本發(fā)明涉及多電混合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于小型無人機(jī)的多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及教學(xué)方法。所述的多電混合動(dòng)力系統(tǒng)包括太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

新能源混合電動(dòng)無人機(jī)是采用新型能源，如蓄電池、太陽能和氫能等，并利用能量轉(zhuǎn)化裝置，如太陽能電池和燃料電池等，將新能源轉(zhuǎn)化為的電能提供動(dòng)力的無人機(jī)(UAVs，Unmanned Aerial Vehicles)。與采用傳統(tǒng)化石燃料無人機(jī)相比，采用的原始能源均為綠色能源，其能源系統(tǒng)功率密度較高，利用的電源種類較多，對(duì)環(huán)境無污染，且其都是轉(zhuǎn)換為電能提供動(dòng)力，具有零排放、低噪聲、紅外信號(hào)不明顯、隱蔽性好等優(yōu)勢，同時(shí)具有超長航時(shí)的潛力，從而更適合執(zhí)行情報(bào)搜集、巡邏監(jiān)視和遠(yuǎn)程偵察等任務(wù)。但是，新能源也各有不足，如太陽能電池轉(zhuǎn)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(yáng)長避短，使各能源不同電特性優(yōu)勢互補(bǔ)，增加整體效率和使用壽命，需要將各能源進(jìn)行混合。與采用單一能源的無人機(jī)(如太陽能無人機(jī))相比，混合動(dòng)力系統(tǒng)避開了結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)，以及氣動(dòng)彈性較大的問題，從而其應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，可以在對(duì)流層內(nèi)的低空使用。因此，混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，也為未來超長航時(shí)無人機(jī)的發(fā)展提供了方向。

技術(shù)推廣、教育先行，作為新能源混合電動(dòng)無人機(jī)技術(shù)推廣，目前部分學(xué)校已經(jīng)開設(shè)相關(guān)課程，但是普遍缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，雖然有的將新能源混合電動(dòng)無人機(jī)實(shí)物作為展示，但不屬于教學(xué)設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中缺少專門用于小型無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠直觀的顯示小型無人機(jī)用多電混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，方便教學(xué)，有利于推廣，節(jié)省開支。所述的多電混合動(dòng)力系統(tǒng)包括太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰x擇單個(gè)能源動(dòng)力的原理和結(jié)構(gòu)教學(xué)，或融合起來進(jìn)行多電混合動(dòng)力系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)教學(xué)。本發(fā)明還公開基于一種多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明公開的一種多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、動(dòng)力控制單元、測力計(jì)和控制對(duì)象。所述的控制對(duì)象包括電子調(diào)速器、電機(jī)和螺旋槳。太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)用于為無人機(jī)提供動(dòng)力；能源管理系統(tǒng)中存有能源控制方法，用于控制各能源的輸出；動(dòng)力控制單元用于反饋校正控制對(duì)象的狀態(tài)和記錄各能源輸出的電壓、電流和功率與測力計(jì)的數(shù)值；測力計(jì)用于測量螺旋槳的拉力。

太陽能電池主要是通過光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)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(guān)，為了使太陽能電池以最大功率輸出，需要最大功率點(diǎn)跟隨器(Maximum Power Point Tracking，MPPT)調(diào)節(jié)輸出電壓。太陽能發(fā)電具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、資源的相對(duì)廣泛性和充足性、長壽性及維護(hù)性等其它常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn),但是實(shí)際應(yīng)用中還存在很多的問題,主要缺點(diǎn)之一是太陽能電池陣列的光電轉(zhuǎn)換效率太低。

太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)包括太陽能電池翼、電子負(fù)載、光強(qiáng)計(jì)、傾角儀和上位機(jī)，太陽能電池與電子負(fù)載相連，上位機(jī)與電子負(fù)載相連，太陽能電池翼將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電子負(fù)載消耗太陽能電池產(chǎn)生的電能，上位機(jī)用來調(diào)節(jié)電子負(fù)載和保存數(shù)據(jù)，光強(qiáng)計(jì)測量實(shí)驗(yàn)時(shí)太陽能電池翼垂直方向的光照強(qiáng)度，傾角儀測量太陽能電池翼與地面的夾角。即實(shí)現(xiàn)太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)特性認(rèn)知教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y量不同角度、不同遮光率等情況下的電流、電壓和光照強(qiáng)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，主要由電極、電解質(zhì)隔膜和集電器的組成。另外燃料電池需要包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和電性能控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)才能工作。燃料電池能量密度高、效率高、污染小、運(yùn)行平穩(wěn)，但功率密度低，達(dá)到額定功率時(shí)間較長。

氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫瓶、流量計(jì)、氫燃料電池堆、電子負(fù)載和上位機(jī)等，儲(chǔ)氫瓶中的氫氣通過流量計(jì)進(jìn)入燃料電池堆，電池堆與電子負(fù)載相連，上位機(jī)連接電子負(fù)載和流量計(jì)。氧化劑與還原劑在燃料電池堆中反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電子負(fù)載消耗產(chǎn)生的電能，上位機(jī)記錄流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)和電子負(fù)載的電流、電壓，即實(shí)現(xiàn)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)特性認(rèn)知教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^記錄的數(shù)據(jù)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，是按可再充設(shè)計(jì)的電池，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電，通常由陰極板、陽極板和電解液構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，但能量密度小。所述的蓄電池優(yōu)選鋰電池。

蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)包括蓄電池、電子負(fù)載、上位機(jī)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(duì)蓄電池進(jìn)行放電，當(dāng)剩余電量(State of Charge，SOC)小于某一值時(shí)，代表蓄電池放電完畢，數(shù)據(jù)由上位機(jī)進(jìn)行記錄，即實(shí)現(xiàn)蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)特性認(rèn)知教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模寒嫵鲂铍姵氐姆蔡匦郧€，以了解蓄電池的電池特性；使用不同的放電倍率進(jìn)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(yōu)選鋰電池。

多電混合動(dòng)力系統(tǒng)包括太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、動(dòng)力裝置等。動(dòng)力裝置由電子調(diào)速器、電機(jī)、螺旋槳、測力計(jì)和動(dòng)力控制單元組成，電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，測力計(jì)測量螺旋槳的推力，將其反饋給動(dòng)力控制單元，以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。能源管理系統(tǒng)還用于根據(jù)無人機(jī)的飛行剖面選擇相應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)，通過動(dòng)力控制單元反饋校正控制對(duì)象的狀態(tài)和記錄各能源輸出的電壓、電流和功率與測力計(jì)的數(shù)值，能源控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和飛行剖面需要選擇下述三種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式：(1)太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式；(2)太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)兩兩組合驅(qū)動(dòng)模式；(3)太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)模式。即實(shí)現(xiàn)多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^不同飛行剖面選擇合適的動(dòng)力系統(tǒng)，快速滿足無人機(jī)飛行的功率需求和長航時(shí)要求。

本發(fā)明還公開基于一種多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

步驟一：任選多電混合動(dòng)力系統(tǒng)中太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

步驟1.1：太陽能電池動(dòng)力系統(tǒng)基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開上位機(jī)和電子負(fù)載，太陽能電池翼正對(duì)太陽，且太陽能電池翼與地面保持一定的夾角，通過上位機(jī)來調(diào)節(jié)電子負(fù)載的電壓以改變太陽能電池翼產(chǎn)生的電流，并記錄電流與電壓的數(shù)值，同時(shí)用光強(qiáng)計(jì)測量出與太陽能電池翼垂直方向的光照強(qiáng)度，電壓值由零改變到太陽能電池翼的開路電壓為一組數(shù)據(jù)，測量完一組數(shù)據(jù)后，改變太陽能電池翼與地面的夾角，繼續(xù)測量電流、電壓與光強(qiáng)，然后繪出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，分析不同角度對(duì)太陽能電池最大功率、最大功率時(shí)的電壓、功率密度和轉(zhuǎn)換效率的影響；同樣的在某一遮光率時(shí)測量電流、電壓、光照強(qiáng)度，然后改變遮光率繼續(xù)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(duì)太陽能電池最大功率、最大功率時(shí)的電壓、功率密度和轉(zhuǎn)換效率的影響；通過電子負(fù)載調(diào)節(jié)負(fù)載階躍變化，測量太陽能電池響應(yīng)時(shí)間。

步驟1.2：氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開上位機(jī)和電子負(fù)載，由上位機(jī)通過流量計(jì)監(jiān)測氫氣流率，氫氣進(jìn)入氫燃料電池堆與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)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(fù)載調(diào)節(jié)負(fù)載階躍變化，測量氫燃料電池響應(yīng)時(shí)間。

步驟1.3：蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行蓄電池充電實(shí)驗(yàn)，將蓄電池與充電器相連，選擇充電模式進(jìn)行充電，然后以不同的放電電流進(jìn)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(shí)間，繪出伏安特性曲線，分析不同放電電流對(duì)蓄電池容量的影響，通過電子負(fù)載調(diào)節(jié)負(fù)載階躍變化，測量蓄電池響應(yīng)時(shí)間。

步驟二：進(jìn)行多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

通過不同飛行剖面選擇合適的動(dòng)力系統(tǒng)，快速滿足無人機(jī)飛行的功率需求和長航時(shí)要求，即完成多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

有益效果：

本發(fā)明公開的一種多電混合動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及教學(xué)方法，利用系統(tǒng)工程原理，根據(jù)模糊邏輯或最優(yōu)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(qū)動(dòng)無人機(jī)運(yùn)行。該教學(xué)設(shè)備將多種能源組合在一起，可以直觀的顯示新能源無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可以進(jìn)行各能源系統(tǒng)的原理實(shí)驗(yàn)，方便教學(xué)，有利于推廣，節(jié)省開支。

附圖說明

圖1為太陽能電池基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

圖2為氫燃料電池基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

圖3為蓄電池基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

圖4為多電混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

圖5為流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。附圖均為示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

圖5為流程圖，先進(jìn)行太陽能電池基本性能實(shí)驗(yàn)、氫燃料電池基本性能和蓄電池基本性能實(shí)驗(yàn)，本次蓄電池選擇鋰電池，對(duì)三種電池的電池特性有一個(gè)基本的了解，然后進(jìn)行多電混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

圖1為太陽能電池基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，太陽能電池翼與電子負(fù)載相連，電子負(fù)載由上位機(jī)控制，光強(qiáng)計(jì)用來測量實(shí)驗(yàn)時(shí)的光照強(qiáng)度，傾角儀測量太陽能電池翼與地面的夾角。

工作時(shí)，先打開上位機(jī)和電子負(fù)載，太陽能電池翼正對(duì)太陽，且太陽能電池翼與地面保持一定的夾角，通過上位機(jī)來調(diào)節(jié)電子負(fù)載的電壓以改變太陽能電池翼產(chǎn)生的電流大小，并記錄電流與電壓的數(shù)值，同時(shí)用光強(qiáng)計(jì)測量出與太陽能電池翼垂直方向的光照強(qiáng)度，電壓值由零改變到太陽能電池翼的開路電壓為一組數(shù)據(jù)，測量完一組數(shù)據(jù)后，改變太陽能電池翼與地面的夾角，繼續(xù)測量電流、電壓與光強(qiáng)，然后繪出伏安特性曲線和電壓-功率曲線，分析不同角度對(duì)太陽能電池最大功率、最大功率時(shí)的電壓、功率密度和轉(zhuǎn)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(shí)測量電流、電壓、光照強(qiáng)度，然后改變遮光率繼續(xù)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(duì)太陽能電池最大功率、最大功率時(shí)的電壓、功率密度和轉(zhuǎn)換效率的影響；通過電子負(fù)載調(diào)節(jié)負(fù)載階躍變化，測量太陽能電池響應(yīng)時(shí)間。

圖2為氫燃料電池基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，儲(chǔ)氫瓶通過流量計(jì)連接到氫燃料電池堆上，由流量計(jì)監(jiān)控氫氣流量，并由上位機(jī)記錄氫氣流量、燃料電池電流和電壓。工作時(shí)由上位機(jī)通過流量計(jì)監(jiān)測氫氣流率，氫氣進(jìn)入氫燃料電池堆與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電流，不斷改變電子負(fù)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(fù)載調(diào)節(jié)負(fù)載階躍變化，測量氫燃料電池電池響應(yīng)時(shí)間。

圖3為蓄電池基本性能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，優(yōu)選3s鋰電池進(jìn)行試驗(yàn)首先進(jìn)行鋰電池充電實(shí)驗(yàn)；然后以不同的放電電流進(jìn)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(shí)間，繪出伏安特性曲線，分析不同放電電流對(duì)鋰電池容量的影響，通過電子負(fù)載調(diào)節(jié)負(fù)載階躍變化，測量鋰電池響應(yīng)時(shí)間。比較三種電池的響應(yīng)時(shí)間，可知鋰電池響應(yīng)時(shí)間最短，速度最快，因此在無人機(jī)起飛階段應(yīng)該用鋰電池進(jìn)行供電。

圖4為多電混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，太陽能電池通過MPPT與能源管理系統(tǒng)相連，鋰電池直接與能源管理系統(tǒng)相連，儲(chǔ)氫瓶與燃料電池堆相連，能源管理系統(tǒng)與電子調(diào)速器相連，電子調(diào)速器與電動(dòng)機(jī)連接，電動(dòng)機(jī)連接螺旋槳，驅(qū)動(dòng)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)。由上述太陽能電池認(rèn)知實(shí)驗(yàn)可以得到太陽能電池的最大功率，設(shè)置MPPT使太陽能電池以最大功率輸出；由氫燃料電池認(rèn)知實(shí)驗(yàn)可得氫燃料電池的最大功率，設(shè)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(jù)情況進(jìn)行修改。

工作時(shí)，先模擬起飛階段，由鋰電池進(jìn)行供電，但鋰電池的供電時(shí)間不能超過在該電流下的放電時(shí)間，以防鋰電池過放，損壞電池。起飛后，由太陽能電池進(jìn)行供電，能源管理系統(tǒng)根據(jù)能源管理方法，判斷太陽能電池是否能完全滿足無人機(jī)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(dāng)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(tài)，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(jī)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(jī)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(yīng)盡快使無人機(jī)降落。

本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。