一种多电混合动力系统教学实验平台及教学方法技术方案

本发明专利技术公开的一种多电混合动力系统教学实验平台及教学方法，涉及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，属于多电混合教学实验设备技术领域。本发明专利技术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。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：任选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；进行多电混合动力系统教学实验。本发明专利技术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。

Multi electric hybrid power system teaching experimental platform and teaching method

The invention discloses a multi electric experimental teaching platform and teaching methods of hybrid system for more electric mini UAV platform for experiment teaching and teaching methods of hybrid system, hybrid teaching experimental device belongs to technical field. The invention provides a multi electric teaching experiment platform of hybrid system, including solar power system, hydrogen fuel cell power system, battery power system, energy management system, power control unit, measuring instrument and control object. Also disclosed is based on a multi electric teaching experiment platform of hybrid system experiment method, which comprises the following steps: optional solar power system, hydrogen fuel cell power system, battery power system independent of the basic cognitive performance experiment; multi electric hybrid power system experimental teaching. The invention can visually display the working principle and the basic structure of a multi electric hybrid power system for a small unmanned aerial vehicle, and is convenient for teaching, and is favorable for popularization and cost saving.

【技术实现步骤摘要】
一种多电混合动力系统教学实验平台及教学方法
本专利技术涉及多电混合教学实验设备
，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。
技术介绍
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，UnmannedAerialVehicles)。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。
技术实现思路
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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术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(MaximumPowerPointTracking，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(StateofCharge，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。本专利技术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，分析不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多电混合动力系统教学实验平台，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种多电混合动力系统教学实验平台，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种多电混合动力系统教学实验平台，其特征在于：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(StateofCharge，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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，戴月领，张晓辉，王正平，贺云涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11