燃料電池研發(fā)的強(qiáng)大助力——在MATLAB EXPO 與捷氫科技深度對(duì)話(huà)

近日，MATLAB EXPO 2023中國(guó)用戶(hù)大會(huì)開(kāi)幕。本次大會(huì)分別在上海和北京兩個(gè)城市舉行，大會(huì)上圍繞著“登月計(jì)劃——工程師和科學(xué)家們?nèi)绾握鞣豢赡堋睘橹黝}，各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者企業(yè)代表和教育領(lǐng)域內(nèi)的科研先鋒，展開(kāi)了一系列的介紹，分享了關(guān)于工程師和科學(xué)家們?nèi)绾尾粩嗤苿?dòng)科技創(chuàng)新、提高人類(lèi)認(rèn)知和我們生活水平的應(yīng)用實(shí)例，共同探索如何完成一個(gè)個(gè)看似不可能實(shí)現(xiàn)卻有著崇高目標(biāo)的項(xiàng)目或任務(wù)。大會(huì)以使用者角度為大家?guī)?lái)MATLAB 和 Simulink的真實(shí)案例展示及技術(shù)分享，令人印象深刻。

我們?nèi)祟?lèi)生存的一個(gè)訴求就是產(chǎn)生無(wú)限的清潔能源?！钢ツ芷?chē)」此次有幸專(zhuān)訪(fǎng)了與會(huì)嘉賓捷氫科技蔡俊總監(jiān)，針對(duì)上海捷氫的氫燃料電池的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是《基于MATLAB平臺(tái)和工具鏈的燃料電池先進(jìn)模型及控制算法開(kāi)發(fā)》的技術(shù)分享，進(jìn)行了深入溝通。

備注：氫能作為一種清潔能源，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家雙碳目標(biāo)的重要載體和途徑。捷氫科技成立于2018年6月27日，是一家研發(fā)和生產(chǎn)燃料電池電堆系統(tǒng)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)并且提供相關(guān)工程服務(wù)的創(chuàng)新型公司。在燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品中，控制系統(tǒng)（包含控制器和控制算法）對(duì)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)性能，可靠性和耐久性方面起著至關(guān)重要的作用。

Q1：燃料電池的可靠性如何保證？

Q（芝能汽車(chē)，下同）：

「芝能汽車(chē)」一直在關(guān)注中國(guó)新能源的發(fā)展、電池產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。燃料電池是未來(lái)一個(gè)很重要的、具有戰(zhàn)略意義的研究方向。燃料電池系統(tǒng)的可靠性和壽命是業(yè)內(nèi)普遍很關(guān)心的問(wèn)題，也是直接影響其商業(yè)化進(jìn)程的重要因素。捷氫是如何來(lái)保證產(chǎn)品的可靠性和提高產(chǎn)品使用壽命？

A（蔡總，下同）：

捷氫科技非常重視燃料電池系統(tǒng)的可靠性和壽命，并采取了多項(xiàng)措施來(lái)確保產(chǎn)品的可靠性。

首先，捷氫從汽車(chē)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，借鑒整車(chē)和動(dòng)力總成的開(kāi)發(fā)流程，開(kāi)發(fā)了面向燃料電池系統(tǒng)研發(fā)的HPDP流程（Hydrogen Product Development Process）。該流程包括了市場(chǎng)分析、概念搭建、原理樣機(jī)、功能樣機(jī)、模具樣機(jī)、量產(chǎn)交付等九個(gè)階段，確保產(chǎn)品經(jīng)歷完整的開(kāi)發(fā)周期。這種基于汽車(chē)行業(yè)的開(kāi)發(fā)流程能夠確保產(chǎn)品的可靠性和壽命得到充分考慮。

其次，捷氫擁有300+套各種測(cè)試設(shè)備和70余項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，用于測(cè)試驗(yàn)證。這些測(cè)試設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了廣泛的測(cè)試環(huán)境，包括溫度范圍從-50℃到65℃，海拔范圍從0到5000米。通過(guò)這些測(cè)試設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)，捷氫能夠?qū)θ剂想姵叵到y(tǒng)在各種極端環(huán)境下的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)，捷氫還可以根據(jù)不同的場(chǎng)景、工況和產(chǎn)品狀態(tài)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的FCU軟件和標(biāo)定量進(jìn)行升級(jí)迭代。這樣能夠確保產(chǎn)品在整個(gè)使用壽命期間都具備最優(yōu)的可靠性和壽命。

通過(guò)以上的措施，捷氫致力于確保燃料電池系統(tǒng)的可靠性和壽命，以滿(mǎn)足商用車(chē)輛連續(xù)不間斷運(yùn)行和長(zhǎng)時(shí)間使用的高要求。

Q2：捷氫如何應(yīng)對(duì)燃料電池技術(shù)的快速迭代？

A：捷氫科技應(yīng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品快速迭代和質(zhì)量提升的挑戰(zhàn)時(shí)，采取了以下措施：

1.采用完整的V流程開(kāi)發(fā)軟件：對(duì)于平臺(tái)項(xiàng)目，捷氫采用了汽車(chē)行業(yè)通用的完整V流程來(lái)開(kāi)發(fā)軟件。該流程從軟件需求開(kāi)始，一直到認(rèn)可測(cè)試結(jié)束，確保軟件質(zhì)量的保證。整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程完全符合ASPICE流程并充分考慮功能安全I(xiàn)SO 26262等相關(guān)要求，確保軟件的質(zhì)量和可靠性。

2.敏捷開(kāi)發(fā)與小V流程相結(jié)合：對(duì)于應(yīng)用項(xiàng)目，捷氫采用了敏捷開(kāi)發(fā)的理念，并以小V流程為指導(dǎo)。在應(yīng)用項(xiàng)目中，復(fù)雜算法已經(jīng)在平臺(tái)項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)完成，因此可以跳過(guò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和單元測(cè)試等階段，即詳細(xì)設(shè)計(jì)后直接做集成測(cè)試。這樣能夠加快軟件產(chǎn)品的迭代速度，同時(shí)保證軟件質(zhì)量。

3.MathWorks工具鏈的支持：捷氫利用MathWorks工具鏈來(lái)支持軟件開(kāi)發(fā)流程和質(zhì)量保證。這些工具包括Simulink、Stateflow、Fixed-Point Designer、AUTOSAR Blockset等，能夠進(jìn)行策略、算法的建模和仿真，并提供靜態(tài)分析、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤檢測(cè)、動(dòng)態(tài)測(cè)試、覆蓋度分析等功能。同時(shí)，利用工具鏈進(jìn)行代碼生成、靜態(tài)分析和形式化驗(yàn)證，確保代碼的規(guī)范性、魯棒性和安全性。

4.研發(fā)投入和研發(fā)團(tuán)隊(duì)的支持：捷氫將大量資源投入研發(fā)工作，確保研發(fā)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模和技術(shù)水平。研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要由研究生以上水平的人員組成，具備專(zhuān)業(yè)的技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。這樣能夠提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，應(yīng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品快速迭代和質(zhì)量提升的挑戰(zhàn)。

總而言之，捷氫通過(guò)采用完整的V流程、結(jié)合敏捷開(kāi)發(fā)和小V流程、利用MathWorks工具鏈以及投入大量資源和高水平的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，來(lái)應(yīng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品快速迭代和質(zhì)量提升的挑戰(zhàn)(如圖1所示)。這些措施能夠平衡迭代速度和質(zhì)量保證，確保產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1

Q3：在車(chē)輛燃料經(jīng)濟(jì)性研究中，如何分析和優(yōu)化燃料電池車(chē)輛的性能和燃料經(jīng)濟(jì)性？能跟大家分享一下使用 Simulink和Stateflow進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)燃料電池車(chē)輛的最佳性能和響應(yīng)特性？

A：捷氫科技針對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能和燃料經(jīng)濟(jì)性提升挑戰(zhàn)，在研發(fā)端采取了很多方法。在軟件算法開(kāi)發(fā)方面，具體可以分享以下幾個(gè)具體實(shí)例：

1.電壓恢復(fù)算法：燃料電池的效率和電堆的電壓強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)電壓下降時(shí)，通過(guò)改變操作條件和降低電流等方法來(lái)提升電壓。這需要進(jìn)行大量的仿真、算法開(kāi)發(fā)和測(cè)試工作，以確定不同下降幅度和速率下的優(yōu)先級(jí)提升方法。

2.經(jīng)濟(jì)性提升算法：通過(guò)使用Simulink和Stateflow工具開(kāi)發(fā)了一個(gè)燃料電池的idle狀態(tài)，類(lèi)似于燃油車(chē)的Start-Stop模式。在該狀態(tài)下，系統(tǒng)維持基本的氫空壓強(qiáng)但不產(chǎn)生功率，以達(dá)到最優(yōu)的效率。開(kāi)發(fā)這個(gè)狀態(tài)涉及確定進(jìn)入和離開(kāi)該狀態(tài)的條件，并避免出現(xiàn)死邏輯或無(wú)法跳出該狀態(tài)的情況。這里我們使用了Simulink Design Verifier 來(lái)識(shí)別此類(lèi)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，確保沒(méi)有死邏輯或死循環(huán)。此外，使用Polyspace進(jìn)行靜態(tài)代碼檢查，使用Simulink Test進(jìn)行充分的仿真測(cè)試，以確保軟件在提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)不出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

通過(guò)開(kāi)發(fā)上述的Idle狀態(tài)，捷氫科技在城市工況下實(shí)現(xiàn)了近1%的綜合效率提升。

這些措施體現(xiàn)了捷氫科技在燃料電池系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性方面的創(chuàng)新和努力，通過(guò)優(yōu)化控制策略和算法，提升了系統(tǒng)的性能和燃料經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，采用Simulink和Stateflow等工具進(jìn)行仿真、開(kāi)發(fā)和測(cè)試，保證了軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

Q4：燃料電池系統(tǒng)的熱管理是整個(gè)行業(yè)都會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。在燃料電池堆熱管理方面，如何使用模型進(jìn)行熱分析，并優(yōu)化熱管理策略以確保燃料電池堆的穩(wěn)定運(yùn)行和熱平衡？

A：燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的挑戰(zhàn)是確實(shí)存在的，主要包括運(yùn)行溫度和環(huán)境溫度溫差較小、隨著系統(tǒng)功率不斷增大余熱產(chǎn)生也隨之增加等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，主要有以下解決方法：

1.建立一維熱管理系統(tǒng)模型：基于Simulink建立包含各個(gè)零部件模型的一維熱管理系統(tǒng)模型，用于預(yù)測(cè)和掌握系統(tǒng)的滯后性和非線(xiàn)性特點(diǎn)。

2.開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件算法策略：以電堆HFR、水出溫度、水入水出溫差、輸出電壓及其一致性為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)軟件算法策略。例如，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)先進(jìn)的串級(jí)內(nèi)模控制算法，通過(guò)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算提前預(yù)知系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，彌補(bǔ)熱管理系統(tǒng)滯后性對(duì)控制響應(yīng)的不利影響。

3.硬件在環(huán)測(cè)試（HIL測(cè)試）：通過(guò)將熱管理系統(tǒng)模型與控制軟件集成于HIL測(cè)試平臺(tái)，確定水泵轉(zhuǎn)速、節(jié)溫器開(kāi)度等變量的控制邊界，實(shí)現(xiàn)電堆的熱平衡管理和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于熱管理系統(tǒng)的控制策略開(kāi)發(fā)，基于學(xué)習(xí)的先進(jìn)控制算法，特別是模型預(yù)測(cè)控制（MPC）算法。MATLAB的模型預(yù)測(cè)控制工具箱可用于設(shè)計(jì)、仿真和部署電池?zé)峁芾砜刂撇呗?，支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性MPC的設(shè)計(jì)，并提供優(yōu)化求解器和代碼生成功能。這種先進(jìn)的控制算法可以更好地滿(mǎn)足控溫和節(jié)能的要求，并有潛力用于優(yōu)化燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)策略。

這些方法和工具的應(yīng)用表明，捷氫科技在燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化和控制策略方面進(jìn)行了深入研究和創(chuàng)新，以提高系統(tǒng)的性能和效率。同時(shí)，采用Simulink和MATLAB等工具進(jìn)行建模、仿真和控制算法開(kāi)發(fā)，有助于提高開(kāi)發(fā)效率和保證系統(tǒng)的可靠性。

Q5：對(duì)于人工智能算法的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，捷氫做了哪些嘗試？有什么好的經(jīng)驗(yàn)可以跟大家分享的？

A：捷氫科技在燃料電池系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)解決了復(fù)雜狀態(tài)估計(jì)和控制問(wèn)題。譬如，使用MATLAB Deep Learning工具箱，可視化搭建LSTM網(wǎng)絡(luò)和基于車(chē)載輔助零部件信息的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分類(lèi)器模型，成功解決了燃料電池陽(yáng)極水狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題（如圖2所示）。此外，通過(guò)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立虛擬傳感器，實(shí)現(xiàn)燃料電池陽(yáng)極氮濃度估算，提升了燃料電池系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖2

在設(shè)計(jì)中，積累了一些經(jīng)驗(yàn)和觀(guān)察：

1.數(shù)據(jù)管理和挖掘的重要性：將數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)的研發(fā)和運(yùn)營(yíng)，可以提高效率和創(chuàng)造新的價(jià)值。您提到了利用數(shù)據(jù)科學(xué)軟硬件技術(shù)來(lái)管理和挖掘數(shù)據(jù)，如高性能GPU和云服務(wù)等。

2.工程和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性：在工業(yè)場(chǎng)景中應(yīng)用人工智能技術(shù)，工程和專(zhuān)業(yè)知識(shí)與數(shù)據(jù)科學(xué)知識(shí)同樣重要。對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的深入理解有助于將業(yè)務(wù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)科學(xué)問(wèn)題，并將人工智能技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)問(wèn)題。您強(qiáng)調(diào)了工程師對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的理解以及使用適合業(yè)務(wù)工程師的數(shù)據(jù)挖掘和建模工具的重要性。

MATLAB作為一個(gè)功能強(qiáng)大的工具和平臺(tái)，提供了許多適用于人工智能應(yīng)用的工作流、算法和工具，如預(yù)處理、特征提取、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練、代碼生成等。此外，MATLAB還具備數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理和部署等端到端的數(shù)據(jù)科學(xué)解決方案，可以應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域的問(wèn)題。MATLAB的靈活性、強(qiáng)大的功能和豐富的工具使其成為應(yīng)用人工智能技術(shù)于汽車(chē)開(kāi)發(fā)的理想選擇。

小結(jié)

在這次訪(fǎng)談中，我們看到科技和創(chuàng)新在燃料電池汽車(chē)發(fā)展中的決定性地位，以及MathWorks在其中所扮演的關(guān)鍵角色。在面臨環(huán)保與可持續(xù)出行方式的尋求，MathWorks的工具不僅提供了有效的技術(shù)支持，更助推了行業(yè)的進(jìn)步與創(chuàng)新。我們期待在這個(gè)充滿(mǎn)活力的領(lǐng)域，看到更多工程與科學(xué)的技術(shù)趨勢(shì)和進(jìn)步。