[發(fā)明專利]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

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710155826.9
• 申請(qǐng)日: 2017-03-16
• 公開（公告）號(hào): CN106782024A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉莉;戴月領(lǐng);張曉輝;王正平;賀云濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G09B25/02
• 分類號(hào): G09B25/02
• 代理公司: 北京理工正陽知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11639
• 代理人: 毛燕

技術(shù)領(lǐng)域

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(shì)，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(shì)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。

發(fā)明內(nèi)容

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(cè)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(cè)力計(jì)的數(shù)值；測(cè)力計(jì)用于測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。