燃料電池系統是新能源汽車領域重點發展的方向之一，能夠做到無排放污染的同時解決電動汽車中續航和能源補充等瓶頸問題。燃料電池控制器（Fuel cell Control Unit，FCU）作為燃料電池系統的主控單元，控制燃料電池系統的安全、可靠、高效運行。

FCU的主要功能包括：傳感器信號采集、執行器指令輸出、與其他控制器信息交互、監測并預測系統功率輸出，診斷系統各類型故障。

圖1 燃料電池系統控制器（FCU）功能

燃料電池系統是一個多維、且參數敏感度高的復雜非線性系統。燃料電池仿真模型作為FCU仿真測試的關鍵部分，需要將影響燃料電池系統性能的各維度參數進行綜合處理，盡可能反應出燃料電池真實特性，為FCU的仿真測試提供準確的測試環境。經緯恒潤基于多年的仿真模型開發經驗和成熟的新能源電控系統測試平臺，可提供功能豐富完善的FCU硬件在環仿真測試解決方案。

燃料電池HIL測試系統解決方案可覆蓋如下功能測試：

控制器上下電控制邏輯測試

噴射閥、壓縮機、循環泵、加濕器、風扇控制

流量、壓力、溫度、濕度等傳感器信號采集

氫氣流量/壓力閉環控制測試

氧氣流量/壓力閉環控制測試

燃料電池輸出功率控制

燃料電池熱管理功能測試

FCU控制診斷功能及IO診斷功能測試

CAN通訊收發功能測試

控制策略開發驗證

圖2 燃料電池系統HIL測試方案

硬件系統

燃料電池系統控制器HIL的硬件系統為目標控制器輸入真實的電氣信號，同時對控制器和真實負載輸出的電氣信號進行采集處理。硬件系統的組成包括：

電源管理系統

基于PXI的實時處理系統

數字量/模擬量輸入輸出板卡

溫度傳感器信號仿真板卡

電流輸入輸出及故障注入板卡

噴射閥等驅動信號采集板卡

總線信號（CAN、LIN、FlexRay）板卡

圖3 真實負載信號處理邏輯

軟件工具

試驗軟件作為人機交互接口，可實現：工程管理、信號交互、在線監測、故障設置、自動化測試等功能。

故障注入軟件可實現硬線故障的配置與激活功能。

自動測試軟件用于測試序列的執行，制定測試計劃，生成測試報告。

圖4 HIL測試系統軟件配置

模型配置

仿真模型用于配置目標控制器外圍的邏輯環境，主要包括：硬線輸入/輸出接口模型、總線輸入/輸出接口模型、虛擬駕駛員模型、虛擬控制器模型、燃料電池模型、車輛動力學仿真模型。其中燃料電池模型是本方案核心。

燃料電池系統模型基于熱力學、電化學原理搭建，支持參數化配置，電堆模型遵循質量守恒、能量守恒定律。燃料電池系統模型主要組成：

陽極供氫氣系統：流量，壓力，濃度，摩爾分量

陰極供氧/空氣系統：流量，壓力，濃度，摩爾分量

加熱/冷卻系統：加熱系統，冷卻循環

循環系統：吹掃，氣體循環，水循環，溫度循環

電堆模型：分壓計算，氣體消耗計算，能量轉換計算，理論電壓計算，極化過程計算，濕度計算

圖5 質子交換膜（PEM）燃料電池系統模型