一種多電混合動力系統教學實驗平臺及教學方法與流程

本發明涉及多電混合教學實驗設備技術領域，特別是涉及一種用于小型無人機的多電混合動力系統教學實驗平臺及教學方法。所述的多電混合動力系統包括太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統和蓄電池動力系統。

背景技術：

新能源混合電動無人機是采用新型能源，如蓄電池、太陽能和氫能等，并利用能量轉化裝置，如太陽能電池和燃料電池等，將新能源轉化為的電能提供動力的無人機(UAVs，Unmanned Aerial Vehicles)。與采用傳統化石燃料無人機相比，采用的原始能源均為綠色能源，其能源系統功率密度較高，利用的電源種類較多，對環境無污染，且其都是轉換為電能提供動力，具有零排放、低噪聲、紅外信號不明顯、隱蔽性好等優勢，同時具有超長航時的潛力，從而更適合執行情報搜集、巡邏監視和遠程偵察等任務。但是，新能源也各有不足，如太陽能電池轉換效率低、燃料電池功率密度低、蓄電池能量密度低，因此為了揚長避短，使各能源不同電特性優勢互補，增加整體效率和使用壽命，需要將各能源進行混合。與采用單一能源的無人機(如太陽能無人機)相比，混合動力系統避開了結構的極限設計，以及氣動彈性較大的問題，從而其應用領域更廣泛，可以在對流層內的低空使用。因此，混合動力系統逐漸成為國內外研究的熱點，也為未來超長航時無人機的發展提供了方向。

技術推廣、教育先行，作為新能源混合電動無人機技術推廣，目前部分學校已經開設相關課程，但是普遍缺少實驗設備，雖然有的將新能源混合電動無人機實物作為展示，但不屬于教學設備。

技術實現要素：

針對現有技術中缺少專門用于小型無人機的動力系統實驗教學平臺。本發明要解決的技術問題是提供一種多電混合動力系統教學實驗平臺，能夠直觀的顯示小型無人機用多電混合動力系統的工作原理和基本結構，方便教學，有利于推廣，節省開支。所述的多電混合動力系統包括太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統和蓄電池動力系統。本實驗平臺根據教學實驗目的需要選擇單個能源動力的原理和結構教學，或融合起來進行多電混合動力系統的原理和結構教學。本發明還公開基于一種多電混合動力系統教學實驗平臺實現的教學實驗方法。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

本發明公開的一種多電混合動力系統教學實驗平臺，包括太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統、蓄電池動力系統、能源管理系統、動力控制單元、測力計和控制對象。所述的控制對象包括電子調速器、電機和螺旋槳。太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統和蓄電池動力系統用于為無人機提供動力；能源管理系統中存有能源控制方法，用于控制各能源的輸出；動力控制單元用于反饋校正控制對象的狀態和記錄各能源輸出的電壓、電流和功率與測力計的數值；測力計用于測量螺旋槳的拉力。

太陽能電池主要是通過光電效應將光能直接轉換為電能的裝置，通常由晶體硅太陽電池片或薄膜太陽能電池片組成。太陽能電池的輸出功率與輸出電壓有關，為了使太陽能電池以最大功率輸出，需要最大功率點跟隨器(Maximum Power Point Tracking，MPPT)調節輸出電壓。太陽能發電具有充分的清潔性、絕對的安全性、資源的相對廣泛性和充足性、長壽性及維護性等其它常規能源所不具備的優點,但是實際應用中還存在很多的問題,主要缺點之一是太陽能電池陣列的光電轉換效率太低。

太陽能電池動力系統包括太陽能電池翼、電子負載、光強計、傾角儀和上位機，太陽能電池與電子負載相連，上位機與電子負載相連，太陽能電池翼將太陽能轉化為電能，電子負載消耗太陽能電池產生的電能，上位機用來調節電子負載和保存數據，光強計測量實驗時太陽能電池翼垂直方向的光照強度，傾角儀測量太陽能電池翼與地面的夾角。即實現太陽能電池動力系統特性認知教學實驗目的：測量不同角度、不同遮光率等情況下的電流、電壓和光照強度，并畫出伏安特性曲線以及最大功率曲線等，以便于了解太陽能電池的電池特性。

氫燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑之中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，主要由電極、電解質隔膜和集電器的組成。另外燃料電池需要包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統和電性能控制系統等輔助系統才能工作。燃料電池能量密度高、效率高、污染小、運行平穩，但功率密度低，達到額定功率時間較長。

氫燃料電池動力系統包括儲氫瓶、流量計、氫燃料電池堆、電子負載和上位機等，儲氫瓶中的氫氣通過流量計進入燃料電池堆，電池堆與電子負載相連，上位機連接電子負載和流量計。氧化劑與還原劑在燃料電池堆中反應，將化學能轉化為電能，電子負載消耗產生的電能，上位機記錄流量計的流量數據和電子負載的電流、電壓，即實現氫燃料電池動力系統特性認知教學實驗目的：通過記錄的數據畫出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，以便于了解氫燃料電池的電池特性。

蓄電池是將化學能直接轉化為電能的發電裝置，是按可再充設計的電池，通過可逆的化學反應實現再充電，通常由陰極板、陽極板和電解液構成。蓄電池具有功率密度高、輸出功率大、可快速充放電、充電效率高等優點，但能量密度小。所述的蓄電池優選鋰電池。

蓄電池動力系統包括蓄電池、電子負載、上位機和充電器，蓄電池使用前要先用充電器將蓄電池電量充滿，然后對蓄電池進行放電，當剩余電量(State of Charge，SOC)小于某一值時，代表蓄電池放電完畢，數據由上位機進行記錄，即實現蓄電池動力系統特性認知教學實驗目的：畫出蓄電池的伏安特性曲線，以了解蓄電池的電池特性；使用不同的放電倍率進行放電，觀察不同放電倍率下蓄電池容量的變化。所述的蓄電池優選鋰電池。

多電混合動力系統包括太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統、蓄電池動力系統、能源管理系統、動力裝置等。動力裝置由電子調速器、電機、螺旋槳、測力計和動力控制單元組成，電子調速器調節電機轉速，電機帶動螺旋槳轉動，測力計測量螺旋槳的推力，將其反饋給動力控制單元，以實現對轉速的調節。能源管理系統還用于根據無人機的飛行剖面選擇相應的動力系統，通過動力控制單元反饋校正控制對象的狀態和記錄各能源輸出的電壓、電流和功率與測力計的數值，能源控制系統根據實驗教學目的和飛行剖面需要選擇下述三種動力驅動模式：(1)太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統、蓄電池動力系統獨立驅動模式；(2)太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統、蓄電池動力系統兩兩組合驅動模式；(3)太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統、蓄電池動力系統共同驅動模式。即實現多電混合動力系統教學實驗目的：通過不同飛行剖面選擇合適的動力系統，快速滿足無人機飛行的功率需求和長航時要求。

本發明還公開基于一種多電混合動力系統教學實驗平臺實現的教學實驗方法，包括如下步驟：

步驟一：任選多電混合動力系統中太陽能電池動力系統、氫燃料電池動力系統、蓄電池動力系統獨立進行基本性能認知實驗。

步驟1.1：太陽能電池動力系統基本性能認知實驗時，打開上位機和電子負載，太陽能電池翼正對太陽，且太陽能電池翼與地面保持一定的夾角，通過上位機來調節電子負載的電壓以改變太陽能電池翼產生的電流，并記錄電流與電壓的數值，同時用光強計測量出與太陽能電池翼垂直方向的光照強度，電壓值由零改變到太陽能電池翼的開路電壓為一組數據，測量完一組數據后，改變太陽能電池翼與地面的夾角，繼續測量電流、電壓與光強，然后繪出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，分析不同角度對太陽能電池最大功率、最大功率時的電壓、功率密度和轉換效率的影響；同樣的在某一遮光率時測量電流、電壓、光照強度，然后改變遮光率繼續測量，然后繪出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，分析不同遮光率對太陽能電池最大功率、最大功率時的電壓、功率密度和轉換效率的影響；通過電子負載調節負載階躍變化，測量太陽能電池響應時間。

步驟1.2：氫燃料電池動力系統基本性能認知實驗時，打開上位機和電子負載，由上位機通過流量計監測氫氣流率，氫氣進入氫燃料電池堆與空氣中的氧氣發生反應，產生電流，測量燃料電池的電流、電壓，繪出伏安特性曲線，了解氫燃料電池的電池特性，找到最大功率；通過電子負載調節負載階躍變化，測量氫燃料電池響應時間。

步驟1.3：蓄電池動力系統基本性能認知實驗時，首先進行蓄電池充電實驗，將蓄電池與充電器相連，選擇充電模式進行充電，然后以不同的放電電流進行放電，測量電流、電壓和電池容量，還有不同放電電流下的放電時間，繪出伏安特性曲線，分析不同放電電流對蓄電池容量的影響，通過電子負載調節負載階躍變化，測量蓄電池響應時間。

步驟二：進行多電混合動力系統教學實驗。

通過不同飛行剖面選擇合適的動力系統，快速滿足無人機飛行的功率需求和長航時要求，即完成多電混合動力系統教學實驗。

有益效果：

本發明公開的一種多電混合動力系統教學實驗平臺及教學方法，利用系統工程原理，根據模糊邏輯或最優控制等方法，將太陽能、氫燃料電池和蓄電池等能源融合在一起，共同驅動無人機運行。該教學設備將多種能源組合在一起，可以直觀的顯示新能源無人機動力系統的工作原理和基本結構，同時還可以進行各能源系統的原理實驗，方便教學，有利于推廣，節省開支。

附圖說明

圖1為太陽能電池基本性能認知實驗系統；

圖2為氫燃料電池基本性能認知實驗系統；

圖3為蓄電池基本性能認知實驗系統；

圖4為多電混合動力系統實驗平臺；

圖5為流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進一步說明。附圖均為示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此僅顯示與本發明有關的構成。

圖5為流程圖，先進行太陽能電池基本性能實驗、氫燃料電池基本性能和蓄電池基本性能實驗，本次蓄電池選擇鋰電池，對三種電池的電池特性有一個基本的了解，然后進行多電混合動力系統實驗。

圖1為太陽能電池基本性能認知實驗系統，太陽能電池翼與電子負載相連，電子負載由上位機控制，光強計用來測量實驗時的光照強度，傾角儀測量太陽能電池翼與地面的夾角。

工作時，先打開上位機和電子負載，太陽能電池翼正對太陽，且太陽能電池翼與地面保持一定的夾角，通過上位機來調節電子負載的電壓以改變太陽能電池翼產生的電流大小，并記錄電流與電壓的數值，同時用光強計測量出與太陽能電池翼垂直方向的光照強度，電壓值由零改變到太陽能電池翼的開路電壓為一組數據，測量完一組數據后，改變太陽能電池翼與地面的夾角，繼續測量電流、電壓與光強，然后繪出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，分析不同角度對太陽能電池最大功率、最大功率時的電壓、功率密度和轉換效率的影響；同樣的保持太陽能電池翼與地面夾角為0°，在某一遮光率時測量電流、電壓、光照強度，然后改變遮光率繼續測量，然后繪出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，分析不同遮光率對太陽能電池最大功率、最大功率時的電壓、功率密度和轉換效率的影響；通過電子負載調節負載階躍變化，測量太陽能電池響應時間。

圖2為氫燃料電池基本性能認知實驗系統，儲氫瓶通過流量計連接到氫燃料電池堆上，由流量計監控氫氣流量，并由上位機記錄氫氣流量、燃料電池電流和電壓。工作時由上位機通過流量計監測氫氣流率，氫氣進入氫燃料電池堆與空氣中的氧氣發生反應，產生電流，不斷改變電子負載的電壓，測量燃料電池的電流、電壓，繪出伏安特性曲線，了解氫燃料電池的電池特性，找到最大功率；通過電子負載調節負載階躍變化，測量氫燃料電池電池響應時間。

圖3為蓄電池基本性能認知實驗系統，優選3s鋰電池進行試驗首先進行鋰電池充電實驗；然后以不同的放電電流進行放電，測量電流、電壓和電池容量，還有不同放電電流下的放電時間，繪出伏安特性曲線，分析不同放電電流對鋰電池容量的影響，通過電子負載調節負載階躍變化，測量鋰電池響應時間。比較三種電池的響應時間，可知鋰電池響應時間最短，速度最快，因此在無人機起飛階段應該用鋰電池進行供電。

圖4為多電混合動力系統實驗平臺，太陽能電池通過MPPT與能源管理系統相連，鋰電池直接與能源管理系統相連，儲氫瓶與燃料電池堆相連，能源管理系統與電子調速器相連，電子調速器與電動機連接，電動機連接螺旋槳，驅動無人機運動。由上述太陽能電池認知實驗可以得到太陽能電池的最大功率，設置MPPT使太陽能電池以最大功率輸出；由氫燃料電池認知實驗可得氫燃料電池的最大功率，設置其以最大功率輸出。將能源管理算法燒入能源管理控制器，并可根據情況進行修改。

工作時，先模擬起飛階段，由鋰電池進行供電，但鋰電池的供電時間不能超過在該電流下的放電時間，以防鋰電池過放，損壞電池。起飛后，由太陽能電池進行供電，能源管理系統根據能源管理方法，判斷太陽能電池是否能完全滿足無人機的總需求功率。如果不能滿足需求，由鋰電池提供不足的功率，當鋰電池剩余電量小于某一值后由氫燃料電池提供不足的功率。如果太陽能電池能滿足功率需求，則功率全部由太陽能電池提供。如果太陽能電池能功率大于功率需求，檢查鋰電池電量，如果鋰電池不是滿電狀態，則太陽能電池多余功率給鋰電池充電，如果鋰電池滿電，無人機通過增大功率消耗多余的功率。如果太陽能電池不能滿足無人機的需求功率，且鋰電池的電量和氫燃料電池的氫氣均消耗完畢，則應盡快使無人機降落。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。