近日，MATLAB EXPO 2023中國用戶大會開幕。本次大會分別在上海和北京兩個城市舉行，大會上圍繞著“登月計劃——工程師和科學家們如何征服不可能”為主題，各個行業(yè)領域的領導者企業(yè)代表和教育領域內的科研先鋒，展開了一系列的介紹，分享了關于工程師和科學家們如何不斷推動科技創(chuàng)新、提高人類認知和我們生活水平的應用實例，共同探索如何完成一個個看似不可能實現卻有著崇高目標的項目或任務。大會以使用者角度為大家?guī)鞰ATLAB 和 Simulink的真實案例展示及技術分享，令人印象深刻。

我們人類生存的一個訴求就是產生無限的清潔能源。「芝能汽車」此次有幸專訪了與會嘉賓捷氫科技蔡俊總監(jiān)，針對上海捷氫的氫燃料電池的開發(fā)應用，特別是《基于MATLAB平臺和工具鏈的燃料電池先進模型及控制算法開發(fā)》的技術分享，進行了深入溝通。

備注：氫能作為一種清潔能源，是實現國家雙碳目標的重要載體和途徑。捷氫科技成立于2018年6月27日，是一家研發(fā)和生產燃料電池電堆系統(tǒng)，儲氫系統(tǒng)并且提供相關工程服務的創(chuàng)新型公司。在燃料電池系統(tǒng)產品中，控制系統(tǒng)（包含控制器和控制算法）對產品在整個生命周期內實現性能，可靠性和耐久性方面起著至關重要的作用。

Q1：燃料電池的可靠性如何保證？

Q（芝能汽車，下同）：

「芝能汽車」一直在關注中國新能源的發(fā)展、電池產業(yè)的進步。燃料電池是未來一個很重要的、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)內普遍很關心的問題，也是直接影響其商業(yè)化進程的重要因素。捷氫是如何來保證產品的可靠性和提高產品使用壽命？

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，并采取了多項措施來確保產品的可靠性。

首先，捷氫從汽車行業(yè)的經驗出發(fā)，借鑒整車和動力總成的開發(fā)流程，開發(fā)了面向燃料電池系統(tǒng)研發(fā)的HPDP流程（Hydrogen Product Development Process）。該流程包括了市場分析、概念搭建、原理樣機、功能樣機、模具樣機、量產交付等九個階段，確保產品經歷完整的開發(fā)周期。這種基于汽車行業(yè)的開發(fā)流程能夠確保產品的可靠性和壽命得到充分考慮。

其次，捷氫擁有300+套各種測試設備和70余項測試標準，用于測試驗證。這些測試設備和標準覆蓋了廣泛的測試環(huán)境，包括溫度范圍從-50℃到65℃，海拔范圍從0到5000米。通過這些測試設備和標準，捷氫能夠對燃料電池系統(tǒng)在各種極端環(huán)境下的可靠性進行驗證。

此外，在產品的整個生命周期內，捷氫還可以根據不同的場景、工況和產品狀態(tài)對燃料電池系統(tǒng)的FCU軟件和標定量進行升級迭代。這樣能夠確保產品在整個使用壽命期間都具備最優(yōu)的可靠性和壽命。

通過以上的措施，捷氫致力于確保燃料電池系統(tǒng)的可靠性和壽命，以滿足商用車輛連續(xù)不間斷運行和長時間使用的高要求。

Q2：捷氫如何應對燃料電池技術的快速迭代？

A：捷氫科技應對燃料電池系統(tǒng)產品快速迭代和質量提升的挑戰(zhàn)時，采取了以下措施：

1.采用完整的V流程開發(fā)軟件：對于平臺項目，捷氫采用了汽車行業(yè)通用的完整V流程來開發(fā)軟件。該流程從軟件需求開始，一直到認可測試結束，確保軟件質量的保證。整個軟件開發(fā)過程完全符合ASPICE流程并充分考慮功能安全ISO 26262等相關要求，確保軟件的質量和可靠性。

2.敏捷開發(fā)與小V流程相結合：對于應用項目，捷氫采用了敏捷開發(fā)的理念，并以小V流程為指導。在應用項目中，復雜算法已經在平臺項目中開發(fā)完成，因此可以跳過架構設計和單元測試等階段，即詳細設計后直接做集成測試。這樣能夠加快軟件產品的迭代速度，同時保證軟件質量。

3.MathWorks工具鏈的支持：捷氫利用MathWorks工具鏈來支持軟件開發(fā)流程和質量保證。這些工具包括Simulink、Stateflow、Fixed-Point Designer、AUTOSAR Blockset等，能夠進行策略、算法的建模和仿真，并提供靜態(tài)分析、設計錯誤檢測、動態(tài)測試、覆蓋度分析等功能。同時，利用工具鏈進行代碼生成、靜態(tài)分析和形式化驗證，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)團隊的支持：捷氫將大量資源投入研發(fā)工作，確保研發(fā)團隊的規(guī)模和技術水平。研發(fā)團隊主要由研究生以上水平的人員組成，具備專業(yè)的技術知識和經驗。這樣能夠提供強大的技術支持，應對燃料電池系統(tǒng)產品快速迭代和質量提升的挑戰(zhàn)。

總而言之，捷氫通過采用完整的V流程、結合敏捷開發(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)團隊，來應對燃料電池系統(tǒng)產品快速迭代和質量提升的挑戰(zhàn)(如圖1所示)。這些措施能夠平衡迭代速度和質量保證，確保產品的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1

Q3：在車輛燃料經濟性研究中，如何分析和優(yōu)化燃料電池車輛的性能和燃料經濟性？能跟大家分享一下使用 Simulink和Stateflow進行控制器設計，以實現燃料電池車輛的最佳性能和響應特性？

A：捷氫科技針對燃料電池系統(tǒng)的性能和燃料經濟性提升挑戰(zhàn)，在研發(fā)端采取了很多方法。在軟件算法開發(fā)方面，具體可以分享以下幾個具體實例：

1.電壓恢復算法：燃料電池的效率和電堆的電壓強相關，當燃料電池系統(tǒng)電壓下降時，通過改變操作條件和降低電流等方法來提升電壓。這需要進行大量的仿真、算法開發(fā)和測試工作，以確定不同下降幅度和速率下的優(yōu)先級提升方法。

2.經濟性提升算法：通過使用Simulink和Stateflow工具開發(fā)了一個燃料電池的idle狀態(tài)，類似于燃油車的Start-Stop模式。在該狀態(tài)下，系統(tǒng)維持基本的氫空壓強但不產生功率，以達到最優(yōu)的效率。開發(fā)這個狀態(tài)涉及確定進入和離開該狀態(tài)的條件，并避免出現死邏輯或無法跳出該狀態(tài)的情況。這里我們使用了Simulink Design Verifier 來識別此類設計錯誤，確保沒有死邏輯或死循環(huán)。此外，使用Polyspace進行靜態(tài)代碼檢查，使用Simulink Test進行充分的仿真測試，以確保軟件在提升系統(tǒng)經濟性的同時不出現質量問題。

通過開發(fā)上述的Idle狀態(tài)，捷氫科技在城市工況下實現了近1%的綜合效率提升。

這些措施體現了捷氫科技在燃料電池系統(tǒng)性能和經濟性方面的創(chuàng)新和努力，通過優(yōu)化控制策略和算法，提升了系統(tǒng)的性能和燃料經濟性。同時，采用Simulink和Stateflow等工具進行仿真、開發(fā)和測試，保證了軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

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

A：燃料電池熱管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是確實存在的，主要包括運行溫度和環(huán)境溫度溫差較小、隨著系統(tǒng)功率不斷增大余熱產生也隨之增加等問題。為了應對這些挑戰(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建立包含各個零部件模型的一維熱管理系統(tǒng)模型，用于預測和掌握系統(tǒng)的滯后性和非線性特點。

2.開發(fā)相關軟件算法策略：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，開發(fā)軟件算法策略。例如，我們開發(fā)了一個先進的串級內模控制算法，通過模型的實時計算提前預知系統(tǒng)的輸出響應，彌補熱管理系統(tǒng)滯后性對控制響應的不利影響。

3.硬件在環(huán)測試（HIL測試）：通過將熱管理系統(tǒng)模型與控制軟件集成于HIL測試平臺，確定水泵轉速、節(jié)溫器開度等變量的控制邊界，實現電堆的熱平衡管理和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

對于熱管理系統(tǒng)的控制策略開發(fā)，基于學習的先進控制算法，特別是模型預測控制（MPC）算法。MATLAB的模型預測控制工具箱可用于設計、仿真和部署電池熱管理控制策略，支持線性和非線性MPC的設計，并提供優(yōu)化求解器和代碼生成功能。這種先進的控制算法可以更好地滿足控溫和節(jié)能的要求，并有潛力用于優(yōu)化燃料電池熱管理系統(tǒng)策略。

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

Q5：對于人工智能算法的開發(fā)應用，捷氫做了哪些嘗試？有什么好的經驗可以跟大家分享的？

A：捷氫科技在燃料電池系統(tǒng)中應用人工智能技術解決了復雜狀態(tài)估計和控制問題。譬如，使用MATLAB Deep Learning工具箱，可視化搭建LSTM網絡和基于車載輔助零部件信息的數據驅動分類器模型，成功解決了燃料電池陽極水狀態(tài)估計問題（如圖2所示）。此外，通過使用BP神經網絡建立虛擬傳感器，實現燃料電池陽極氮濃度估算，提升了燃料電池系統(tǒng)的經濟性。

圖2

在設計中，積累了一些經驗和觀察：

1.數據管理和挖掘的重要性：將數據科學技術應用于企業(yè)的研發(fā)和運營，可以提高效率和創(chuàng)造新的價值。您提到了利用數據科學軟硬件技術來管理和挖掘數據，如高性能GPU和云服務等。

2.工程和專業(yè)知識的重要性：在工業(yè)場景中應用人工智能技術，工程和專業(yè)知識與數據科學知識同樣重要。對業(yè)務場景的深入理解有助于將業(yè)務問題轉化為數據科學問題，并將人工智能技術應用于工業(yè)問題。您強調了工程師對業(yè)務場景的理解以及使用適合業(yè)務工程師的數據挖掘和建模工具的重要性。

MATLAB作為一個功能強大的工具和平臺，提供了許多適用于人工智能應用的工作流、算法和工具，如預處理、特征提取、機器學習和深度學習模型的訓練、代碼生成等。此外，MATLAB還具備數據分析、數據管理和部署等端到端的數據科學解決方案，可以應用于各種工業(yè)領域的問題。MATLAB的靈活性、強大的功能和豐富的工具使其成為應用人工智能技術于汽車開發(fā)的理想選擇。

小結

在這次訪談中，我們看到科技和創(chuàng)新在燃料電池汽車發(fā)展中的決定性地位，以及MathWorks在其中所扮演的關鍵角色。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支持，更助推了行業(yè)的進步與創(chuàng)新。我們期待在這個充滿活力的領域，看到更多工程與科學的技術趨勢和進步。