燃料電池（英語：Fuel cell）是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學能轉(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氫化合物，例如天然氣、醇、和甲烷等。燃料電池有別于原電池，優(yōu)點在于透過穩(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)級的發(fā)電廠。量輸出給DC-DC Converter, 及其備用電池，對其進行充電，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)動電機進行動力輸出。由于系統(tǒng)急加速，急減速的需要，有時候在系統(tǒng)中會包含一個超級電容。用于電機系統(tǒng)急加速急減速的需要。

根據(jù)發(fā)動機原理，對其系統(tǒng)進行形象化解釋，空氣供給系統(tǒng)與內(nèi)燃機中的空氣系統(tǒng)基本類似，也有一個增壓器進行系統(tǒng)空氣的增壓，不過是電增壓，內(nèi)燃機為廢氣增壓，氫氣供給系統(tǒng)類型與燃油系統(tǒng)，進行燃料的供給，其實相近的為天然氣發(fā)動機。其中的氮氣供給系統(tǒng)類似于柴油機SCR的壓縮空氣的作用，由于氫氣的爆燃特性，當燃料電池不工作時候，系統(tǒng)的管路里面需要氮氣進行供給，進行掃氣的操作。冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)也大致一致，沒有特別大的差距，發(fā)動機一部分的冷卻風扇為發(fā)動機曲軸帶動，而燃料電池都為電池驅(qū)動電力風扇。

德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案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，年營業(yè)額達到約 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)建起的一個由辦事機構(gòu)和研發(fā)中心組成的網(wǎng)絡(luò)，通 過該網(wǎng)絡(luò)進行產(chǎn)品的開發(fā)、配置并提供技術(shù)支持。本公司相信，對于建立長期、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)分公司或辦事機構(gòu)。每一處辦事機構(gòu)都提供客戶賬戶管理、客 戶技術(shù)支持、區(qū)域內(nèi)項目管理以及工程技術(shù)服務(wù)資源等。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案PEM-FC hil

,傳統(tǒng)燃油汽車短期內(nèi)無法在節(jié)能減排上實現(xiàn)突破性的進展;同時,純電動汽車又在續(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轉(zhuǎn)向質(zhì)子交換膜燃料電池,從而開展了大量的科學研究與實車試驗。為了提高燃料電池的使用壽命以及運行的高效性、穩(wěn)定性和安全性,本文對燃料電池系統(tǒng)建模及溫度控制進行了研究,并討論了燃料電池與整車的功率匹配?；陔娀瘜W反應(yīng)理論,建立了考慮雙電荷層效應(yīng)的、包含反應(yīng)氣體相對濕度、流量、工作負載、溫度的燃料電池多因素穩(wěn)態(tài)模型,分析了反應(yīng)氣體相對濕度、空氣流量和工作負載對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載變化時燃料電池瞬態(tài)溫度模型,分析了空氣流量對燃料電池溫度的影響以及工作負載變化時系統(tǒng)溫度的變化,結(jié)果表明適當提高空氣流量可以降低燃料電池的溫度,負載大小與系統(tǒng)溫度成正相關(guān)性,對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)-以確保對燃料電池系統(tǒng)ECU的可靠性測試和校準。

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)的詳細過程。此技術(shù)基于對物理過程的精確模擬，而這些模擬都是基于對電解反應(yīng)的復(fù)雜計算以及基于對堆棧和外圍設(shè)備之間相互作用的復(fù)雜計算得出。鑒于現(xiàn)代燃料電池堆棧的復(fù)雜性,要對堆棧進行一維（1D）空間分布模擬。為了滿足當前和未來的要求，可以實現(xiàn)對二維（2D）堆棧模擬進行特殊擴展，其燃料電池系統(tǒng)的模擬模型可用于完成基于HiL的校準（LABCAR-MODEL-FCCAL）?；赑C的模擬目標LABCAR-RTPC能為實時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)測試臺上對燃料電池的ECU進行早期的測試和優(yōu)化。

與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車具有加注時間短，續(xù)航里程長等優(yōu)勢，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，氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱，并不會產(chǎn)生二氧化碳，對環(huán)境無任何污染。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案PEM-FC hil

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

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測試的燃料電池系統(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。其包含一個可以對水流、溫度影響和反應(yīng)動力學詳細模擬的一維PEM-FC堆棧。柔性ECU也能保證在工作站進行直接的閉環(huán)試運轉(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HiL系統(tǒng)中的ECU進行測試。其模塊化的模型架構(gòu)可以讓特定的客戶對氫氣、氧氣和冷卻系統(tǒng)進行模擬。

模型擴展裝置

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

ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料電池校準）是一種二維的PEM-FC堆棧模型，用于詳細地模擬電、水、和壓力分布。鑒于此模型具有模塊化的設(shè)計特點，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（虛擬車輛測試臺的模擬模型，用來進行HiL測試）。

LABCAR-MODEL-FC

在汽車應(yīng)用中，通常優(yōu)先使用PEM-FC燃料電池，因為其具備啟動快、能量密度高和動力學穩(wěn)定的優(yōu)良特點。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，用來進行HiL測試。

測試用于燃料電池系統(tǒng)的ECU

ETAS模擬模型的優(yōu)勢

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。模型的實時性有利于測試燃料電池ECU時與ETASHiL系統(tǒng)的整合，還可以同時進行安全相關(guān)的故障模擬和ECU軟件的初始預(yù)標定。由于這些模型考慮到了所有相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用來測試所有項目，包括基礎(chǔ)軟件、高級控制、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

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

*測試用于氫氣供應(yīng)的典型ECU功能：

*惰性氣體測定、清洗方法、氣體引射器控制

*測試用于氧氣供應(yīng)的典型ECU功能：

*空氣壓縮機控制、水再循環(huán)

*測試用于冷卻系統(tǒng)的典型ECU功能：

*冷卻方法、泵控制、散熱器激活

*測試用于診斷和管理的典型ECU功能：

*滲漏檢測、冷啟動、壓力協(xié)調(diào)、緊急關(guān)閉

*針對優(yōu)化運行的設(shè)計和校準：

*水管理、電廠輔助設(shè)備 

優(yōu)勢

LABCAR-MODEL-FC有助于對所有項目進行測試，包括基礎(chǔ)軟件精密控制、運行、和燃料電池ECU的診斷功能。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案PEM-FC hil

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

該模型可以同LABCAR-MODEL-VVTB進行整合（用于HiL測試的虛擬車輛測試臺模擬模型）

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測試的燃料電池系統(tǒng)模擬模型（LABCAR-MODEL-FC）包括對PEM-FC堆棧的一維模擬，以及對反應(yīng)物和冷卻劑供應(yīng)系統(tǒng)進行詳細和模塊化記錄。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，并且能詳細洞察電池性能。除了有助于對ECU在閉環(huán)控制回路中運行時的基礎(chǔ)校準外，其還能讓用戶對堆棧運行的功能進行測試，以及在早期開發(fā)階段將電池降解降至。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案PEM-FC hil

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

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

用于HiL測試的燃料電池系統(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模型進行模擬的依據(jù)

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測試的燃料電池系統(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。其包含一個可以對水流、溫度影響和反應(yīng)動力學詳細模擬的一維PEM-FC堆棧。柔性ECU也能保證在工作站進行直接的閉環(huán)試運轉(zhuǎn)。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案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HiL系統(tǒng)中的ECU進行測試。其模塊化的模型架構(gòu)可以讓特定的客戶對氫氣、氧氣和冷卻系統(tǒng)進行模擬。

傳感器信號仿真

傳感器信號仿真主要通過 ETAS 自有的 I/O 板卡實現(xiàn)。本方案中普通的信號級傳感器信 號采用 ES5350 模擬信號輸入輸出板卡、ES5321 PWM 及數(shù)字信號輸出板卡及工程部件 實現(xiàn)；FUEL CELL 相關(guān)的溫度信號(電阻信號)采用 ES5385.1 模擬;發(fā)動機*信號的模 擬和采集采用 ES5340.2-ICE 板卡實現(xiàn)。

ES5300 實時仿真計算機及 ES5350、ES5340、ES5321 和 ES5385.1 

電流傳感器仿真

執(zhí)行器信號采集

同上，采用安裝在 ES5300 實時仿真機上的 ES5350 模擬輸入板卡和 ES5321 PWM 板卡 檢測控制器的執(zhí)行器控制信號。對于特殊的負載，采用真實器件負載箱實現(xiàn)，如高壓 接觸器和充電電子鎖等。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案PEM-FC hil

實驗環(huán)境 EE 提供了測試執(zhí)行的用戶界面。它提供了實驗和圖形用戶界面，集成的 參數(shù)和數(shù)據(jù)管理，代碼下載，實驗執(zhí)行，實時信號產(chǎn)生和測量數(shù)據(jù)記錄方法，以及信 號管理。實驗環(huán)境是整個測試項目中手動測試的環(huán)境，所有的測試都在這里進行。有 LABCAR IP 生成的實時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定量，控制模型的運行，選擇不同的運行模式，實 時記錄運行數(shù)據(jù)，以及接入編寫的信號發(fā)生器信號。同時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

燃料電池堆動力學模型

ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 是一個 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，以及對冰點溫度影響等。

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小模 塊，如下圖所示。Z 坐標所示方向為氣體流動方向，X/Y 坐標表示垂直于膜和氣流方向

。每一個小模塊代表所有燃料電池功能層，包括兩個電極板，氣路通道，氣體擴散層 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，每個小

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

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)物化學計量數(shù)以及膜濕度對電池電壓損耗的 影響計算。德國ETAS集團燃料電池系統(tǒng)建模與仿真測試方案PEM-FC hil

?基于一維膜模型的含水量和水交換量的詳細計算。

?一維多組分氣體通道模型允許為每個電極單獨的氣體成分。

?不同的流場設(shè)計仿真。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態(tài)特性和受溫度影響的流體性質(zhì)的實際冷啟 動行為。

?考慮氣體通道內(nèi)液態(tài)水的積聚和運動的兩相水模型。

? 具有兩種膜類型的默認堆棧參數(shù)設(shè)置。 傳輸范圍

綁定到單一 MAC 地址的節(jié)點版許可文件

 燃料電池系統(tǒng)動力學模型

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

 同時 ETAS 是一個真正能為 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)的每個步驟 （直到售后診斷）， 他們分布到不同的應(yīng)用領(lǐng)域。