芝能热点｜燃料电池研发的强大助力——在MATLAB EXPO 与捷氢科技深度对话

芝能汽车出品

近日，MATLAB EXPO 2023中国用户大会开幕。本次大会分别在上海和北京两个城市举行，大会上围绕着 “登月计划——工程师和科学家们如何征服不可能”为主题，各个行业领域的领导者企业代表和教育领域内的科研先锋，展开了一系列的介绍，分享了关于工程师和科学家们如何不断推动科技创新、提高人类认知和我们生活水平的应用实例，共同探索如何完成一个个看似不可能实现却有着崇高目标的项目或任务。大会以使用者角度为大家带来MATLAB 和 Simulink的真实案例展示及技术分享，令人印象深刻。

我们人类生存的一个诉求就是产生无限的清洁能源。「芝能汽车」此次有幸专访了与会嘉宾捷氢科技蔡俊总监，针对上海捷氢的氢燃料电池的开发应用，特别是《基于MATLAB平台和工具链的燃料电池先进模型及控制算法开发》的技术分享，进行了深入沟通。

备注：氢能作为一种清洁能源，是实现国家双碳目标的重要载体和途径。捷氢科技成立于2018年6月27日，是一家研发和生产燃料电池电堆系统，储氢系统并且提供相关工程服务的创新型公司。在燃料电池系统产品中，控制系统（包含控制器和控制算法）对产品在整个生命周期内实现性能，可靠性和耐久性方面起着至关重要的作用。

Q1：燃料电池的可靠性如何保证？

Q（芝能汽车，下同）：

「芝能汽车」一直在关注中国新能源的发展、电池产业的进步。燃料电池是未来一个很重要的、具有战略意义的研究方向。燃料电池系统的可靠性和寿命是业内普遍很关心的问题，也是直接影响其商业化进程的重要因素。捷氢是如何来保证产品的可靠性和提高产品使用寿命？

A（蔡总，下同）：

捷氢科技非常重视燃料电池系统的可靠性和寿命，并采取了多项措施来确保产品的可靠性。

首先，捷氢从汽车行业的经验出发，借鉴整车和动力总成的开发流程，开发了面向燃料电池系统研发的HPDP流程（Hydrogen Product Development Process）。该流程包括了市场分析、概念搭建、原理样机、功能样机、模具样机、量产交付等九个阶段，确保产品经历完整的开发周期。这种基于汽车行业的开发流程能够确保产品的可靠性和寿命得到充分考虑。

其次，捷氢拥有300+套各种测试设备和70余项测试标准，用于测试验证。这些测试设备和标准覆盖了广泛的测试环境，包括温度范围从-50℃到65℃，海拔范围从0到5000米。通过这些测试设备和标准，捷氢能够对燃料电池系统在各种极端环境下的可靠性进行验证。

此外，在产品的整个生命周期内，捷氢还可以根据不同的场景、工况和产品状态对燃料电池系统的FCU软件和标定量进行升级迭代。这样能够确保产品在整个使用寿命期间都具备最优的可靠性和寿命。

通过以上的措施，捷氢致力于确保燃料电池系统的可靠性和寿命，以满足商用车辆连续不间断运行和长时间使用的高要求。

Q2：捷氢如何应对燃料电池技术的快速迭代？

A：捷氢科技应对燃料电池系统产品快速迭代和质量提升的挑战时，采取了以下措施：

1.采用完整的V流程开发软件：对于平台项目，捷氢采用了汽车行业通用的完整V流程来开发软件。该流程从软件需求开始，一直到认可测试结束，确保软件质量的保证。整个软件开发过程完全符合ASPICE流程并充分考虑功能安全ISO 26262等相关要求，确保软件的质量和可靠性。

2.敏捷开发与小V流程相结合：对于应用项目，捷氢采用了敏捷开发的理念，并以小V流程为指导。在应用项目中，复杂算法已经在平台项目中开发完成，因此可以跳过架构设计和单元测试等阶段，即详细设计后直接做集成测试。这样能够加快软件产品的迭代速度，同时保证软件质量。

3.MathWorks工具链的支持：捷氢利用MathWorks工具链来支持软件开发流程和质量保证。这些工具包括Simulink、Stateflow、Fixed-Point Designer、AUTOSAR Blockset等，能够进行策略、算法的建模和仿真，并提供静态分析、设计错误检测、动态测试、覆盖度分析等功能。同时，利用工具链进行代码生成、静态分析和形式化验证，确保代码的规范性、鲁棒性和安全性。

4.研发投入和研发团队的支持：捷氢将大量资源投入研发工作，确保研发团队的规模和技术水平。研发团队主要由研究生以上水平的人员组成，具备专业的技术知识和经验。这样能够提供强大的技术支持，应对燃料电池系统产品快速迭代和质量提升的挑战。

总而言之，捷氢通过采用完整的V流程、结合敏捷开发和小V流程、利用MathWorks工具链以及投入大量资源和高水平的研发团队，来应对燃料电池系统产品快速迭代和质量提升的挑战(如图1所示)。这些措施能够平衡迭代速度和质量保证，确保产品的可靠性和稳定性。

图1

Q3：在车辆燃料经济性研究中，如何分析和优化燃料电池车辆的性能和燃料经济性？能跟大家分享一下使用 Simulink和Stateflow进行控制器设计，以实现燃料电池车辆的最佳性能和响应特性？

A：捷氢科技针对燃料电池系统的性能和燃料经济性提升挑战，在研发端采取了很多方法。在软件算法开发方面，具体可以分享以下几个具体实例：

1.电压恢复算法：燃料电池的效率和电堆的电压强相关，当燃料电池系统电压下降时，通过改变操作条件和降低电流等方法来提升电压。这需要进行大量的仿真、算法开发和测试工作，以确定不同下降幅度和速率下的优先级提升方法。

2.经济性提升算法：通过使用Simulink和Stateflow工具开发了一个燃料电池的idle状态，类似于燃油车的Start-Stop模式。在该状态下，系统维持基本的氢空压强但不产生功率，以达到最优的效率。开发这个状态涉及确定进入和离开该状态的条件，并避免出现死逻辑或无法跳出该状态的情况。这里我们使用了Simulink Design Verifier 来识别此类设计错误，确保没有死逻辑或死循环。此外，使用Polyspace进行静态代码检查，使用Simulink Test进行充分的仿真测试，以确保软件在提升系统经济性的同时不出现质量问题。

通过开发上述的Idle状态，捷氢科技在城市工况下实现了近1%的综合效率提升。

这些措施体现了捷氢科技在燃料电池系统性能和经济性方面的创新和努力，通过优化控制策略和算法，提升了系统的性能和燃料经济性。同时，采用Simulink和Stateflow等工具进行仿真、开发和测试，保证了软件的可靠性和稳定性。

Q4：燃料电池系统的热管理是整个行业都会面临的挑战。在燃料电池堆热管理方面，如何使用模型进行热分析，并优化热管理策略以确保燃料电池堆的稳定运行和热平衡？

A：燃料电池热管理系统的挑战是确实存在的，主要包括运行温度和环境温度温差较小、随着系统功率不断增大余热产生也随之增加等问题。为了应对这些挑战，主要有以下解决方法：

1.建立一维热管理系统模型：基于Simulink建立包含各个零部件模型的一维热管理系统模型，用于预测和掌握系统的滞后性和非线性特点。

2.开发相关软件算法策略：以电堆HFR、水出温度、水入水出温差、输出电压及其一致性为目标，开发软件算法策略。例如，我们开发了一个先进的串级内模控制算法，通过模型的实时计算提前预知系统的输出响应，弥补热管理系统滞后性对控制响应的不利影响。

3.硬件在环测试（HIL测试）：通过将热管理系统模型与控制软件集成于HIL测试平台，确定水泵转速、节温器开度等变量的控制边界，实现电堆的热平衡管理和系统的稳定运行。

对于热管理系统的控制策略开发，基于学习的先进控制算法，特别是模型预测控制（MPC）算法。MATLAB的模型预测控制工具箱可用于设计、仿真和部署电池热管理控制策略，支持线性和非线性MPC的设计，并提供优化求解器和代码生成功能。这种先进的控制算法可以更好地满足控温和节能的要求，并有潜力用于优化燃料电池热管理系统策略。

这些方法和工具的应用表明，捷氢科技在燃料电池热管理系统的优化和控制策略方面进行了深入研究和创新，以提高系统的性能和效率。同时，采用Simulink和MATLAB等工具进行建模、仿真和控制算法开发，有助于提高开发效率和保证系统的可靠性。

Q5：对于人工智能算法的开发应用，捷氢做了哪些尝试？有什么好的经验可以跟大家分享的？

A：捷氢科技在燃料电池系统中应用人工智能技术解决了复杂状态估计和控制问题。譬如，使用MATLAB Deep Learning工具箱，可视化搭建LSTM网络和基于车载辅助零部件信息的数据驱动分类器模型，成功解决了燃料电池阳极水状态估计问题（如图2所示）。此外，通过使用BP神经网络建立虚拟传感器，实现燃料电池阳极氮浓度估算，提升了燃料电池系统的经济性。

图2

在设计中，积累了一些经验和观察：

1.数据管理和挖掘的重要性：将数据科学技术应用于企业的研发和运营，可以提高效率和创造新的价值。您提到了利用数据科学软硬件技术来管理和挖掘数据，如高性能GPU和云服务等。

2.工程和专业知识的重要性：在工业场景中应用人工智能技术，工程和专业知识与数据科学知识同样重要。对业务场景的深入理解有助于将业务问题转化为数据科学问题，并将人工智能技术应用于工业问题。您强调了工程师对业务场景的理解以及使用适合业务工程师的数据挖掘和建模工具的重要性。

MATLAB作为一个功能强大的工具和平台，提供了许多适用于人工智能应用的工作流、算法和工具，如预处理、特征提取、机器学习和深度学习模型的训练、代码生成等。此外，MATLAB还具备数据分析、数据管理和部署等端到端的数据科学解决方案，可以应用于各种工业领域的问题。MATLAB的灵活性、强大的功能和丰富的工具使其成为应用人工智能技术于汽车开发的理想选择。

小结

在这次访谈中，我们看到科技和创新在燃料电池汽车发展中的决定性地位，以及MathWorks在其中所扮演的关键角色。在面临环保与可持续出行方式的寻求，MathWorks的工具不仅提供了有效的技术支持，更助推了行业的进步与创新。我们期待在这个充满活力的领域，看到更多工程与科学的技术趋势和进步。