一种多电混合动力系统教学实验平台及教学方法与流程

本发明涉及多电混合教学实验设备技术领域，特别是涉及一种用于小型无人机的多电混合动力系统教学实验平台及教学方法。所述的多电混合动力系统包括太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统和蓄电池动力系统。

背景技术：

新能源混合电动无人机是采用新型能源，如蓄电池、太阳能和氢能等，并利用能量转化装置，如太阳能电池和燃料电池等，将新能源转化为的电能提供动力的无人机(UAVs，Unmanned Aerial Vehicles)。与采用传统化石燃料无人机相比，采用的原始能源均为绿色能源，其能源系统功率密度较高，利用的电源种类较多，对环境无污染，且其都是转换为电能提供动力，具有零排放、低噪声、红外信号不明显、隐蔽性好等优势，同时具有超长航时的潜力，从而更适合执行情报搜集、巡逻监视和远程侦察等任务。但是，新能源也各有不足，如太阳能电池转换效率低、燃料电池功率密度低、蓄电池能量密度低，因此为了扬长避短，使各能源不同电特性优势互补，增加整体效率和使用寿命，需要将各能源进行混合。与采用单一能源的无人机(如太阳能无人机)相比，混合动力系统避开了结构的极限设计，以及气动弹性较大的问题，从而其应用领域更广泛，可以在对流层内的低空使用。因此，混合动力系统逐渐成为国内外研究的热点，也为未来超长航时无人机的发展提供了方向。

技术推广、教育先行，作为新能源混合电动无人机技术推广，目前部分学校已经开设相关课程，但是普遍缺少实验设备，虽然有的将新能源混合电动无人机实物作为展示，但不属于教学设备。

技术实现要素：

针对现有技术中缺少专门用于小型无人机的动力系统实验教学平台。本发明要解决的技术问题是提供一种多电混合动力系统教学实验平台，能够直观的显示小型无人机用多电混合动力系统的工作原理和基本结构，方便教学，有利于推广，节省开支。所述的多电混合动力系统包括太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统和蓄电池动力系统。本实验平台根据教学实验目的需要选择单个能源动力的原理和结构教学，或融合起来进行多电混合动力系统的原理和结构教学。本发明还公开基于一种多电混合动力系统教学实验平台实现的教学实验方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种多电混合动力系统教学实验平台，包括太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、蓄电池动力系统、能源管理系统、动力控制单元、测力计和控制对象。所述的控制对象包括电子调速器、电机和螺旋桨。太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统和蓄电池动力系统用于为无人机提供动力；能源管理系统中存有能源控制方法，用于控制各能源的输出；动力控制单元用于反馈校正控制对象的状态和记录各能源输出的电压、电流和功率与测力计的数值；测力计用于测量螺旋桨的拉力。

太阳能电池主要是通过光电效应将光能直接转换为电能的装置，通常由晶体硅太阳电池片或薄膜太阳能电池片组成。太阳能电池的输出功率与输出电压有关，为了使太阳能电池以最大功率输出，需要最大功率点跟随器(Maximum Power Point Tracking，MPPT)调节输出电压。太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点,但是实际应用中还存在很多的问题,主要缺点之一是太阳能电池阵列的光电转换效率太低。

太阳能电池动力系统包括太阳能电池翼、电子负载、光强计、倾角仪和上位机，太阳能电池与电子负载相连，上位机与电子负载相连，太阳能电池翼将太阳能转化为电能，电子负载消耗太阳能电池产生的电能，上位机用来调节电子负载和保存数据，光强计测量实验时太阳能电池翼垂直方向的光照强度，倾角仪测量太阳能电池翼与地面的夹角。即实现太阳能电池动力系统特性认知教学实验目的：测量不同角度、不同遮光率等情况下的电流、电压和光照强度，并画出伏安特性曲线以及最大功率曲线等，以便于了解太阳能电池的电池特性。

氢燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂之中的化学能直接转化为电能的发电装置，主要由电极、电解质隔膜和集电器的组成。另外燃料电池需要包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统和电性能控制系统等辅助系统才能工作。燃料电池能量密度高、效率高、污染小、运行平稳，但功率密度低，达到额定功率时间较长。

氢燃料电池动力系统包括储氢瓶、流量计、氢燃料电池堆、电子负载和上位机等，储氢瓶中的氢气通过流量计进入燃料电池堆，电池堆与电子负载相连，上位机连接电子负载和流量计。氧化剂与还原剂在燃料电池堆中反应，将化学能转化为电能，电子负载消耗产生的电能，上位机记录流量计的流量数据和电子负载的电流、电压，即实现氢燃料电池动力系统特性认知教学实验目的：通过记录的数据画出伏安特性曲线和电压-功率曲线，以便于了解氢燃料电池的电池特性。

蓄电池是将化学能直接转化为电能的发电装置，是按可再充设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常由阴极板、阳极板和电解液构成。蓄电池具有功率密度高、输出功率大、可快速充放电、充电效率高等优点，但能量密度小。所述的蓄电池优选锂电池。

蓄电池动力系统包括蓄电池、电子负载、上位机和充电器，蓄电池使用前要先用充电器将蓄电池电量充满，然后对蓄电池进行放电，当剩余电量(State of Charge，SOC)小于某一值时，代表蓄电池放电完毕，数据由上位机进行记录，即实现蓄电池动力系统特性认知教学实验目的：画出蓄电池的伏安特性曲线，以了解蓄电池的电池特性；使用不同的放电倍率进行放电，观察不同放电倍率下蓄电池容量的变化。所述的蓄电池优选锂电池。

多电混合动力系统包括太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、蓄电池动力系统、能源管理系统、动力装置等。动力装置由电子调速器、电机、螺旋桨、测力计和动力控制单元组成，电子调速器调节电机转速，电机带动螺旋桨转动，测力计测量螺旋桨的推力，将其反馈给动力控制单元，以实现对转速的调节。能源管理系统还用于根据无人机的飞行剖面选择相应的动力系统，通过动力控制单元反馈校正控制对象的状态和记录各能源输出的电压、电流和功率与测力计的数值，能源控制系统根据实验教学目的和飞行剖面需要选择下述三种动力驱动模式：(1)太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、蓄电池动力系统独立驱动模式；(2)太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、蓄电池动力系统两两组合驱动模式；(3)太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、蓄电池动力系统共同驱动模式。即实现多电混合动力系统教学实验目的：通过不同飞行剖面选择合适的动力系统，快速满足无人机飞行的功率需求和长航时要求。

本发明还公开基于一种多电混合动力系统教学实验平台实现的教学实验方法，包括如下步骤：

步骤一：任选多电混合动力系统中太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、蓄电池动力系统独立进行基本性能认知实验。

步骤1.1：太阳能电池动力系统基本性能认知实验时，打开上位机和电子负载，太阳能电池翼正对太阳，且太阳能电池翼与地面保持一定的夹角，通过上位机来调节电子负载的电压以改变太阳能电池翼产生的电流，并记录电流与电压的数值，同时用光强计测量出与太阳能电池翼垂直方向的光照强度，电压值由零改变到太阳能电池翼的开路电压为一组数据，测量完一组数据后，改变太阳能电池翼与地面的夹角，继续测量电流、电压与光强，然后绘出伏安特性曲线和电压-功率曲线，分析不同角度对太阳能电池最大功率、最大功率时的电压、功率密度和转换效率的影响；同样的在某一遮光率时测量电流、电压、光照强度，然后改变遮光率继续测量，然后绘出伏安特性曲线和电压-功率曲线，分析不同遮光率对太阳能电池最大功率、最大功率时的电压、功率密度和转换效率的影响；通过电子负载调节负载阶跃变化，测量太阳能电池响应时间。

步骤1.2：氢燃料电池动力系统基本性能认知实验时，打开上位机和电子负载，由上位机通过流量计监测氢气流率，氢气进入氢燃料电池堆与空气中的氧气发生反应，产生电流，测量燃料电池的电流、电压，绘出伏安特性曲线，了解氢燃料电池的电池特性，找到最大功率；通过电子负载调节负载阶跃变化，测量氢燃料电池响应时间。

步骤1.3：蓄电池动力系统基本性能认知实验时，首先进行蓄电池充电实验，将蓄电池与充电器相连，选择充电模式进行充电，然后以不同的放电电流进行放电，测量电流、电压和电池容量，还有不同放电电流下的放电时间，绘出伏安特性曲线，分析不同放电电流对蓄电池容量的影响，通过电子负载调节负载阶跃变化，测量蓄电池响应时间。

步骤二：进行多电混合动力系统教学实验。

通过不同飞行剖面选择合适的动力系统，快速满足无人机飞行的功率需求和长航时要求，即完成多电混合动力系统教学实验。

有益效果：

本发明公开的一种多电混合动力系统教学实验平台及教学方法，利用系统工程原理，根据模糊逻辑或最优控制等方法，将太阳能、氢燃料电池和蓄电池等能源融合在一起，共同驱动无人机运行。该教学设备将多种能源组合在一起，可以直观的显示新能源无人机动力系统的工作原理和基本结构，同时还可以进行各能源系统的原理实验，方便教学，有利于推广，节省开支。

附图说明

图1为太阳能电池基本性能认知实验系统；

图2为氢燃料电池基本性能认知实验系统；

图3为蓄电池基本性能认知实验系统；

图4为多电混合动力系统实验平台；

图5为流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。附图均为示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此仅显示与本发明有关的构成。

图5为流程图，先进行太阳能电池基本性能实验、氢燃料电池基本性能和蓄电池基本性能实验，本次蓄电池选择锂电池，对三种电池的电池特性有一个基本的了解，然后进行多电混合动力系统实验。

图1为太阳能电池基本性能认知实验系统，太阳能电池翼与电子负载相连，电子负载由上位机控制，光强计用来测量实验时的光照强度，倾角仪测量太阳能电池翼与地面的夹角。

工作时，先打开上位机和电子负载，太阳能电池翼正对太阳，且太阳能电池翼与地面保持一定的夹角，通过上位机来调节电子负载的电压以改变太阳能电池翼产生的电流大小，并记录电流与电压的数值，同时用光强计测量出与太阳能电池翼垂直方向的光照强度，电压值由零改变到太阳能电池翼的开路电压为一组数据，测量完一组数据后，改变太阳能电池翼与地面的夹角，继续测量电流、电压与光强，然后绘出伏安特性曲线和电压-功率曲线，分析不同角度对太阳能电池最大功率、最大功率时的电压、功率密度和转换效率的影响；同样的保持太阳能电池翼与地面夹角为0°，在某一遮光率时测量电流、电压、光照强度，然后改变遮光率继续测量，然后绘出伏安特性曲线和电压-功率曲线，分析不同遮光率对太阳能电池最大功率、最大功率时的电压、功率密度和转换效率的影响；通过电子负载调节负载阶跃变化，测量太阳能电池响应时间。

图2为氢燃料电池基本性能认知实验系统，储氢瓶通过流量计连接到氢燃料电池堆上，由流量计监控氢气流量，并由上位机记录氢气流量、燃料电池电流和电压。工作时由上位机通过流量计监测氢气流率，氢气进入氢燃料电池堆与空气中的氧气发生反应，产生电流，不断改变电子负载的电压，测量燃料电池的电流、电压，绘出伏安特性曲线，了解氢燃料电池的电池特性，找到最大功率；通过电子负载调节负载阶跃变化，测量氢燃料电池电池响应时间。

图3为蓄电池基本性能认知实验系统，优选3s锂电池进行试验首先进行锂电池充电实验；然后以不同的放电电流进行放电，测量电流、电压和电池容量，还有不同放电电流下的放电时间，绘出伏安特性曲线，分析不同放电电流对锂电池容量的影响，通过电子负载调节负载阶跃变化，测量锂电池响应时间。比较三种电池的响应时间，可知锂电池响应时间最短，速度最快，因此在无人机起飞阶段应该用锂电池进行供电。

图4为多电混合动力系统实验平台，太阳能电池通过MPPT与能源管理系统相连，锂电池直接与能源管理系统相连，储氢瓶与燃料电池堆相连，能源管理系统与电子调速器相连，电子调速器与电动机连接，电动机连接螺旋桨，驱动无人机运动。由上述太阳能电池认知实验可以得到太阳能电池的最大功率，设置MPPT使太阳能电池以最大功率输出；由氢燃料电池认知实验可得氢燃料电池的最大功率，设置其以最大功率输出。将能源管理算法烧入能源管理控制器，并可根据情况进行修改。

工作时，先模拟起飞阶段，由锂电池进行供电，但锂电池的供电时间不能超过在该电流下的放电时间，以防锂电池过放，损坏电池。起飞后，由太阳能电池进行供电，能源管理系统根据能源管理方法，判断太阳能电池是否能完全满足无人机的总需求功率。如果不能满足需求，由锂电池提供不足的功率，当锂电池剩余电量小于某一值后由氢燃料电池提供不足的功率。如果太阳能电池能满足功率需求，则功率全部由太阳能电池提供。如果太阳能电池能功率大于功率需求，检查锂电池电量，如果锂电池不是满电状态，则太阳能电池多余功率给锂电池充电，如果锂电池满电，无人机通过增大功率消耗多余的功率。如果太阳能电池不能满足无人机的需求功率，且锂电池的电量和氢燃料电池的氢气均消耗完毕，则应尽快使无人机降落。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。