柴華 章桐 陳覺曉 高海宇

（同濟大學(xué)，上海 201804）

主題詞：燃料電池汽車 動力系統(tǒng) 多任務(wù) 測試平臺 主控系統(tǒng)

1 前言

新能源汽車已成為汽車工業(yè)未來的發(fā)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(yīng)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(huán)境等因素影響，燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）動力系統(tǒng)及部件難以穩(wěn)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(tǒng)后，其耐久性變得更差[4-5]。

FCV動力系統(tǒng)是整車的核心，其開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化驗證已成為燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，而綜合測試是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提升技術(shù)與產(chǎn)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(huán)境的模擬，但實際車輛測試的安全風(fēng)險和成本都很高。企業(yè)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(huán)境、道路振動和動態(tài)阻力。

國內(nèi)外許多學(xué)者對動力系統(tǒng)部件或總成的外特性進行了研究[6-7]?，F(xiàn)有的FCV動力系統(tǒng)測試平臺以動力系統(tǒng)的零部件測試臺架為主，例如驅(qū)動電機、燃料電池發(fā)動機測試臺架等。另外，若動力系統(tǒng)某一關(guān)鍵零部件缺失，現(xiàn)有的測試平臺無法實現(xiàn)軟、硬件的測試。針對現(xiàn)有測試平臺的不足，必須引入新的測試方法，以及一個能夠模擬大氣環(huán)境、道路振動和動態(tài)阻力，實現(xiàn)整個產(chǎn)品開發(fā)過程全部功能測試的平臺。本文設(shè)計了FCV動力總成動態(tài)性能測試系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)基于X在環(huán)（X-in-the-Loop，XiL）[9-12]技術(shù)，用于FCV動力總成系統(tǒng)測試，可實現(xiàn)動力總成系統(tǒng)設(shè)計、驗證、子系統(tǒng)和系統(tǒng)匹配與集成測試，以及環(huán)境適應(yīng)性和持續(xù)時間測試。

2 多任務(wù)FCV動力系統(tǒng)測試平臺

考慮到集成單部件測試設(shè)備時，不同部件的實時性、傳輸數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型、通信方式存在差異，平臺應(yīng)設(shè)計為分布式和多通信通道的形式，通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)將所有計算機及其他設(shè)備連接在一起，實現(xiàn)全網(wǎng)可控并在線檢測的目的。測試平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，主控系統(tǒng)的主要功能包括測試平臺的管理、測試子模塊之間的協(xié)調(diào)、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(shù)據(jù)管理。仿真模擬系統(tǒng)可以運行動力系統(tǒng)各部件的仿真模型，以仿真數(shù)據(jù)的輸出彌補某些測試用例中缺失的實際部件數(shù)據(jù)。

圖1 測試平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

平臺控制和性能測試的相關(guān)參數(shù)有數(shù)百個，多種通信協(xié)議形成了龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控系統(tǒng)應(yīng)確保與其他測試模塊的數(shù)據(jù)交換的互通性、實時性、同步性和可靠性。每個通信網(wǎng)絡(luò)是多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺的獨立業(yè)務(wù)主體。對數(shù)據(jù)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(tǒng)，如反射內(nèi)存和以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（Ethernet for Control Automation Technology，Ether?CAT）。對于數(shù)據(jù)變化較緩慢的模塊，統(tǒng)一采用基于TCP傳輸?shù)腗odbus/TCP協(xié)議實施通信，而被測對象則以目前車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)接入測試系統(tǒng)。

3 主控系統(tǒng)

3.1 主控系統(tǒng)架構(gòu)

主控系統(tǒng)是測試平臺的監(jiān)控中心，也是實現(xiàn)綜合測試平臺的關(guān)鍵。主控制器可以調(diào)度和管理測試任務(wù)、模擬車輛和控制模型的操作、處理數(shù)據(jù)和總線通信并執(zhí)行在線診斷。

為實現(xiàn)這些復(fù)雜的功能，主控系統(tǒng)由上位機（PC）和實時處理器（RT Controller）組成。上位機提供人機交互界面，完成試驗配置、測試執(zhí)行、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)后處理等功能，實時處理器對測試指令和測試數(shù)據(jù)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(huán)境模型的仿真模塊：用于模擬FCV的運行環(huán)境、外部子模塊的通信安全機制的控制、系統(tǒng)的在線診斷模型控制以及通信調(diào)度機制的控制。

b. 數(shù)據(jù)分發(fā)模塊：將外部子模塊的測試數(shù)據(jù)、環(huán)境模型模擬模塊的運行數(shù)據(jù)、主機的指令數(shù)據(jù)分配給相應(yīng)的目標單元或模塊。

c.數(shù)據(jù)融合模塊：將系統(tǒng)中不同形式與格式的數(shù)據(jù)進行解析、轉(zhuǎn)換和融合，包含外部子模塊上傳的測試數(shù)據(jù)、仿真模塊的運行數(shù)據(jù)、上位機指令數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)。

d.授時模塊：根據(jù)周期同步網(wǎng)絡(luò)中的運行時鐘，包括主控制系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備和外部子模塊。

e.數(shù)據(jù)冗余處理模塊：數(shù)據(jù)存儲模塊中的主通信數(shù)據(jù)源和備份通道數(shù)據(jù)源的冗余檢查。

f.通信協(xié)議解析模塊：完成主控制系統(tǒng)與外部子模塊之間的通信驅(qū)動程序和協(xié)議分析。

g. 在線診斷模塊：用于監(jiān)控主控系統(tǒng)，獲取網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的運行狀態(tài)和重要測試數(shù)據(jù)，包括通信、數(shù)據(jù)有效性和測試數(shù)據(jù)，按故障的緊急重要性分為4類。

h.數(shù)據(jù)存儲模塊：將存儲融合后的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)分發(fā)、冗余處理、在線診斷等模塊的數(shù)據(jù)共享池。

測試平臺主控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊設(shè)計

3.2 系統(tǒng)冗余建模

如上所述，主控制器是測試平臺的監(jiān)控中心，也是實現(xiàn)集成測試平臺的關(guān)鍵。主控制器可以調(diào)度和管理測試任務(wù)、模擬車輛和控制模型、處理數(shù)據(jù)和通信，并實施在線診斷。為了實現(xiàn)這些復(fù)雜功能，主控系統(tǒng)采用PXIe架構(gòu)和實時處理器技術(shù)，使用MATLAB/Simulink和LabVIEW工具鏈和圖形建模功能分別實現(xiàn)相關(guān)功能，但系統(tǒng)的可靠性是首先要解決的問題。

在系統(tǒng)可靠性理論中，系統(tǒng)可靠性定義為系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)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(tǒng)停機時間和維護工作量。測試模塊和UUTs模型之間的拓撲關(guān)系很復(fù)雜，因此，必須量化主控制器的可靠性模型，并通過設(shè)備的冗余來提高和優(yōu)化可靠性。

首先，對主控系統(tǒng)作出如下假設(shè)：系統(tǒng)狀態(tài)離散，每次狀態(tài)變化時至多1個設(shè)備出現(xiàn)狀態(tài)變化（故障或修復(fù)）；系統(tǒng)啟動時所有設(shè)備均完好無故障；故障設(shè)備經(jīng)修復(fù)返回前一個狀態(tài)后，下次故障概率不受之前的故障影響；所有設(shè)備故障均可檢測，且立即修復(fù)，不存在故障檢測不出的狀態(tài)。

在現(xiàn)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(huán)境，實時處理器RT02通過LabVIEW代碼執(zhí)行更多數(shù)據(jù)處理任務(wù)，這些數(shù)據(jù)來自于主控系統(tǒng)所控制的各模塊。當系統(tǒng)需要多任務(wù)并行工作時，工作負載率超過60%，這可能導(dǎo)致更高的故障率。為了提高系統(tǒng)可靠性，本文在現(xiàn)有平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計主控系統(tǒng)中執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)的實時處理器的冗余部件，命名為RT03。RT03被設(shè)計為RT02的冗余熱備份，運行數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲、定時服務(wù)和通信解析功能。根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論和馬爾可夫理論模型[13-14]，RT02與RT03并聯(lián)，主控制器為雙模冗余系統(tǒng)。雙模冗余系統(tǒng)可分為6個離散狀態(tài)，如圖3所示。

狀態(tài)0表示所有設(shè)備均正常運行，系統(tǒng)正常運行；狀態(tài)1表示有1個冗余設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)正常運行；狀態(tài)2表示RT01出現(xiàn)故障，系統(tǒng)故障；狀態(tài)3表示2個冗余設(shè)備都出現(xiàn)故障，系統(tǒng)故障；狀態(tài)4表示RT01和1個冗余設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)故障；狀態(tài)5表示RT01和2個冗余設(shè)備均出現(xiàn)故障，系統(tǒng)故障。其中，系統(tǒng)處于狀態(tài)0和狀態(tài)1時為正常工作狀態(tài)，其余狀態(tài)都是故障狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)劃分

根據(jù)馬爾可夫理論模型，假設(shè)RT01、RT02的失效率分別為λ1、λ2，故障修復(fù)率均為u，則在t～(t+Δt)時間內(nèi)，RT01、RT02發(fā)生故障的概率分別為λ1Δt、λ2Δt，故障修復(fù)的概率為uΔt。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，可作出系統(tǒng)空間狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)空間狀態(tài)轉(zhuǎn)移

根據(jù)圖4可以寫出系統(tǒng)故障轉(zhuǎn)移矩陣：

消去Δt，可求出系統(tǒng)故障轉(zhuǎn)移密度矩陣：

雙模冗余系統(tǒng)可靠性模型中定義了6個狀態(tài)：

式中，qi(t)為系統(tǒng)在t時刻處于i狀態(tài)的概率，初始狀態(tài)為Q(0)=[1,0,0,0,0,0]。

微分方程的求解結(jié)果如圖5所示。

通過上述測試結(jié)果可以證明主控系統(tǒng)的冗余部件提高了系統(tǒng)可靠性。

圖5 系統(tǒng)冗余可靠度

3.3 冗余切換設(shè)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(yīng)設(shè)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(tài)，其中RT02為主設(shè)備，用于接收外部子設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)信息，以及下發(fā)上位機的指令。當主設(shè)備故障時，備份設(shè)備RT03不需要啟動時間就能快速接替主設(shè)備工作，可提高試驗的穩(wěn)定性和可靠性。由此可知，上位機對實時處理器的狀態(tài)監(jiān)控以及主、從設(shè)備的數(shù)據(jù)同步是實現(xiàn)冗余切換的基礎(chǔ)。

為了使設(shè)備之間能夠無縫切換，需要保證設(shè)備之間的數(shù)據(jù)實時同步。主設(shè)備接收外部試驗?zāi)K的報文后，進行數(shù)據(jù)解析等工作，將自己的運算結(jié)果和相關(guān)狀態(tài)通過反射內(nèi)存發(fā)送給備用設(shè)備。備用設(shè)備將自己的運行結(jié)果與主設(shè)備發(fā)送來的結(jié)果進行比較，如果相同，發(fā)送確認信息，此時數(shù)據(jù)已同步，如果不相同，則修改自己的運行結(jié)果并將信息反饋給主設(shè)備，保證備用設(shè)備的輸出部分與主監(jiān)控系統(tǒng)同步。同時，當主設(shè)備出現(xiàn)故障時，需要通過同步控制將主機的部分數(shù)據(jù)復(fù)制到本機，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的一致性和完整性。

當主設(shè)備故障時，上位機會出現(xiàn)報警。待故障維修完成，作為備用設(shè)備接入主控系統(tǒng)中繼續(xù)使用。主、備設(shè)備切換流程如圖6所示。

圖6 主、備設(shè)備切換流程

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(huán)（Mode-in-the-Loop，MiL）、軟件在環(huán)（Software-in-the-Loop，SiL）和硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HiL）測試功能，可以無縫連接完成模型、硬件在環(huán)仿真和臺架測試內(nèi)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。

圖7 主控系統(tǒng)驗證流程

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(tài)監(jiān)控模塊中設(shè)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。

圖8 故障注入流程

混合度指燃料電池發(fā)動機的功率與動力系統(tǒng)功率的比率，是FCV動力系統(tǒng)開發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計功率在動力源總的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計的靜態(tài)混合度（HDstatic），后者定義為動態(tài)混合度（HDdynamic），用于能量管理控制策略優(yōu)化。該測試平臺可以無縫地實現(xiàn)從MiL到HiL的整個測試過程。建立車輛模型和關(guān)鍵部件模型，包括驅(qū)動電機、燃料電池發(fā)動機、電池和輔助部件，然后配置物理測試塊以設(shè)置模擬條件。當電池和燃料電池發(fā)動機的功率得到優(yōu)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(huán)境和道路阻力進行模擬，進行整車模型仿真。燃料電池發(fā)動機和驅(qū)動電機等零部件與實時處理器RT02和RT03進行數(shù)據(jù)傳輸與指令收發(fā)。其余缺失零部件則由RT01中的仿真模型替代，從而實現(xiàn)了整車級別的驗證。

4.2 測試結(jié)果

由汽車動力學(xué)模型可仿真求出驅(qū)動電機峰值功率。整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

根據(jù)測試模型和車輛規(guī)格，計算驅(qū)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(xù)最高車速電機功率。

表2 驅(qū)動電機功率需求 kW

首先在NEDC、JC08、UDDS、HWFET 4種典型工況下仿真獲取驅(qū)動電機的需求功率?；谏鲜鲇嬎愫湍M，燃料電池發(fā)動機額定功率應(yīng)大于PTM,ucmax=14.28 kW，以滿足持續(xù)最高速度條件下的功率要求。最大值約為PTM,tmax=120.03 kW，滿足加速時的功率需求。在此案例中，燃料電池發(fā)動機的結(jié)構(gòu)功率為45 kW，可以覆蓋大部分行駛周期，靜態(tài)混合度為HDdynamic=62.5%。

本文設(shè)計一種雙SOC開關(guān)的能量控制策略，將經(jīng)濟性能作為測試目標。燃料電池發(fā)動機響應(yīng)相對慢，只能滿足非突變情況下的驅(qū)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(jù)測試結(jié)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(jié)果如圖9所示[18]，測試在HWFET工況下，測試周期為20 000 s，SOC從2.5%開始，穩(wěn)定在75%左右，燃料電池發(fā)動機在整個運行時間內(nèi)約有40%的時間進入高效區(qū)。

測試平臺成功完成了整車級別的仿真測試，為混合度的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。同時，在故障注入的過程中，實時處理器實現(xiàn)了主、備無縫切換，驗證了實時處理器冗余設(shè)計的有效性，提高了系統(tǒng)可靠度和穩(wěn)定性。

圖9 基于改良算法的整車控制標定

5 結(jié)束語

在設(shè)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(jié)果證明了集成測試平臺的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)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(shù)的應(yīng)用，有效實現(xiàn)了動力總成關(guān)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(shè)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(lǐng)域大型綜合測試設(shè)備的冗余設(shè)計。

該測試平臺旨在應(yīng)用于整個燃料電池動力系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的相關(guān)開發(fā)和產(chǎn)品化階段。還有進一步的后續(xù)工作要做，如環(huán)境適應(yīng)性測試下的功能驗證、多級故障情況下的系統(tǒng)冗余性測試等。