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汽车|燃料电池汽车动力系统测试平台的设计与验证


作者 | 柴华 章桐 陈觉晓
来源 |燃料电池技术
【摘要】为实现燃料电池汽车（FCV）动力系统及其关键部件的开发和产品化综合测试 ， 设计了FCV动力系统的分布式多任务动态测试平台 ， 实现车辆运行环境、道路振动适应性和动态道路阻力的模拟 ， 基于功能特性和冗余需求设计了测试系统的体系结构和功能 ， 采用XiL技术设计验证过程和测试用例 。 通过对测试结果的分析 ， 论证了测试平台的有效性和先进性 ， 并验证了FCV动力总成领域大型多层测试平台的设计方法 。
1 前言
新能源汽车已成为汽车工业未来的发展方向 ， 氢燃料电池汽车具有高效率和零排放的特点 ， 因而具有广阔的应用前景[1-3] 。 在燃料电池汽车的试验过程中 ， 受路面激励、行驶速度、气候和环境等因素影响 ， 燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle ， FCV）动力系统及部件难以稳定运行 。 实车道路测试时的性能衰减远远快于实验室测试 。 另外 ， 单个零部件集成到动力系统后 ， 其耐久性变得更差 [4-5] 。 FCV动力系统是整车的核心 ， 其开发和产业化验证已成为燃料电池汽车产业发展的瓶颈 ， 而综合测试是发现问题、分析问题、提升技术与产品水平的重要方式 。 目前 ， 单一部件的测试平台不能满足综合运行环境的模拟 ， 但实际车辆测试的安全风险和成本都很高 。 企业迫切需要集零部件与总成测试为一体的综合测试平台来模拟大气环境、道路振动和动态阻力 。
国内外许多学者对动力系统部件或总成的外特性进行了研究[6-7] 。 现有的FCV动力系统测试平台以动力系统的零部件测试台架为主 ， 例如驱动电机、燃料电池发动机测试台架等 。 另外 ， 若动力系统某一关键零部件缺失 ， 现有的测试平台无法实现软、硬件的测试 。 针对现有测试平台的不足 ， 必须引入新的测试方法 ， 以及一个能够模拟大气环境、道路振动和动态阻力 ， 实现整个产品开发过程全部功能测试的平台 。 本文设计了FCV动力总成动态性能测试系统 [8] ， 该系统基于X在环（X-in-the-Loop ， XiL） [9-12]技术 ， 用于FCV动力总成系统测试 ， 可实现动力总成系统设计、验证、子系统和系统匹配与集成测试 ， 以及环境适应性和持续时间测试 。
2 多任务FCV动力系统测试平台
考虑到集成单部件测试设备时 ， 不同部件的实时性、传输数据量和数据类型、通信方式存在差异 ， 平台应设计为分布式和多通信通道的形式 ， 通过相应的网络将所有计算机及其他设备连接在一起 ， 实现全网可控并在线检测的目的 。 测试平台的网络架构如图1所示 ， 主控系统的主要功能包括测试平台的管理、测试子模块之间的协调、部署测试过程、运行测试案例、车辆控制策略以及模型的主数据管理 。 仿真模拟系统可以运行动力系统各部件的仿真模型 ， 以仿真数据的输出弥补某些测试用例中缺失的实际部件数据 。
汽车|燃料电池汽车动力系统测试平台的设计与验证
本文插图

图1 测试平台网络结构示意
平台控制和性能测试的相关参数有数百个 ， 多种通信协议形成了庞大的网络系统 。 主控系统应确保与其他测试模块的数据交换的互通性、实时性、同步性和可靠性 。 每个通信网络是多任务网络平台的独立业务主体 。 对数据传递实时性要求高的模块 ， 将采用高速通信通道接入测试系统 ， 如反射内存和以太网控制自动化技术（Ethernet for Control Automation Technology ， Ether ?CAT） 。 对于数据变化较缓慢的模块 ， 统一采用基于TCP传输的Modbus/TCP协议实施通信 ， 而被测对象则以目前车载CAN总线网络接入测试系统 。
3 主控系统3.1 主控系统架构
主控系统是测试平台的监控中心 ， 也是实现综合测试平台的关键 。 主控制器可以调度和管理测试任务、模拟车辆和控制模型的操作、处理数据和总线通信并执行在线诊断 。 为实现这些复杂的功能 ， 主控系统由上位机（PC）和实时处理器（RT Controller）组成 。 上位机提供人机交互界面 ， 完成试验配置、测试执行、状态监控、数据监控以及数据后处理等功能 ， 实时处理器对测试指令和测试数据进行综合控制管理 。


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