CN114967645A - 燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统及其配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硬件在环测试系统领域，公开了一种燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统及其配置方法，硬件在环测试系统包括上位机系统，用于对燃料电池发动机模型、控制器样机的参数进行配置；控制器样机，运行有用于对燃料电池发动机模型进行控制的控制策略，控制策略输出能够控制燃料电池发动机模型的控制信号至硬件在环设备，向硬件在环设备中的燃料电池发动机模型进行故障注入；硬件在环设备，具有实时处理器、与控制器样机各引脚连接的接口；硬件在环设备上运行有燃料电池发动机模型，燃料电池发动机模型通过硬件在环设备的接口与控制器样机通讯连接，能够将燃料电池发动机模型的响应信号以及故障信息发送至控制器样机。

Description

燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统及其配置方法

技术领域

本发明涉及属于硬件在环测试系统领域，具体涉及一种燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统及其配置方法。

背景技术

近年来，随着环境污染和能源短缺问题的日益加剧，以燃料电池为代表的新能源因其能量转换率高、无污染等优势被广泛应用于多个领域。以燃料电池为动力装置的新能源汽车，更是成为交通领域研究的热门话题。

燃料电池发动机系统通过串联燃料电池单体组成的燃料电池电堆和其他辅助系统组成，主要包括：空气系统、氢气系统、中冷系统和加湿系统等。整车发动机的工作效果与多个因素相关，包括：空压机电压、循环泵电压、氢气侧比例阀开度、电堆压力、电堆温度、湿度等。同时，发动机系统是非线性的，且内部各个子系统间具有较强的耦合性。另外在ECU开发过程中，系统软件和机械硬件结构通常是并行设计的。只有在集成后才能开展测试工作。如果在集成后发现了一些严重风险的安全Bug，就有可能造成人身伤害、损坏设备和项目延误。

因此，需要设计控制器和有效的管控策略来控制燃料电池发动机系统，确保燃料电池汽车的安全运行。

但在发动机系统中采用的燃料为氢气，具有一定的危险性；因此，在控制器的开发阶段，即应用于实车前，需要利用硬件在环设备对控制器样机和控制策略进行一定的验证和优化，提高控制器的安全性，缩短控制策略的开发周期。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统及其配置方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统，包括：

上位机系统，用于对燃料电池发动机模型的参数进行配置；

控制器样机，具有引脚，运行用于对燃料电池发动机模型进行控制的控制策略，对硬件在环设备中的燃料电池发动机模型进行故障注入；其中，控制策略输出能够控制燃料电池发动机模型的控制信号至硬件在环设备；

硬件在环设备，具有实时处理器以及与控制器样机各引脚连接的接口；硬件在环设备上运行燃料电池发动机模型，燃料电池发动机模型通过硬件在环设备的接口与控制器样机通讯连接，能够将燃料电池发动机模型的响应信号以及故障信息发送至控制器样机；

通过控制信号的有效性、故障注入后燃料电池发动机模型的故障信息以及燃料电池发动机模型与控制器样机通讯情况，对控制器样机中控制策略进行判断。

进一步地，所述燃料电池发动机模型包括燃料电池电堆、氢气系统、空气系统、冷却系统、加湿系统和电气系统。

进一步地，所述控制器样机包括如下硬件结构：

CAN通讯电路，与硬件在环设备进行CAN通讯；

低边驱动电路，用于在硬件在环设备对燃料电池发动机进行故障注入后反馈故障信息；

模拟量输入电路，用于接收燃料电池发动机模型发出的响应信号；

所述硬件在环设备还包括如下硬件结构：

信号调理板卡，包括用于接收控制器样机控制信号的输入板卡以及用于向控制器样机发出响应信号的输出板卡；

PWM模块，包括多路PWM输入单元和多路PWN输出单元；

至少两块具有双通道的CAN总线板卡，用于对所述燃料电池发动机模型所在的整车总线上的CAN报文信息进行模拟；

电阻仿真板卡，包括多个电阻和切换卡关，用于模拟不同大小的电阻。

一种用于燃料电池发动机控制器的硬件在环测试系统的配置方法，通过上位机系统中的NI Veristand软件生成工程文件，具体包括如下步骤：

新建工程文件或者选择已有的工程文件；

在工程文件中配置控制器样机的IP地址；

在工程文件中关联燃料电池发动机模型，从而将燃料电池发动机模型导入实时处理器中；

在工程文件中添加所需的控制器样机硬件结构和硬件在环设备硬件结构；

燃料电池发动机模型具有传感器端口、执行器端口和控制器端口，将燃料电池发动机模型的各端口，与控制器样机的硬件结构和硬件在环设备的硬件结构一一对应。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

硬件在环(Hardware In Loop,HIL)测试，可以在开发阶段利用仿真功能模拟燃料电池发动机系统，与控制器进行实时数据交互，可以对控制器和控制策略进行全方面、系统级的开发、仿真测试与优化，是VCU开发的高效工具。仿真模型与实际发动机的拟合程度、硬件在环测试系统的搭建效果，对整个测试系统的有效性和可靠性有着较大的影响。

附图说明

图1为本发明硬件在环测试系统的整体架构图；

图2为本发明燃料电池发动机系统的结构图；

图3为本发明硬件在环测试系统的搭建流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

一种燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统，硬件层面包括硬件在环设备和控制器样机，软件层面包括上位机系统。

本发明中的硬件在环测试系统可以模拟燃料电池发动机各零部件运行状态，对燃料电池发动机控制器(FCU)样机进行功能测试、故障测试和总线通讯测试等。控制器样机的I/O信号与硬件在环设备的接线端子或断路测试盒连接，硬件在环设备实时运行燃料电池发动机模型以及整车动力系统模型，接收控制器样机的控制信号并输出响应信号给控制器样机。上位机系统通过NI VeriStand管理软件实现I/O接口、通讯接口、模型参数、测试用例进行管理和配置，形成一套完成的上位机系统。

基于NI-PXI的硬件在环设备主要包括：机柜、机箱、电源管理模块、可编程开关直流电源、实时处理器、信号调理板卡、PWM模块、CAN通讯模块、电阻仿真板卡等。

硬件在环测试系统需要测试的控制器样机的功能包括：①控制器样机的启动、运行、暂停和终止；②观测、输出燃料电池发动机所需的各种电气信号，包括电压信号、电阻信息、PWM信号和CAN总线信号；③支持故障注入，故障诊断及安全保护策略测试。

燃料电池发动机模型是基于MATLAB/Simulink实现的对汽车真实被控对象的仿真，仿真模型可以模拟汽车在不同工况下的运行状态。燃料电池发动机模型包括：燃料电池电堆、电气模型、氢气系统、空气系统、冷却系统、加湿系统等多个模型。整个系统非常复杂，其中所有与PCM进行交互的信号，都被封装到了硬件在环设备PWM模块中，方便进行管理和重新配置。

硬件在环测试系统具有可视化界面，可以实时监控硬件在环测试系统的工作状态，同时向设备发送控制指令。硬件在环测试系统可以在NI VeriStand环境中实现配置，燃料电池发动机模型编译后通过NI VeriStand管理软件添加到实时处理器中，为工程文件配置实时硬件I/O通道、数据记录、CAN通信和故障注入，测试控制器样机和控制策略。

本发明中的硬件在环测试系统中，物理部分被仿真模型所代替，并被广泛运用于燃料电池发动机控制器开发过程中。

本发明中测试系统的构建方法包括四个部分，即燃料电池发动机模型的搭建、控制器样机的设计开发、硬件在环设备的选用和硬件在环测试系统的搭建。

(1)燃料电池发动机模型的搭建

燃料电池发动机模型利用simulink搭建，利用NI软件编译生成相关工程文件。一般可以根据PUKRUSHPAN J T提出的常见燃料电池仿真模型的架构和相关元件参数来搭建燃料电池发动机模型。如图2所示，燃料电池发动机系统包括以下系统：燃料电池电堆、电气模型、氢气系统、空气系统、冷却系统、加湿系统等多个系统，上述系统的数学模型表现为以下几个方面：

电学模型：描述了燃料电池的电性能输出特性，包括电压、功率和效率等。在理想情况下，燃料电池单体的输出电压E可以通过Nernst方程得出：

其中，T_st为电池电堆的温度，单位为K；

和

分别为氧气和氢气的分压。在实际工作中，燃料电池由于损耗产生的不可逆电压降会导致其输出电压要低于理想值E。燃料电池单体的输出电压可以表示为理想电压减去各项电压损失，主要的电压损失包括活化极化损耗电压、浓差极化损耗电压。

燃料电池电堆：一般依据燃料电池电堆的结构，燃料电池电堆单体可以看作由阴极流道、质子交换膜、阳极流道三部分组成(忽略扩散层和催化剂层的影响)。因此需要对燃料电池电堆这三层结构分别建模，模拟阴极流道和阳极流道中气体参数的变化以及PEM膜的含水量。具体表达式根据物质守恒定律等相关定律即可做出，这里不再赘述。

氢气系统：为燃料电池发动机系统提供充足的氢气，同时利用循环泵和排水阀等元件实现氢气的循环利用，提高氢气的利用率。在具有循环氢气的燃料电池发动机系统中，涉及的元件主要包括：比例阀、循环泵和排水排气阀。氢气系统模型比较简单，这里不再赘述。

空气系统：为燃料电池阴极侧供给空气、排出剩余气体，涉及的元件主要包括空压机模型和背压阀。

空压机：其建模可以分为两部分，即压缩机转速-流量-压缩比映射图和电驱动模型。压缩机转速-流量-压缩比映射图反映了转速、空压机出口气体质量流量与气体压缩比之间的关系，具体表达式这里不再赘述。而电机的驱动模型采用静态电动机方程来描述空压机转速的动态行为：

其中J_cp是压缩机和电机的连接惯性，ω_cp是压缩机的转速。τ_cm是空压机马达驱动力矩，τ_cp是空压机阻力矩。

背压阀：为了保证电堆内部的反应压力，燃料电池阴极侧出口处需要安装背压阀。背压阀的选型需要考虑介质特性、工作压力、工作温度等因素。背压阀通过调节阀门开度调节燃料电池电堆阴极压力。

冷却系统：燃料电池电堆的温度与冷却温度、流量、进气流量、出堆气体流量和环境温度等参数均有关系。一般冷却系统用于对离开空压机的气体进行降温，这是因为离开空压机的空气温度和供应管道中的气体温度通常都很高，为了防止对燃料电池膜的任何损坏，需要将空气冷却至电堆操作温度。一般将理想的空气冷却器使进入电堆的空气温度T_st＝80℃。

加湿系统：用于对进入电堆的空气进行加湿。一般假定空气进入加湿器前后温度不发生变化，增湿器入口和出口处的干燥空气流量相同。

根据燃料电池发动机系统的数学模型，在simulink仿真平台上搭建相对应的燃料电池发动机模型，利用simulink自带的嵌入式代码生成算法生成C代码，模拟燃料电池发动机，作为发动机控制器硬件在环测试的基础。

(2)控制器样机的设计开发

在进行燃料电池发动机控制器测试前，需要确保控制策略承载的硬件的合理性，即控制器样机能够完全满足燃料电池控制策略输入输出信号之间的沟通。控制器样机的硬件系统包括：

CAN通讯电路：用于与整车、电压巡检模块CVM等进行通信，需要使用CAN收发器芯片，使用共模电感滤除共模干扰，通过终端电阻桥提高数据通信的抗干扰性及可行性。

低边驱动电路：需要通过芯片控制，直接控制开关电磁阀。低边驱动电路的控制信号需要选取为直接控制或并行控制，前者控制逻辑从单片机发出，经过驱动后直接控制输出口通断，从而控制要求低边驱动，如电磁阀；后者通过单片机与芯片通讯控制输出通断，可返回故障信息。

模拟量输入电路：包括电压模拟量输入电路和电阻模拟量输入电路，控制器需要多路电压模拟量输入电路和多路电阻模拟量输入电路进行外围BOP传感器的返回信号的采集，以完成对燃料电池发动机的传感器输入信号的读入。

H桥电路：需要通过芯片(如UCC27324D)输出，可用于控制如三通阀等被控对象。

电源电路：电池供电电压VBAT经过额定电流保险丝、二极管和滤波电容后，形成额定电压，外围芯片一般选用5V供电。

(3)硬件在环设备的选用

如图1所示，基于硬件在环(Hardware In Loop,HIL)测试的燃料电池汽车发动机控制器测试系统包括：机柜、机箱、电源管理模块、可编程开关直流电源、实时处理器、信号调理板卡、PWM模块、CAN通讯模块、电阻仿真板卡等。设备的具体需求功能和可用选型包括：

机柜：一般可以采用38U标准立式机柜；

机箱：选用PXI机箱作为控制器及板卡的载体，是燃料电池发动机模型的实时仿真平台，机箱兼容PXI、PXIExpress和PXI混合模块，满足大多数高功耗PXI模块的散热要求；

电源管理模块：每个机柜最上面的3U插箱为电源管理模块(Power DistributionUnit，PDU)，实现对测试系统的外部供电进行控制、分配、保护；

可编程开关直流电源：选用的可编程开关直流电源的输出满足搭载全部负载需求，能够模拟车载电源属性，可以通过上位机程序控制可编程开关直流电源输出的电压范围，设置可编程开关直流电源电压不同的变化曲线，以及对燃料电池发动机模型进行自动的上电和下电等操作；

实时处理器：运行燃料电池发动机模型和整车动力系统模型，并且能够管理PXI机箱内的板卡；

信号调理板卡：包括输入信号调理板卡和输出信号调理板卡；输入信号调理板卡用于调整信号输入的范围，防止超过设定范围；输出信号调理板卡用于扩大数字量的输出范围和驱动能力；

PWM模块：包括多路PWM输入，频率范围自定；多路PWM输出，频率范围自定。需要观测和测量的量包括：信号频率和占空比；

CAN通讯模块：选用至少两块双通道的CAN总线板卡，对整车总线上面的CAN报文信息进行模拟；

电阻仿真板卡：电阻仿真板卡上每个通道由若干个电阻和切换开关构成，MCU根据上位机发送的指令，通过不同的切换开关组合模拟不同的电阻值大小；

多功能板卡：方案中选用的多功能板卡能够精确测量燃料电池发动机模型输出的模拟量信号、数字信号；完全满足对信号采集的需求；

断路测试盒面板：方便对信号进行测试和故障注入；断路测试盒面板用桥接端子连接，方便快速通断，可集成在主机柜中，配有通道连接的专用线束。

(4)硬件在环测试系统的搭建

如图3所示，基于NI Veristand软件生成上位机工程文件，主要内容包括测试系统环境、工程和观测界面的创建与配置：

创建工程：在NI VeriStand软件中选择已有工程或创建新测试工程，进入配置界面；

配置IP：在控制器选项中，根据实际选择操作系统；配置IP地址时，需要与在NIMAX软件中检测到的远程系统网络IP一致；

导入模型：添加并关联燃料电池发动机模型编译生成的dll文件，从而将燃料电池发动机模型导入到实时处理器中；实时处理器主要提供车辆被控对象的模拟，主要用于运行燃料电池发动机模型以及信号处理；

配置板卡：在测试工程中添加并配置需要的板卡，根据硬件在环测试系统的需要添加端口，如模拟量和数字量输入输出端口；在硬件在环测试系统中，需要添加的端口包括电压采集、电阻采集、低边驱动、PWM等相关端口；

配置CAN通讯：添加需要的CAN口，注意选择设备中存在的CAN口；同时需要对CAN口的波特率进行设置。随后，添加对应的CAN通讯文件；配置CAN口的数据信息，使其能够完成CAN通讯功能；

匹配端口：对模型端口和设备接口进行匹配，在配置过程中需要注意接口的连接方向；匹配端口就是将燃料电池发动机系统的传感器、执行器和控制器的输入和输出分别一一对应连接起来；

设计操作界面：在观测界面中根据自身的需求进行上位机的界面设计，从而实现在该界面完成相关量的观测和配置等功能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种燃料电池发动机控制器硬件在环测试系统，其特征在于，包括：

上位机系统，用于对燃料电池发动机模型的参数进行配置；

控制器样机，具有引脚，运行用于对燃料电池发动机模型进行控制的控制策略，对硬件在环设备中的燃料电池发动机模型进行故障注入；其中，控制策略输出能够控制燃料电池发动机模型的控制信号至硬件在环设备；

硬件在环设备，具有实时处理器以及与控制器样机各引脚连接的接口；硬件在环设备上运行燃料电池发动机模型，燃料电池发动机模型通过硬件在环设备的接口与控制器样机通讯连接，能够将燃料电池发动机模型的响应信号以及故障信息发送至控制器样机；

通过控制信号的有效性、故障注入后燃料电池发动机模型的故障信息以及燃料电池发动机模型与控制器样机通讯情况，对控制器样机中控制策略进行判断。

2.根据权利要求1所述用于燃料电池发动机控制器的硬件在环测试系统，其特征在于：所述燃料电池发动机模型包括燃料电池电堆、氢气系统、空气系统、冷却系统、加湿系统和电气系统。

3.根据权利要求1所述用于燃料电池发动机控制器的硬件在环测试系统，其特征在于，所述控制器样机包括如下硬件结构：

CAN通讯电路，与硬件在环设备进行CAN通讯；

低边驱动电路，用于在硬件在环设备对燃料电池发动机进行故障注入后反馈故障信息；

模拟量输入电路，用于接收燃料电池发动机模型发出的响应信号；

所述硬件在环设备还包括如下硬件结构：

信号调理板卡，包括用于接收控制器样机控制信号的输入板卡以及用于向控制器样机发出响应信号的输出板卡；

PWM模块，包括多路PWM输入单元和多路PWN输出单元；

至少两块具有双通道的CAN总线板卡，用于对所述燃料电池发动机模型所在的整车总线上的CAN报文信息进行模拟；

电阻仿真板卡，包括多个电阻和切换卡关，用于模拟不同大小的电阻。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述用于燃料电池发动机控制器的硬件在环测试系统的配置方法，通过上位机系统中的NIVeristand软件生成工程文件，具体包括如下步骤：

新建工程文件或者选择已有的工程文件；

在工程文件中配置控制器样机的IP地址；

在工程文件中关联燃料电池发动机模型，从而将燃料电池发动机模型导入实时处理器中；

在工程文件中添加所需的控制器样机硬件结构和硬件在环设备硬件结构；

燃料电池发动机模型具有传感器端口、执行器端口和控制器端口，将燃料电池发动机模型的各端口，与控制器样机的硬件结构和硬件在环设备的硬件结构一一对应。

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