燃料電池（英語：Fuel cell）是一種主要透過氧或其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。見的燃料為氫，其他燃料來源來自于任何的能分解出氫氣的碳?xì)浠衔?，例如天然氣、醇、和甲烷等。燃料電池有別于原電池，優(yōu)點(diǎn)在于透過穩(wěn)定供應(yīng)氧和燃料來源，即可持續(xù)不間斷的提供穩(wěn)定電力，直至燃料耗盡，不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續(xù)充電，也因此透過電堆串連后，甚至成為發(fā)電量百萬瓦(MW)級(jí)的發(fā)電廠。量輸出給DC-DC Converter, 及其備用電池，對(duì)其進(jìn)行充電，充電有低壓部分，及高壓部分，根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)而定義，然后直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出。由于系統(tǒng)急加速，急減速的需要，有時(shí)候在系統(tǒng)中會(huì)包含一個(gè)超級(jí)電容。用于電機(jī)系統(tǒng)急加速急減速的需要。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行形象化解釋，空氣供給系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)中的空氣系統(tǒng)基本類似，也有一個(gè)增壓器進(jìn)行系統(tǒng)空氣的增壓，不過是電增壓，內(nèi)燃機(jī)為廢氣增壓，氫氣供給系統(tǒng)類型與燃油系統(tǒng)，進(jìn)行燃料的供給，其實(shí)相近的為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其中的氮?dú)夤┙o系統(tǒng)類似于柴油機(jī)SCR的壓縮空氣的作用，由于氫氣的爆燃特性，當(dāng)燃料電池不工作時(shí)候，系統(tǒng)的管路里面需要氮?dú)膺M(jìn)行供給，進(jìn)行掃氣的操作。冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)也大致一致，沒有特別大的差距，發(fā)動(dòng)機(jī)一部分的冷卻風(fēng)扇為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶動(dòng)，而燃料電池都為電池驅(qū)動(dòng)電力風(fēng)扇。

德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

ETAS GmbH 成立于 1994 年，是羅伯特博世聯(lián)合企業(yè)的一部分，是車用電子控制系統(tǒng)以 及相關(guān)嵌入式控制系統(tǒng)軟件開發(fā)工具和測(cè)試設(shè)備的供應(yīng)商。ETAS 致力于為車用嵌 入式系統(tǒng)的整個(gè)生命周期提供支持性的創(chuàng)新產(chǎn)品。ETAS 可向的汽車 OEM 以及電控 單元的一級(jí)供應(yīng)商提供產(chǎn)品與服務(wù)。本公司在擁有約 700  名員工，年?duì)I業(yè)額達(dá)到約 1.4 億歐元。以下是有關(guān)本公司的概要介紹。ETAS 化網(wǎng)絡(luò)是在范圍內(nèi)構(gòu)建起的一個(gè)由辦事機(jī)構(gòu)和研發(fā)中心組成的網(wǎng)絡(luò)，通 過該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)、配置并提供技術(shù)支持。本公司相信，對(duì)于建立長期、成功 的客戶關(guān)系來說，在地理位置上與客戶接近將具有至關(guān)重要的意義。ETAS 集團(tuán)總部位 于德國斯圖加特，在美國、日本、韓國、中國、印度、法國、英國、意大利、巴西及 俄羅斯聯(lián)邦均設(shè)有地區(qū)分公司或辦事機(jī)構(gòu)。每一處辦事機(jī)構(gòu)都提供客戶賬戶管理、客 戶技術(shù)支持、區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目管理以及工程技術(shù)服務(wù)資源等。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

,傳統(tǒng)燃油汽車短期內(nèi)無法在節(jié)能減排上實(shí)現(xiàn)突破性的進(jìn)展;同時(shí),純電動(dòng)汽車又在續(xù)航里程、充電速度、電池廢后污染等方面很難得到較好的解決,這使得各國科研工作者及相關(guān)企業(yè),將車用能源的理想目標(biāo)轉(zhuǎn)向質(zhì)子交換膜燃料電池,從而開展了大量的科學(xué)研究與實(shí)車試驗(yàn)。為了提高燃料電池的使用壽命以及運(yùn)行的高效性、穩(wěn)定性和安全性,本文對(duì)燃料電池系統(tǒng)建模及溫度控制進(jìn)行了研究,并討論了燃料電池與整車的功率匹配?；陔娀瘜W(xué)反應(yīng)理論,建立了考慮雙電荷層效應(yīng)的、包含反應(yīng)氣體相對(duì)濕度、流量、工作負(fù)載、溫度的燃料電池多因素穩(wěn)態(tài)模型,分析了反應(yīng)氣體相對(duì)濕度、空氣流量和工作負(fù)載對(duì)燃料電池性能的影響,輸出結(jié)果與燃料電池工作特性相符,驗(yàn)證了建立模型的正確性。并在此基礎(chǔ)上根據(jù)傳質(zhì)傳熱、質(zhì)量守恒和能量守恒定律,建立了燃料電池溫度模型及負(fù)載變化時(shí)燃料電池瞬態(tài)溫度模型,分析了空氣流量對(duì)燃料電池溫度的影響以及工作負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)溫度的變化,結(jié)果表明適當(dāng)提高空氣流量可以降低燃料電池的溫度,負(fù)載大小與系統(tǒng)溫度成正相關(guān)性,對(duì)燃料電池的溫度控制具有一定的意義。

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模擬燃料系統(tǒng)性能。模擬整個(gè)系統(tǒng)-從PEM-FC（高分子電解膜燃料電池）堆棧到反應(yīng)物和冷卻劑的供應(yīng)-以確保對(duì)燃料電池系統(tǒng)ECU的可靠性測(cè)試和校準(zhǔn)。

LABCAR-MODEL-FC可以模擬堆棧、氫氣供應(yīng)、氧氣供應(yīng)和冷卻劑供應(yīng)的詳細(xì)過程。此技術(shù)基于對(duì)物理過程的精確模擬，而這些模擬都是基于對(duì)電解反應(yīng)的復(fù)雜計(jì)算以及基于對(duì)堆棧和外圍設(shè)備之間相互作用的復(fù)雜計(jì)算得出。鑒于現(xiàn)代燃料電池堆棧的復(fù)雜性,要對(duì)堆棧進(jìn)行一維（1D）空間分布模擬。為了滿足當(dāng)前和未來的要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維（2D）堆棧模擬進(jìn)行特殊擴(kuò)展，其燃料電池系統(tǒng)的模擬模型可用于完成基于HiL的校準(zhǔn)（LABCAR-MODEL-FCCAL）。基于PC的模擬目標(biāo)LABCAR-RTPC能為實(shí)時(shí)模擬提供所需的電源。 LABCAR-MODEL-FC模擬模型可以讓用戶在硬件在環(huán)測(cè)試臺(tái)上對(duì)燃料電池的ECU進(jìn)行早期的測(cè)試和優(yōu)化。

與純電動(dòng)汽車相比，氫燃料電池汽車具有加注時(shí)間短，續(xù)航里程長等優(yōu)勢(shì)，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要方向。目前，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正在興起。氫能是一種清潔能源，氫燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱，并不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)環(huán)境無任何污染。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

燃料電池系統(tǒng)的典型架構(gòu)-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型進(jìn)行模擬的依據(jù)
 

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測(cè)試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能記錄完整的燃料電池系統(tǒng)，包括堆棧、外圍設(shè)備和柔性ECU。其包含一個(gè)可以對(duì)水流、溫度影響和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)模擬的一維PEM-FC堆棧。柔性ECU也能保證在工作站進(jìn)行直接的閉環(huán)試運(yùn)轉(zhuǎn)。

LABCAR-MODEL-FC模型能確保用戶逼真地模擬出燃料電池系統(tǒng)，從而對(duì)HiL系統(tǒng)中的ECU進(jìn)行測(cè)試。其模塊化的模型架構(gòu)可以讓特定的客戶對(duì)氫氣、氧氣和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

模型擴(kuò)展裝置

LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校準(zhǔn)的燃料電池系統(tǒng)模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料電池校準(zhǔn)）是一種二維的PEM-FC堆棧模型，用于詳細(xì)地模擬電、水、和壓力分布。鑒于此模型具有模塊化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并且還配有參數(shù)化的工具，因此其可以跟現(xiàn)有的LABCAR-MODEL-FC模型進(jìn)行無縫整合。

兩種變體均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整車模擬中（虛擬車輛測(cè)試臺(tái)的模擬模型，用來進(jìn)行HiL測(cè)試）。

LABCAR-MODEL-FC

在汽車應(yīng)用中，通常優(yōu)先使用PEM-FC燃料電池，因?yàn)槠渚邆鋯?dòng)快、能量密度高和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的優(yōu)良特點(diǎn)。為了給客戶在此大有前途的創(chuàng)新領(lǐng)域提供支持，ETAS提供了燃料電池系統(tǒng)的LABCAR-MODEL-FC模擬模型，用來進(jìn)行HiL測(cè)試。

測(cè)試用于燃料電池系統(tǒng)的ECU

ETAS模擬模型的優(yōu)勢(shì)

ETAS燃料電池模型包括用于模擬堆棧和外圍設(shè)備的Simulink®元件庫和各種電解槽模型。模型的實(shí)時(shí)性有利于測(cè)試燃料電池ECU時(shí)與ETASHiL系統(tǒng)的整合，還可以同時(shí)進(jìn)行安全相關(guān)的故障模擬和ECU軟件的初始預(yù)標(biāo)定。由于這些模型考慮到了所有相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用來測(cè)試所有項(xiàng)目，包括基礎(chǔ)軟件、高級(jí)控制、操作和診斷性功能。ETAS的模擬模型組合提供HiL模擬，包括提供的硬件 、軟件和模擬模型。

應(yīng)用

用戶可針對(duì)具體的汽車要求，進(jìn)行大量的典型性閉環(huán)ECU測(cè)試：德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

*測(cè)試用于氫氣供應(yīng)的典型ECU功能：

*惰性氣體測(cè)定、清洗方法、氣體引射器控制

*測(cè)試用于氧氣供應(yīng)的典型ECU功能：

*空氣壓縮機(jī)控制、水再循環(huán)

*測(cè)試用于冷卻系統(tǒng)的典型ECU功能：

*冷卻方法、泵控制、散熱器激活

*測(cè)試用于診斷和管理的典型ECU功能：

*滲漏檢測(cè)、冷啟動(dòng)、壓力協(xié)調(diào)、緊急關(guān)閉

*針對(duì)優(yōu)化運(yùn)行的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)：

*水管理、電廠輔助設(shè)備 

優(yōu)勢(shì)

LABCAR-MODEL-FC有助于對(duì)所有項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，包括基礎(chǔ)軟件精密控制、運(yùn)行、和燃料電池ECU的診斷功能。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

LABCAR-MODEL-FCCAL擴(kuò)展模型提供了2D堆棧模型，可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地模擬出電池電壓、電解膜狀態(tài)或水再循環(huán)過程，從而滿足當(dāng)前和未來的要求。

該模型可以同LABCAR-MODEL-VVTB進(jìn)行整合（用于HiL測(cè)試的虛擬車輛測(cè)試臺(tái)模擬模型）

ETAS提供硬件、軟件和模型，以及客制化技術(shù)服務(wù)和專家咨詢。

用于HiL測(cè)試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型（LABCAR-MODEL-FC）包括對(duì)PEM-FC堆棧的一維模擬，以及對(duì)反應(yīng)物和冷卻劑供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)和模塊化記錄。還能提供操作燃料電池ECU所需的所有相應(yīng)接口。

用于基于HiL校準(zhǔn)的燃料電池系統(tǒng)模擬模型（LABCAR-MODEL-FCCAL）為LABCAR-MODEL-FC模型增加了2D空間分辨堆棧模擬，并且能詳細(xì)洞察電池性能。除了有助于對(duì)ECU在閉環(huán)控制回路中運(yùn)行時(shí)的基礎(chǔ)校準(zhǔn)外，其還能讓用戶對(duì)堆棧運(yùn)行的功能進(jìn)行測(cè)試，以及在早期開發(fā)階段將電池降解降至。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

因LABCAR-MODEL-FC和LABCAR-MODEL-FCCAL基于PC的模擬目標(biāo)LABCAR-RTPC以及開放性，可對(duì)其進(jìn)行定制并滿足不同的要求。Simulink®的開放性安裝啟用特點(diǎn)讓可以選擇對(duì)ETAS或其它供應(yīng)商提供的元件模型進(jìn)行整合。

 除了模擬模型外，ETAS還對(duì)所有開發(fā)需求提供技術(shù)支持服務(wù)和咨詢。

用于HiL測(cè)試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型

 燃料電池系統(tǒng)的典型架構(gòu)-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型進(jìn)行模擬的依據(jù)

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測(cè)試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能記錄完整的燃料電池系統(tǒng)，包括堆棧、外圍設(shè)備和柔性ECU。其包含一個(gè)可以對(duì)水流、溫度影響和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)模擬的一維PEM-FC堆棧。柔性ECU也能保證在工作站進(jìn)行直接的閉環(huán)試運(yùn)轉(zhuǎn)。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

 LABCAR-MODEL-FC模型能確保用戶逼真地模擬出燃料電池系統(tǒng)，從而對(duì)HiL系統(tǒng)中的ECU進(jìn)行測(cè)試。其模塊化的模型架構(gòu)可以讓特定的客戶對(duì)氫氣、氧氣和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

傳感器信號(hào)仿真

傳感器信號(hào)仿真主要通過 ETAS 自有的 I/O 板卡實(shí)現(xiàn)。本方案中普通的信號(hào)級(jí)傳感器信 號(hào)采用 ES5350 模擬信號(hào)輸入輸出板卡、ES5321 PWM 及數(shù)字信號(hào)輸出板卡及工程部件 實(shí)現(xiàn)；FUEL CELL 相關(guān)的溫度信號(hào)(電阻信號(hào))采用 ES5385.1 模擬;發(fā)動(dòng)機(jī)*信號(hào)的模 擬和采集采用 ES5340.2-ICE 板卡實(shí)現(xiàn)。

ES5300 實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)及 ES5350、ES5340、ES5321 和 ES5385.1 

電流傳感器仿真

執(zhí)行器信號(hào)采集

同上，采用安裝在 ES5300 實(shí)時(shí)仿真機(jī)上的 ES5350 模擬輸入板卡和 ES5321 PWM 板卡 檢測(cè)控制器的執(zhí)行器控制信號(hào)。對(duì)于特殊的負(fù)載，采用真實(shí)器件負(fù)載箱實(shí)現(xiàn)，如高壓 接觸器和充電電子鎖等。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

實(shí)驗(yàn)環(huán)境 EE 提供了測(cè)試執(zhí)行的用戶界面。它提供了實(shí)驗(yàn)和圖形用戶界面，集成的 參數(shù)和數(shù)據(jù)管理，代碼下載，實(shí)驗(yàn)執(zhí)行，實(shí)時(shí)信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量數(shù)據(jù)記錄方法，以及信 號(hào)管理。實(shí)驗(yàn)環(huán)境是整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目中手動(dòng)測(cè)試的環(huán)境，所有的測(cè)試都在這里進(jìn)行。有 LABCAR IP 生成的實(shí)時(shí)代碼需要在這里下載到 RTPC 里面并且開始模擬。通過 Experi- ment Explorer 窗口中進(jìn)行參數(shù)集群和文件管理也是 LABCAR 軟件的特色。

EE 軟件用戶界面和虛擬儀表

EE 里面還有不同的圖像組件，包括常用的各種虛擬儀表，可以用來做成不同的用 戶界面。EE 里面可以觀察和修改標(biāo)定量，控制模型的運(yùn)行，選擇不同的運(yùn)行模式，實(shí) 時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及接入編寫的信號(hào)發(fā)生器信號(hào)。同時(shí)用戶可以方便地通過拖拽來 加入或編輯這些組件。

模型方案

燃料電池堆動(dòng)力學(xué)模型

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 是一個(gè) 1-D+1-D 的燃料電池堆站模型，該模型包含 1-D 的 燃料電池單體膜模型和 1-D 的雙電極及氣體通道仿真模型。1-D 的燃料電池單體膜模型 能夠?qū)θ剂想姵啬さ膬?nèi)阻，電極之間氧和氫反映生成水的情況進(jìn)行仿真；1-D 的雙電極 及氣體通道仿真模型能夠仿真雙電極間氣體在通道內(nèi)非線性分布的特性，包括溫度， 電流，沿電芯堆疊方向的氣體壓力變化，以及對(duì)冰點(diǎn)溫度影響等。

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 模型可以考慮為將燃料電池堆沿著氣路方向分為多個(gè)小模 塊，如下圖所示。Z 坐標(biāo)所示方向?yàn)闅怏w流動(dòng)方向，X/Y 坐標(biāo)表示垂直于膜和氣流方向

。每一個(gè)小模塊代表所有燃料電池功能層，包括兩個(gè)電極板，氣路通道，氣體擴(kuò)散層 以及膜。燃料電池模型的采用上述基本架構(gòu)，在子系統(tǒng)中包括有完整功能層，每個(gè)小

模塊均可對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口，同時(shí)也能適用于用戶的模型擴(kuò)展要求。

LABCAR-MODEL-FCCAL 仿真模型包含：

?單電池模型，并考慮到電流、溫度、反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量數(shù)以及膜濕度對(duì)電池電壓損耗的 影響計(jì)算。德國ETAS集團(tuán)燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測(cè)試方案PEM-FC hil

?基于一維膜模型的含水量和水交換量的詳細(xì)計(jì)算。

?一維多組分氣體通道模型允許為每個(gè)電極單獨(dú)的氣體成分。

?不同的流場設(shè)計(jì)仿真。支持內(nèi)部電池加濕的順/逆流量設(shè)置。

?基于膜溫度模型、電池含水量的非線性動(dòng)態(tài)特性和受溫度影響的流體性質(zhì)的實(shí)際冷啟 動(dòng)行為。

?考慮氣體通道內(nèi)液態(tài)水的積聚和運(yùn)動(dòng)的兩相水模型。

? 具有兩種膜類型的默認(rèn)堆棧參數(shù)設(shè)置。 傳輸范圍

綁定到單一 MAC 地址的節(jié)點(diǎn)版許可文件

 燃料電池系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

LABCAR 的兩大經(jīng)典優(yōu)勢(shì)。LABCAR 的另一重要特色，即基于 PC 的結(jié)構(gòu)，賦予了其本身一項(xiàng)固有優(yōu)勢(shì)：可用計(jì)算 能力的升級(jí)更加簡便、經(jīng)濟(jì)。多目標(biāo)與多核應(yīng)用實(shí)質(zhì)上無地提高了仿真速度與同 步獲取大量數(shù)據(jù)信息時(shí)的計(jì)算能力，智能信號(hào)管理，投資高度安全和系統(tǒng)整個(gè)服務(wù)周 期內(nèi)的性價(jià)比更加*。

 同時(shí) ETAS 是一個(gè)真正能為 V 模式開發(fā)提供完整工具鏈的供應(yīng)商。產(chǎn)品系列可靠地涵蓋 了 ECU 軟件開發(fā)的每個(gè)步驟 （直到售后診斷）， 他們分布到不同的應(yīng)用領(lǐng)域。