章 桐，牛文旭，陳會翠，宋 珂，高海宇

（1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 3.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

前言

燃料電池汽車因其能量密度與能量轉(zhuǎn)化效率高和環(huán)境友好的特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。在燃料電池汽車開發(fā)過程中，動力系統(tǒng)的測試驗證是其中的重要環(huán)節(jié)。由于燃料電池汽車動力系統(tǒng)同時具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及部件眾多和模型驗證難度高等特點(diǎn)，現(xiàn)有的開發(fā)驗證方法難以完全滿足要求。因此，需要引入新的測試驗證方法，以完成燃料電池汽車動力系統(tǒng)的測試驗證工作。

1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試現(xiàn)狀

針對燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試驗證的要求，國內(nèi)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)開發(fā)了不同規(guī)格和結(jié)構(gòu)的燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺。其主要功能單元包括人機(jī)交互系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、其他電源系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、測功機(jī)系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)等。

在小型燃料電池動力系統(tǒng)測試平臺方面，文獻(xiàn)[1]中開發(fā)了一套小型燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺，可完成整套動力系統(tǒng)的匹配和性能測試。文獻(xiàn)[2]中開發(fā)了一套燃料電池/超級電容雙能源測試系統(tǒng)，并分析比較了該系統(tǒng)中單一能源供電與雙能源供電的效果。文獻(xiàn)[3]中開發(fā)了一套5kW燃料電池/超級電容動力系統(tǒng)測試平臺，可完成動力系統(tǒng)性能測試。文獻(xiàn)[4]中開發(fā)了一套5kW燃料電池/蓄電池動力系統(tǒng)測試平臺，可完成動力系統(tǒng)動態(tài)性能測試和能量管理控制策略研究。

在燃料電池汽車動力系統(tǒng)虛擬測試方面，文獻(xiàn)[5]中采用CompactRIO嵌入式控制器與Lab-VIEW圖形化設(shè)計軟件來設(shè)計燃料電池的控制系統(tǒng)，使用NI CompactRIO控制器來監(jiān)視和控制燃料電池機(jī)車和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線的安全和運(yùn)行。另外，文獻(xiàn)[6]中采用基于NI VeriStand的實時測試環(huán)境，Wineman Technology公司的INERTIA控制附加軟件和NI PXI的硬件測試系統(tǒng)，創(chuàng)建了硬件在環(huán)(HIL)測試系統(tǒng)，使其能仿真、控制、監(jiān)測福特汽車公司開發(fā)的乘用車燃料電池動力系統(tǒng)模型。

文獻(xiàn)[7]中開發(fā)了一套燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)綜合測試平臺，可完成30kW燃料電池/動力蓄電池動力系統(tǒng)測試，為動力系統(tǒng)的控制、性能的測試和工況的模擬提供了可靠的平臺，可完成系統(tǒng)的控制和部件的測試等。文獻(xiàn)[8]中開發(fā)了超級電容與燃料電池發(fā)動機(jī)混合動力系統(tǒng)測試平臺，可滿足額定功率為70kW的燃料電池發(fā)動機(jī)的動力系統(tǒng)測試的要求。另外，文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]中開發(fā)了針對燃料電池發(fā)動機(jī)、DC/DC變換器、電機(jī)和控制器等關(guān)鍵部件的測試平臺。

燃料電池動力系統(tǒng)包含了諸多不可測量或難以測量的量，這些量對于整個動力系統(tǒng)又是不可或缺的。利用若干可測量并通過合適的算法進(jìn)行估計、推斷和預(yù)測出這些量，已成為解決上述問題的一種有效途徑。

考慮到燃料電池汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)測試要求，現(xiàn)有燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺存在一定局限性。它主要以動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件(驅(qū)動電機(jī)、燃料電池發(fā)動機(jī)等)測試臺架為主，缺少聯(lián)動設(shè)備。針對大功率車載燃料電池發(fā)動機(jī)/動力蓄電池構(gòu)成的動力系統(tǒng)的測試平臺較少，無法滿足該類動力系統(tǒng)的開發(fā)測試需求。另外，若出現(xiàn)某一動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件缺失的情況，現(xiàn)有測試平臺無法實現(xiàn)軟硬件的測試。

針對現(xiàn)有測試平臺的不足，須引入新的開發(fā)測試方法，開發(fā)新型燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺，以滿足開發(fā)測試的需要。

2 X in the Loop開發(fā)測試驗證方法

X in the Loop開發(fā)測試驗證方法由德國Karlsruhe Institute of Technology的Albers教授等學(xué)者提出，旨在針對日益復(fù)雜的整車系統(tǒng)，集成駕駛員和環(huán)境，是一種新型的整車開發(fā)和驗證方法[12]。X in the Loop中的X指待測試單元(Unit under test， UUT)，它可以是模型(Model in the Loop，MiL)、軟件(Software in the Loop， SiL)或硬件(Hardware in the Loop， HiL)[13－14]。 X in the Loop方法可集成仿真模型和真實組件，并充分應(yīng)用現(xiàn)有工具和方法，可充分考慮駕駛員和外界環(huán)境對于需求和開發(fā)過程的影響。該方法的核心是當(dāng)測試中出現(xiàn)部件缺失的情況時，利用模型或代碼替代缺失部件，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合測試。

X in the Loop方法中的Model in the Loop，即模型在環(huán)，意指被測對象的存在形式為模型，利用環(huán)內(nèi)其他部件的軟件或硬件形式，對模型進(jìn)行驗證和標(biāo)定。模型在環(huán)的測試結(jié)果是軟件在環(huán)的重要參考。Software in the Loop，即軟件在環(huán)，意指被測對象的存在形式為代碼，利用實時仿真平臺與環(huán)內(nèi)其他部件的軟硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而對代碼的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。Hardware in the Loop，即硬件在環(huán)，在傳統(tǒng)V模式開發(fā)中，指實際控制器與虛擬控制對象組成的仿真系統(tǒng)。在X in the Loop方法中，硬件在環(huán)的范圍由狹義的控制器擴(kuò)展到廣義的硬件，即被測對象的存在形式為硬件，利用環(huán)內(nèi)其他部件的軟硬件對被測硬件進(jìn)行測試驗證。

典型的X in the Loop開發(fā)測試驗證方法在動力系統(tǒng)開發(fā)測試中的應(yīng)用，包括以下組成部分:動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件測試平臺，動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件仿真平臺，駕駛員和環(huán)境仿真模擬系統(tǒng)，如圖1所示。

在該架構(gòu)下，動力系統(tǒng)測試驗證平臺的結(jié)構(gòu)更為靈活。對于測試對象為部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)等不同情況，充分利用模型庫中的整車和動力系統(tǒng)模型，構(gòu)建出測試環(huán)，來完成其他部件或子系統(tǒng)缺失時的測試。

圖1 基于X in the Loop的動力系統(tǒng)測試平臺架構(gòu)[13]

3 燃料電池汽車動力系統(tǒng)動態(tài)性能綜合測試儀器平臺

基于X in the Loop方法，參考典型的X in the Loop開發(fā)測試驗證方法在動力系統(tǒng)開發(fā)測試中的應(yīng)用，并考慮燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，文獻(xiàn)[15]中開發(fā)了一套燃料電池汽車動力系統(tǒng)動態(tài)性能綜合測試儀器平臺[15]。該平臺為一套綜合考慮溫度、濕度、壓力環(huán)境和NVH環(huán)境，進(jìn)行燃料電池汽車動力系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件匹配和測試的多功能重大儀器。該測試平臺的組成框架如圖2所示。

該測試平臺包括燃料電池電堆測試模塊、燃料電池發(fā)動機(jī)匹配測試模塊、燃料電池汽車動力系統(tǒng)匹配測試模塊、燃料電池汽車動力系統(tǒng)儀器仿真模塊、NVH環(huán)境、溫度/濕度/壓力環(huán)境、綜合數(shù)據(jù)管理模塊和儀器主控系統(tǒng)。其中燃料電池汽車動力系統(tǒng)儀器仿真模塊包含了燃料電池汽車動力系統(tǒng)的主要部件模型，即燃料電池發(fā)動機(jī)模型、動力蓄電池模型和電驅(qū)動系統(tǒng)模型，以及模型運(yùn)行硬件環(huán)境。燃料電池汽車動力系統(tǒng)匹配測試模塊包含動力系統(tǒng)測試的核心硬件設(shè)備，包括測功機(jī)和電源模擬/電子負(fù)載。綜合數(shù)據(jù)管理模塊包含測試所需工況信息、工況顯示系統(tǒng)和駕駛模擬臺架。儀器主控系統(tǒng)是整套測試平臺的中樞，可實現(xiàn)被測系統(tǒng)匹配、系統(tǒng)控制策略設(shè)定、整車模型設(shè)定和設(shè)備總體控制與監(jiān)測。

由于該測試平臺提供了燃料電池汽車動力系統(tǒng)主要部件的模型與測試平臺，且儀器主控系統(tǒng)可實現(xiàn)不同軟硬件設(shè)備信息流的交互，因此，在該測試平臺上，可應(yīng)用X in the Loop方法，實現(xiàn)動力系統(tǒng)集成測試。

構(gòu)建合適的應(yīng)用場景是X in the Loop方法的重點(diǎn)之一。由于本測試平臺集成燃料電池堆匹配測試模塊、燃料電池發(fā)動機(jī)匹配測試模塊和燃料電池汽車動力系統(tǒng)匹配測試模塊于一體，能實時聯(lián)動測試分析燃料電池動力系統(tǒng)的多項技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo)，儀器綜合度高，因此構(gòu)建合適且典型的測試場景，確定可在該平臺上實現(xiàn)的測試項目，是在該平臺上應(yīng)用X in the Loop方法的重要工作。

在測試驗證中，主要涉及的模型包括燃料電池模型、蓄電池模型、DC/DC模型、電機(jī)模型、整車模型、控制策略模型和駕駛員模型等，各模型主要參數(shù)如表1所示。

4 X in the Loop方法在動力系統(tǒng)測試中的應(yīng)用場景

4.1 Model in the Loop(模型在環(huán))

圖2 燃料電池汽車動力系統(tǒng)動態(tài)性能綜合測試平臺框架

表1 模型參數(shù)

Model in the Loop的測試驗證對象為模型，組成環(huán)的其他部分為硬件或軟件。在本測試平臺上，可利用燃料電池汽車動力系統(tǒng)儀器仿真模塊中的動力系統(tǒng)主要部件模型，作為測試驗證對象，模型運(yùn)行環(huán)境為實時仿真器。當(dāng)燃料電池模型/蓄電池模型作為測試驗證對象時，主控系統(tǒng)將燃料電池模型/蓄電池模型與電源模擬器相連，電源模擬器產(chǎn)生的電能由負(fù)載系統(tǒng)(電驅(qū)動系統(tǒng)或電子負(fù)載)消耗，從而實現(xiàn)燃料電池/蓄電池模型在環(huán)。當(dāng)電驅(qū)動系統(tǒng)模型作為被測對象時，電驅(qū)動系統(tǒng)需求功率由工況決定，該需求功率直接由電源模擬器提供，由負(fù)載系統(tǒng)消耗，不受電源模型的電流電壓特性的約束。

圖3為基于該測試平臺應(yīng)用的一種模型在環(huán)典型場景，即燃料電池模型測試驗證，該場景利用實時仿真器、電源模擬器和測功機(jī)等硬件和蓄電池模型、電驅(qū)動模型和整車模型等模型來實現(xiàn)燃料電池模型的驗證。測試儀器的綜合數(shù)據(jù)管理模塊中包含了測試所用的工況信息，它可由駕駛模擬器采集，或由綜合數(shù)據(jù)管理模塊后臺數(shù)據(jù)庫提供。測試儀器的主控系統(tǒng)的主要功能為任務(wù)調(diào)度、運(yùn)行整車模型與控制策略模型和通信調(diào)理等。測試儀器的實時仿真器主要運(yùn)行動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件模型，包括蓄電池和燃料電池及其輔助系統(tǒng)等。電源模擬器的主要功能為根據(jù)模型數(shù)據(jù)提供電流電壓信號，并向電驅(qū)動系統(tǒng)輸出。其中燃料電池模型、蓄電池模型、電驅(qū)動模型和主控系統(tǒng)中的整車模塊(實現(xiàn)整車模型功能)，構(gòu)成了一個完整的燃料電池動力系統(tǒng)模型。

圖3 燃料電池模型測試驗證示意圖

主控系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的工況信息，由主控系統(tǒng)的整車模塊計算行駛阻力。根據(jù)行駛阻力，由電驅(qū)動模型提出功率要求，并由燃料電池發(fā)動機(jī)模型給出功率響應(yīng)，并發(fā)往電源模擬器。電源模擬器根據(jù)燃料電池發(fā)動機(jī)模型的輸出特性，產(chǎn)生模擬燃料電池發(fā)動機(jī)的電壓信號，該部分產(chǎn)生的能量由負(fù)載系統(tǒng)消耗。若負(fù)載系統(tǒng)為電機(jī) 測功機(jī)系統(tǒng)，則輸出實時轉(zhuǎn)速信號，由駕駛員模型根據(jù)期望車速和實際車速的差值調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩。利用此類架構(gòu)，可實現(xiàn)燃料電池模型的測試驗證，特別是燃料電池汽車動力系統(tǒng)的匹配測試，即在燃料電池缺失的情況下，利用模型與電源模擬器構(gòu)成完整的動力系統(tǒng)。

與全仿真和純實物測試相比，使用模型在環(huán)的測試方法，可完成測試鏈中部分測試設(shè)備實體缺失情況下的測試驗證；在此過程中，可充分利用現(xiàn)有測試設(shè)備，將被測模型的輸出信號輸入相關(guān)測試設(shè)備中，實現(xiàn)模型信號的實時動態(tài)檢測。

4.2 Software in the Loop(軟件在環(huán))

Software in the Loop的被測對象為代碼，組成環(huán)的其他部分為硬件或軟件。本測試平臺的實時仿真器配置有軟件在環(huán)平臺，可實現(xiàn)代碼驗證。

當(dāng)被測對象為系統(tǒng)控制策略時，將系統(tǒng)控制策略生成代碼，利用軟件在環(huán)平臺，與動力系統(tǒng)模型連接，實現(xiàn)策略驗證功能，如圖4所示。當(dāng)被測對象為系統(tǒng)控制策略和動力系統(tǒng)模型時，可將系統(tǒng)控制策略與動力系統(tǒng)模型均生成代碼，利用軟件在環(huán)平臺進(jìn)行驗證。當(dāng)被測對象為動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件控制策略時(如電驅(qū)動系統(tǒng))，則將該部分控制策略生成代碼，其他部分仍為模型。

圖4 系統(tǒng)控制策略驗證示意圖

軟件在環(huán)測試可進(jìn)一步實現(xiàn)模型的測試驗證，使待測模型所生成的代碼可應(yīng)用于硬件。軟件在環(huán)測試實例中，代碼和模型均運(yùn)行在實時仿真器中，在虛擬實時環(huán)境中將生成的C代碼用于控制部件模型，實現(xiàn)軟件在環(huán)平臺與Simulink仿真平臺的聯(lián)合仿真，借助實時仿真，改進(jìn)和測試控制策略。

在X in the Loop方法指導(dǎo)下的軟件在環(huán)，可將代碼驗證平臺與動力系統(tǒng)測試設(shè)備連接，將被測代碼的輸出信號輸入相關(guān)測試設(shè)備中，實現(xiàn)實時動態(tài)檢測。由于實驗條件所限，基于該儀器測試平臺的軟件在環(huán)場景局限于包含被測代碼 模型和被測代碼 模型代碼兩類場景。

4.3 Hardware in the Loop(硬件在環(huán))

Hardware in the Loop的被測對象為硬件，組成測試環(huán)的其他部分為硬件或軟件。在本測試平臺上，由于測試手段的軟硬件組合方式靈活，故可完成多種硬件在環(huán)測試驗證。

當(dāng)被測對象為燃料電池發(fā)動機(jī)或動力蓄電池，即動力源部件時，可調(diào)用電源模擬器充當(dāng)負(fù)載，或使用真實的電驅(qū)動系統(tǒng)充當(dāng)負(fù)載。當(dāng)被測對象為電驅(qū)動系統(tǒng)時，可利用真實的燃料電池發(fā)動機(jī)或動力蓄電池，或調(diào)用電源模擬器，作為動力源。測試所需其他部件可使用模型或?qū)嵨?。?dāng)被測對象為控制器時，該測試場景符合傳統(tǒng)意義上的硬件在環(huán)，除控制器為實體，其他部分均為模型。

圖5為基于該測試平臺應(yīng)用的一種硬件在環(huán)典型場景，即利用實時仿真器、電源模擬器和測功機(jī)等硬件和燃料電池模型/蓄電池模型等模型來實現(xiàn)電驅(qū)動系統(tǒng)的匹配與性能測試。

圖5 硬件在環(huán) 電驅(qū)動系統(tǒng)匹配與性能測試示意圖

在該類場景下，主控系統(tǒng)從綜合數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用工況信息，并利用系統(tǒng)控制策略模塊和整車模塊求得燃料電池發(fā)動機(jī)和蓄電池的需求功率，電源模擬器根據(jù)燃料電池發(fā)動機(jī)模型和動力蓄電池模型并聯(lián)后的特性產(chǎn)生電流電壓信號，并為電驅(qū)動系統(tǒng)提供能量，電驅(qū)動系統(tǒng)工作并拖動測功機(jī)。利用此類架構(gòu)可在動力源部件缺失的情況下，實現(xiàn)燃料電池汽車動力系統(tǒng)電驅(qū)動部分的匹配與性能測試。

在X in the Loop方法中，硬件在環(huán)的定義由硬件僅指代控制器擴(kuò)展為硬件指代被測對象，測試鏈中的其他部分可以為真實對象，也可用模型代替。因此利用X in the Loop方法可構(gòu)建靈活的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的匹配和性能測試。

5 X in the Loop應(yīng)用實例

根據(jù)X in the Loop測試驗證方法的研究現(xiàn)狀和動力系統(tǒng)測試驗證的特點(diǎn)，基于已有設(shè)備設(shè)計了一套利用X in the Loop方法實現(xiàn)動力系統(tǒng)測試驗證的架構(gòu)。

5.1 系統(tǒng)配置

該架構(gòu)的組成如圖6所示。在該架構(gòu)中，被測對象為電機(jī)，組成測試環(huán)的其他部分為綜合數(shù)據(jù)管理模塊(包括駕駛模擬器)、計算機(jī)、測功機(jī)和輔助系統(tǒng)等。其中，綜合數(shù)據(jù)管理模塊與駕駛模擬器相連，提供工況信息。計算機(jī)集成了整車模型和信號處理模塊，用以調(diào)用工況信息和處理接收到的信號。電機(jī) 測功機(jī)系統(tǒng)由兩個對拖電機(jī)組成，其中一個為被測電機(jī)，另一個為負(fù)載電機(jī)，被測電機(jī)的參數(shù)如表2所示。

圖6 基于X in the Loop方法動力系統(tǒng)測試驗證架構(gòu)

5.2 測試過程說明

綜合數(shù)據(jù)管理模塊提供工況信息數(shù)據(jù)，由駕駛員操縱駕駛模擬器的加速踏板和制動踏板，踏板信號再上傳至綜合數(shù)據(jù)管理模塊，計算機(jī)的整車模型和電機(jī)模型調(diào)用踏板信號，通過計算得到電機(jī)需求轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號發(fā)送至驅(qū)動電機(jī) 負(fù)載電機(jī)一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信息返回給綜合數(shù)據(jù)管理模塊，駕駛員根據(jù)實時轉(zhuǎn)速信息調(diào)整踏板行程，由駕駛員實時操縱駕駛模擬器，從而實現(xiàn)速度跟隨。

5.3 測試結(jié)果

圖7為該架構(gòu)下的電機(jī)測試結(jié)果。由圖7可知，在X in the Loop方法中，該電機(jī)能基本滿足測試需求。

圖7 測試結(jié)果

6 結(jié)論

基于燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試的現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有測試平臺的局限性和無法實現(xiàn)軟硬件結(jié)合測試的特點(diǎn)，引入X in the Loop開發(fā)測試驗證方法，并基于該方法開發(fā)了一套燃料電池汽車動力系統(tǒng)動態(tài)性能綜合測試平臺，可實現(xiàn)模型在環(huán)、軟件在環(huán)和硬件在環(huán)等針對不同類型測試對象的匹配和性能測試。利用X in the Loop方法和測試平臺進(jìn)行燃料電池汽車動力系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件的開發(fā)測試，可明顯提高測試驗證的效率，縮短時間，降低成本，為燃料電池汽車系統(tǒng)開發(fā)提供了關(guān)鍵性的技術(shù)支持，具有廣闊應(yīng)用前景。

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