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，把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置。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，優點在于透過穩定供應氧和燃料來源，即可持續不間斷的提供穩定電力，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，用完須繼續充電，也因此透過電堆串連后，甚至成為發電量百萬瓦(MW)級的發電廠。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，根據系統架構而定義，然后直接驅動電機進行動力輸出。由于系統急加速，急減速的需要，有時候在系統中會包含一個超級電容。用于電機系統急加速急減速的需要。

根據發動機原理，對其系統進行形象化解釋，空氣供給系統與內燃機中的空氣系統基本類似，也有一個增壓器進行系統空氣的增壓，不過是電增壓，內燃機為廢氣增壓，氫氣供給系統類型與燃油系統，進行燃料的供給，其實相近的為天然氣發動機。其中的氮氣供給系統類似于柴油機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，系統的管路里面需要氮氣進行供給，進行掃氣的操作。冷卻系統與發動機的冷卻系統也大致一致，沒有特別大的差距，發動機一部分的冷卻風扇為發動機曲軸帶動，而燃料電池都為電池驅動電力風扇。

德國ETAS集團燃料電池系統建模與仿真測試方案PEM-FC hil

ETAS GmbH 成立于 1994 年，是羅伯特博世聯合企業的一部分，是車用電子控制系統以 及相關嵌入式控制系統軟件開發工具和測試設備的供應商。ETAS 致力于為車用嵌 入式系統的整個生命周期提供支持性的創新產品。ETAS 可向的汽車 OEM 以及電控 單元的一級供應商提供產品與服務。本公司在擁有約 700  名員工，年營業額達到約 1.4 億歐元。以下是有關本公司的概要介紹。ETAS 化網絡是在范圍內構建起的一個由辦事機構和研發中心組成的網絡，通 過該網絡進行產品的開發、配置并提供技術支持。本公司相信，對于建立長期、成功 的客戶關系來說，在地理位置上與客戶接近將具有至關重要的意義。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 俄羅斯聯邦均設有地區分公司或辦事機構。每一處辦事機構都提供客戶賬戶管理、客 戶技術支持、區域內項目管理以及工程技術服務資源等。德國ETAS集團燃料電池系統建模與仿真測試方案PEM-FC hil

,傳統燃油汽車短期內無法在節能減排上實現突破性的進展;同時,純電動汽車又在續航里程、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企業,將車用能源的理想目標轉向質子交換膜燃料電池,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、穩定性和安全性,本文對燃料電池系統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。基于電化學反應理論,建立了考慮雙電荷層效應的、包含反應氣體相對濕度、流量、工作負載、溫度的燃料電池多因素穩態模型,分析了反應氣體相對濕度、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。并在此基礎上根據傳質傳熱、質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溫度的變化,結果表明適當提高空氣流量可以降低燃料電池的溫度,負載大小與系統溫度成正相關性,對燃料電池的溫度控制具有一定的意義。

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

LABCAR-MODEL-FC可以模擬堆棧、氫氣供應、氧氣供應和冷卻劑供應的詳細過程。此技術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的復雜計算以及基于對堆棧和外圍設備之間相互作用的復雜計算得出。鑒于現代燃料電池堆棧的復雜性,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，可以實現對二維（2D）堆棧模擬進行特殊擴展，其燃料電池系統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測試臺上對燃料電池的ECU進行早期的測試和優化。

與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車具有加注時間短，續航里程長等優勢，是未來汽車工業可持續化發展的重要方向。目前，氫燃料電池汽車產業正在興起。氫能是一種清潔能源，氫燃料電池只會產生水和熱，并不會產生二氧化碳，對環境無任何污染。德國ETAS集團燃料電池系統建模與仿真測試方案PEM-FC hil

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

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測試的燃料電池系統模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能記錄完整的燃料電池系統，包括堆棧、外圍設備和柔性ECU。其包含一個可以對水流、溫度影響和反應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試運轉。

LABCAR-MODEL-FC模型能確保用戶逼真地模擬出燃料電池系統，從而對HiL系統中的ECU進行測試。其模塊化的模型架構可以讓特定的客戶對氫氣、氧氣和冷卻系統進行模擬。

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計特點，并且還配有參數化的工具，因此其可以跟現有的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

在汽車應用中，通常優先使用PEM-FC燃料電池，因為其具備啟動快、能量密度高和動力學穩定的優良特點。為了給客戶在此大有前途的創新領域提供支持，ETAS提供了燃料電池系統的LABCAR-MODEL-FC模擬模型，用來進行HiL測試。

測試用于燃料電池系統的ECU

ETAS模擬模型的優勢

ETAS燃料電池模型包括用于模擬堆棧和外圍設備的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系統的整合，還可以同時進行安全相關的故障模擬和ECU軟件的初始預標定。由于這些模型考慮到了所有相關的物理現象，可以用來測試所有項目，包括基礎軟件、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。

應用

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

*測試用于氫氣供應的典型ECU功能：

*惰性氣體測定、清洗方法、氣體引射器控制

*測試用于氧氣供應的典型ECU功能：

*空氣壓縮機控制、水再循環

*測試用于冷卻系統的典型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、壓力協調、緊急關閉

*針對優化運行的設計和校準：

*水管理、電廠輔助設備 

優勢

LABCAR-MODEL-FC有助于對所有項目進行測試，包括基礎軟件精密控制、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、電解膜狀態或水再循環過程，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，以及客制化技術服務和專家咨詢。

用于HiL測試的燃料電池系統模擬模型（LABCAR-MODEL-FC）包括對PEM-FC堆棧的一維模擬，以及對反應物和冷卻劑供應系統進行詳細和模塊化記錄。還能提供操作燃料電池ECU所需的所有相應接口。

用于基于HiL校準的燃料電池系統模擬模型（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在閉環控制回路中運行時的基礎校準外，其還能讓用戶對堆棧運行的功能進行測試，以及在早期開發階段將電池降解降至。德國ETAS集團燃料電池系統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還對所有開發需求提供技術支持服務和咨詢。

用于HiL測試的燃料電池系統模擬模型

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

LABCAR-MODEL-FC（用于HiL測試的燃料電池系統模擬模型）

ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能記錄完整的燃料電池系統，包括堆棧、外圍設備和柔性ECU。其包含一個可以對水流、溫度影響和反應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試運轉。德國ETAS集團燃料電池系統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，從而對HiL系統中的ECU進行測試。其模塊化的模型架構可以讓特定的客戶對氫氣、氧氣和冷卻系統進行模擬。

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。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 及數字信號輸出板卡及工程部件 實現；FUEL CELL 相關的溫度信號(電阻信號)采用 ES5385.1 模擬;發動機*信號的模 擬和采集采用 ES5340.2-ICE 板卡實現。

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

電流傳感器仿真

執行器信號采集

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 檢測控制器的執行器控制信號。對于特殊的負載，采用真實器件負載箱實現，如高壓 接觸器和充電電子鎖等。德國ETAS集團燃料電池系統建模與仿真測試方案PEM-FC hil

實驗環境 EE 提供了測試執行的用戶界面。它提供了實驗和圖形用戶界面，集成的 參數和數據管理，代碼下載，實驗執行，實時信號產生和測量數據記錄方法，以及信 號管理。實驗環境是整個測試項目中手動測試的環境，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 時記錄運行數據，以及接入編寫的信號發生器信號。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 能夠對燃料電池膜的內阻，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，在子系統中包括有完整功能層，每個小

模塊均可對外提供數據接口，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、反應物化學計量數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。

?不同的流場設計仿真。支持內部電池加濕的順/逆流量設置。

?基于膜溫度模型、電池含水量的非線性動態特性和受溫度影響的流體性質的實際冷啟 動行為。

?考慮氣體通道內液態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設置。 傳輸范圍

綁定到單一 MAC 地址的節點版許可文件

 燃料電池系統動力學模型

LABCAR 的兩大經典優勢。LABCAR 的另一重要特色，即基于 PC 的結構，賦予了其本身一項固有優勢：可用計算 能力的升級更加簡便、經濟。多目標與多核應用實質上無地提高了仿真速度與同 步獲取大量數據信息時的計算能力，智能信號管理，投資高度安全和系統整個服務周 期內的性價比更加*。

 同時 ETAS 是一個真正能為 V 模式開發提供完整工具鏈的供應商。產品系列可靠地涵蓋 了 ECU 軟件開發的每個步驟 （直到售后診斷）， 他們分布到不同的應用領域。