實時處理器RT01運行MATLAB/Simulink模型，以模擬車輛、氣候和虛擬組件的環境，實時處理器RT02通過LabVIEW代碼執行更多數據處理任務，這些數據來自于主控系統所控制的各模塊。當系統需要多任務并行工作時，工作負載率超過60%，這可能導致更高的故障率。為了提高系統可靠性，本文在現有平臺的基礎上設計主控系統中執行數據處理任務的實時處理器的冗余部件，命名為RT03。RT03被設計為RT02的冗余熱備份，運行數據融合、數據存儲、定時服務和通信解析功能。根據系統可靠性理論和馬爾可夫理論模型[13-14]，RT02與RT03并聯，主控制器為雙模冗余系統。雙模冗余系統可分為6個離散狀態，如圖3所示。狀態0表示所有設備均正常運行，系統正常運行；狀態1表示有1個冗余設備出現故障，系統正常運行；狀態2表示RT01出現故障，系統故障；狀態3表示2個冗余設備都出現故障，系統故障；狀態4表示RT01和1個冗余設備出現故障，系統故障；狀態5表示RT01和2個冗余設備均出現故障，系統故障。其中，系統處于狀態0和狀態1時為正常工作狀態，其余狀態都是故障狀態。

3系統狀態劃分

根據馬爾可夫理論模型，假設RT01、RT02的失效率分別為λ1、λ2，故障修復率均為u，則在t~(t+Δt)時間內，RT01、RT02發生故障的概率分別為λ1Δt、λ2Δt，故障修復的概率為uΔt。根據狀態轉移關系，可作出系統空間狀態轉移圖，如圖4所示。圖4系統空間狀態轉移根據圖4可以寫出系統故障轉移矩陣：消去Δt，可求出系統故障轉移密度矩陣：雙模冗余系統可靠性模型中定義了6個狀態：Q(t)={q0(t),q1(t),q2(t),q3(t),q4(t),q5(t)}（3）式中，qi(t)為系統在t時刻處于i狀態的概率，初始狀態為Q(0)=[1,0,0,0,0,0]。微分方程的求解結果如圖5所示。通過上述測試結果可以證明主控系統的冗余部件 提高了系統可靠性。3.3冗余切換設計測試平臺在試驗過程中要求良好的通信實時性，所以實時處理器的冗余應設計為熱備份形式。在熱備份的工作方式下，2個實時處理器同時處于運行狀態，其中RT02為主設備，用于接收外部子設備的試驗數據信息，以及下發上位機的指令。當主設備故障時，備份設備RT03不需要啟動時間就能快速接替主設備工作，可提高試驗的穩定性和可靠性。由此可知，上位機對實時處理器的狀態監控以及主、從設備的數據同步是實現冗余切換的基礎。為了使設備之間能夠無縫切換，需要保證設備之間的數據實時同步。主設備接收外部試驗模塊的報文后，進行數據解析等工作，將自己的運算結果和相關狀態通過反射內存發送給備用設備。備用設備將自己的運行結果與主設備發送來的結果進行比較，如果相同，發送確認信息，此時數據已同步，如果不相同，則修改自己的運行結果并將信息反饋給主設備，保證備用設備的輸出部分與主監控系統同步。同時，當主設備出現故障時，需要通過同步控制將主機的部分數據復制到本機，實現監控系統數據信息的一致性和完整性。當主設備故障時，上位機會出現報警。待故障維修完成，作為備用設備接入主控系統中繼續使用。主、備設備切換流程如圖6所示。

4測試平臺驗證

4.1測試平臺驗證過程測試平臺集成了模型在環（Mode-in-the-Loop，MiL）、軟件在環（Software-in-the-Loop，SiL）和硬件在環（Hardware-in-the-Loop，HiL）測試功能，可以無縫連接完成模型、硬件在環仿真和臺架測試內容。本文以混合度仿真測試為例，驗證測試平臺的功能。測試流程如圖7所示。試驗進行過程中，同時驗證冗余切換策略的有效性。在上位機的狀態監控模塊中設計了主動故障注入機制，通過人為拋出異常的方式模擬實時處理器故障信息。故障注入流程如圖8所示?；旌隙戎溉剂想姵匕l動機的功率與動力系統功率的比率，是FCV動力系統開發和驗證的重要指標。在文獻[15]、文獻[16]中，混合度定義為蓄電池結構設計功率在動力源總的結構設計功率中的占比，在文獻[17]中定義為蓄電池功率在動力源總輸出功率中的占比。本文將前者定義為動力總成結構設計的靜態混合度（HDstatic），后者定義為動態混合度（HDdynamic），用于能量管理控制策略優化。該測試平臺可以無縫地實現從MiL到HiL的整個測試過程。建立車輛模型和關鍵部件模型，包括驅動電機、燃料電池發動機、電池和輔助部件，然后配置物理測試塊以設置模擬條件。當電池和燃料電池發動機的功率得到優化時，評估能量管理控制策略。在混合度仿真測試的過程中，實時處理器RT01對大氣環境和道路阻力進行模擬，進行整車模型仿真。燃料電池發動機和驅動電機等零部件與實時處理器RT02和RT03進行數據傳輸與指令收發。其余缺失零部件則由RT01中的仿真模型替代，從而實現了整車級別的驗證。

4.2測試結果由汽車動力學模型可仿真求出驅動電機峰值功率。整車參數如表1所示。根據測試模型和車輛規格，計算驅動電機功率需求，如表2所示，其中，Prate,TM為電機額定功率，PTM,umax為最高車速時的電機功率，PTM,tmax為加速工況電機功率，PTM,ucmax為持續最高車速電機功率。首先在NEDC、JC08、UDDS、HWFET4種典型工況下仿真獲取驅動電機的需求功率?；谏鲜鲇嬎愫湍M，燃料電池發動機額定功率應大于PTM,ucmax=14.28kW，以滿足持續最高速度條件下的功率要求。最大值約為PTM,tmax=120.03kW，滿足加速時的功率需求。在此案例中，燃料電池發動機的結構功率為45kW，可以覆蓋大部分行駛周期，靜態混合度為HDdynamic=62.5%。本文設計一種雙SOC開關的能量控制策略，將經濟性能作為測試目標。燃料電池發動機響應相對慢，只能滿足非突變情況下的驅動電機功率要求，蓄電池作為輔助電源可以補償功率間隙或進行制動能量回收。根據測試結果，雙SOC控制策略是一種半跟隨控制方法。改進的控制策略測試結果如圖9所示[18]，測試在HWFET工況下，測試周期為20000s，SOC從2.5%開始，穩定在75%左右，燃料電池發動機在整個運行時間內約有40%的時間進入高效區。測試平臺成功完成了整車級別的仿真測試，為混合度的優化提供了指導。同時，在故障注入的過程中，實時處理器實現了主、備無縫切換，驗證了實時處理器冗余設計的有效性，提高了系統可靠度和穩定性。

5結束語

在設計的混合度測試案例下驗證了本文提出的測試平臺，測試結果證明了集成測試平臺的多任務網絡集中控制方法的可用性。同時，通過對混合度的重新定義和XiL技術的應用，有效實現了動力總成關鍵部件匹配和能量管理控制策略?；隈R爾可夫可靠性理論，分析和設計了主控制器的冗余部件以及冗余切換策略，這是首次探索FCV領域大型綜合測試設備的冗余設計。該測試平臺旨在應用于整個燃料電池動力系統和關鍵部件的相關開發和產品化階段。還有進一步的后續工作要做，如環境適應性測試下的功能驗證、多級故障情況下的系統冗余性測試等。

參考文獻

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作者：柴華 章桐 陳覺曉 高海宇 單位：同濟大學