一、燃料电池汽车及HiL测试系统简介
近年来，随着新能源汽车的大规模推广应用，燃料电池汽车控制系统及零件的开发与测试计时也 得到了快速发展。燃料电池系统是新能源汽车领域重点发展方向之一，相比传统燃油车最大的优点在 于能够做到无排放零污染，同时能够解决电动汽车续航和能源补给瓶颈问题。
1.1 FCU-HiL测试功能
燃料电池控制器（Fuel cell Control Unit,FCU）作为燃料电池系统的控制单元，控制燃料电池系统的安全、可靠、高效运行。 FCU 硬件在环（HiL）仿真测试系统，则是支持 FCU 信号 级控制器测试。目的是对燃料电池汽车控制系统进行全面深入的功能测试、故障测试、总线诊断测试 及自动化测试，并辅助工程师对测试结果分析验证、故障再现，提高测试验证及分析的手段。
1.2方案特点及技术参数
FCU-HiL 采用成熟可靠的硬件及应用方案，优化先进的在环与测试系统架构，本文测试系统基于业内著名的 NI PXI 开放式的硬件平台介绍，方案采用专业的实验管理软件，基于燃料电池的实时仿真模型，针对燃料电池汽车 FCU， 完全满足控制器的 HiL 测试要求，可以根据客户的测试需求进行最优化的系统定制。 FCU 硬件在环 HiL 测试系统整体架构主要包含三层内容，第一层次为 HiL 测试系统软硬件架构， 主要包括 HiL 测试系统的硬件设备、实验管理软件、被测控制器等；第二层次为 HiL 测试系统开发， 在第一层次软硬件架构的基础上进行被测对象仿真模型开发、实时 I/O 接口匹配、硬线信号匹配及实 验定义等；第三层次为 HiL 测试，主要指在第一、二层次的基础上进行 HiL 测试，主要包括测试序列 开发、激励生成加载、模型参数调试、故障模拟实现及测试分析与评估等。
FCU 简介
燃料电池控制器（Fuel cell Control Unit,FCU）作为燃料电池系统的控制单元。
主要控制功能：
燃料电池系统能量管理
驱动电流、电压协调控制
燃料电池系统网络维护与管理
燃料电池故障诊断与处理
燃料电池系统状态监控
燃料电池与外部通讯管
三 系统架构
系统基于业内著名的 NI PXI 开放式的硬件平台，采用专业的实验管理软件，基于 MATLAB/simulink 实时仿真模型，针对新能源汽车FCU， 满足控制器的 HiL 测试要求，主要包括两个部分，实时仿真机（用于仿真电机及电源驱动电路）和外部被测设备（在 FCU -HiL系统中主要指燃料电池控制器的信号电路）。这两个部分通过多个模拟/数字输入/输出通道 连接在一起，形成闭环回路。
3.2 基本组成
HiL 系统组成主要包括以下三部分内容：
①系统硬件 系统硬件基于 NI PXI 平台搭建，主要有上位机（PC）、PXI 机箱、实时处理器板卡、数据采集板 卡、CAN 卡、DIO 板卡、电阻模拟板卡、低压电源等组成。
HiL 系统组成
②试验管理软件
基于试验管理软件进行上位机管理和实验测试，实现试验管理、故障注入、测试用例编辑及自动化测试等功能。
试验管理软件基于NI VeriStand 软件平台，实现系统配置管理和测试管理。NI VeriStand 是一款基于配置的专业实时测试与仿真软件，无需编程即可创建测试应用，快速将 硬件I/O 与多种环境下开发的仿真模型相集成，同时可以通过NI LabVIEW 及其他软件添加自 定义与其他自动化测试功能，在兼具灵活性与开放性的同时，降低系统开发难度，缩短开发时间。
VeriStand 试验管理软件具有以下功能：
1）可以以拖放方式建立试验监控界面： Ø
实时监控模型变量； Ø
记录实时数据，可以以图形方式显示，采集数据带有时间轴，采集周期可以设置≤1ms； Ø
界面控件支持实时激励和自动测试功能类型，可以给系统输入实时激励信号（包括常值 输入、斜坡输入、脉冲输入、工况数据输入及时序关系设置等），可按预定的顺序执行 一系列自动化测试逻辑，模拟各种不同驾驶员操作、试验环境和驾驶工况，同时记录运 行过程中的信号值。
- 可以在线实时监控和修改仿真模型中的参数；
- 能够集成 CAN、LIN 等通讯数据库，支持 CAN、LIN、FlexRay 总线通信功能： Ø
支持导入*.dbc、*.xml 等多种格式的数据文件，并实现报文发送和接收配置； Ø
能够基于 dbc 等文件自动生成测试界面，其中发送报文可以修改包括周期、信号值、触 发等，显示信号名、周期、ID、数据长度等；接收报文可以显示接收时间、周期、ID、 信号名称、信号值等。 Ø
支持 CAN 信号、IO 信号及仿真模型内部信号接收、数据记录、数据回放、曲线在线显 示功能； Ø
支持 CAN 信号的实时监测，对于发送的 CAN 信号，能实时切换至手动输入模式从而 进行调试；
- 实现故障注入管理功能： 可实现对指定管脚的故障注入功能：包括对电源短路、对地短路、开路、管脚信号之间 短路等故障； 通过软件自动实现所有类型故障的注入和取消； 可以以拖拽的方式选取需要配置的通道。
- 可直接在界面上配置 HiL 硬件系统参数，模拟各种不同驾驶员操作、试验环境和驾驶工况可 编辑和调用测试序列，实现自动化测试；
- 可根据需求定制测试报告内容，自动导出测试报告；
- 实现对系统、硬件、模型进行统一管理和配置功能，软件操作便捷，界面可视化；
- 报警功能：用户可设置报警参数，以提醒用户通道中的某个值超限。报警也可触发某个流程 工作；
- 流程管理功能：用户可在 VeriStand 上配置流程，以执行一系列动作。可以在启动时执行流 程，或者通过报警或其他流程触发该流程；
- 数据共享网络：用户可增加反射内存网络，实现系统互联。
- 系统初始化：如果有多个实时目标机，用户可使用该功能设置目标机的部署顺序，对目标机 进行重启设置。
- 通过常用语言的简单配置即可实现自动化测试；
- 能通过鼠标点击的方式，对实时操作系统进行配置，可以手动分配不同的任务至不同的运算 核中，并能为任务设定优先级；
- 有专用的硬件管理界面，能够查看和管理 HiL 的所有的硬件，配置硬件 IO 板卡性能参数；
- 各软硬件件模块的输入/输出接口清单能在姐买你中清晰显示，并通过鼠标点击该清单的方式， 实现各软硬件模块之间的数据连接；
- 能将编译好的工程下载至实时机中，能实时地进行数据观测和更改，并对数据进行保存； 22) 带有调试功能，在硬件管脚已经与模型输出变量进行链接的情况下，可以实时进入调试功能， 手动更改 I/O 输出进行调试，即实时在线调参；
- 实现模型所有的参数的在线标定与调试；
- 实现模型输入、模型输出、 IO 板卡信号输入输出等信号的任意形状信号激励曲线配置，即 信号发生器的功能
③实时仿真模型
模型基于 MATLAB/Simulink 或者 AMESim 仿真平台进行搭建，提供与 FCU 控制器硬件IO信号相对应的资源及与 FCU 控制器控制策略相对应的燃料电池模型等。
实时仿真模型示意图
模型满足如下要求：
1) 满足燃料电池发动机控制器功能性测试要求；
2) 基于不同运行参数条件下的的电堆物理特性模型；
3) 燃料电池系统进气子系统模型，主要包括空压机、中冷器、增湿器、 背压阀、温度压力传感 器等；
4) 燃料电池系统供氢/回氢子系统模型，主要包括氢气调压阀、回氢泵/引射泵、水分离器等；
5) 燃料电池系统热平衡子系统模型，主要包括散热器、水泵、节温器等；
6) 燃料电池系统辅助部件模型；
7) 模型满足燃料电池控制器基于整车功能性测试要求；
8) 基于 MATLAB/Simulink 或者 AMESim 开发，能实现模型模块化、参数化设置，模型精度高； 9) 支持以图形用户界面输入数据；
10) 提供扩展的数据管理功能，方便应用于不同车型；
11）所有模型均开源、规范、易读，易于自主进行模型的二次开发，每个模块有详细的模型说明， 方便用户修改模型参数和完善模型。 燃料电池模型包含电堆模块、氢气系统模块、空气系统模块、冷却系统模块、增湿系统模块、功 率输出系统和控制系统模块组成