[發(fā)明專(zhuān)利]一種燃料電池蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能源管理試驗(yàn)平臺(tái)及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710563837.0
• 申請(qǐng)日: 2017-07-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107390128A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉莉;張曉輝;戴月領(lǐng);沈輝;劉剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01R31/36
• 分類(lèi)號(hào): G01R31/36
• 代理公司: 北京理工正陽(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11639
• 代理人: 唐華

1.一種燃料電池蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能源管理試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于：包括混合能源系統(tǒng)、能源管理控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬系統(tǒng)；所述的混合能源系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫裝置、流量計(jì)、燃料電池系統(tǒng)和蓄電池；能源管理控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、能源管理控制器、電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器和電流電壓傳感器；動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬系統(tǒng)即為可編程電子負(fù)載；

燃料電池系統(tǒng)作為混合能源系統(tǒng)主能源，高功率密度的蓄電池作為輔助能源，可編程電子負(fù)載對(duì)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程的需求功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，燃料電池系統(tǒng)由能源管理控制器直接控制；流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池消耗的瞬時(shí)氫氣流率，并發(fā)送給能源管理控制器，能源管理控制器通過(guò)電流電壓傳感器獲取蓄電池和直流母線的電壓和電流，從而得到當(dāng)前的需求功率；根據(jù)待測(cè)試的在線能源管理算法，產(chǎn)生電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流和電壓的控制指令，并發(fā)送給電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器，以控制燃料電池系統(tǒng)的輸出功率，根據(jù)功率平衡的原則，蓄電池則被動(dòng)跟隨剩余的需求功率，若剩余需求功率為負(fù)，則燃料電池系統(tǒng)為蓄電池充電；燃料電池系統(tǒng)和蓄電池的放電情況全部由待測(cè)試的在線能源管理算法決定。

2.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能源管理試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于：能源管理控制器包括微處理器、CAN總線通信接口、串口通信接口、ADC模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、LCD顯示單元和按鍵模塊單元；第一串口通信接口用于所有采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的存儲(chǔ)；第二串口通信接口用于流量計(jì)的通信以采集氫氣消耗的瞬時(shí)流率；第三串口通信接口發(fā)送電流、電壓或功率控制命令，用于可編程電子負(fù)載的控制，實(shí)現(xiàn)模擬無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中動(dòng)態(tài)功率需求；CAN總線通信接口用于與燃料電池系統(tǒng)控制板和電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的通信，與燃料電池系統(tǒng)控制板的通信實(shí)現(xiàn)收集燃料電池堆溫度，風(fēng)扇開(kāi)度以及燃料電池系統(tǒng)輸出電流信息；與電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的通信用于獲得DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電流/電壓，以及DC/DC轉(zhuǎn)換器本身的溫度信息，同時(shí)控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，以及限制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流；ADC模塊用于采集蓄電池和直流母線上的電流和電壓的模擬量信號(hào)，根據(jù)一定的線性關(guān)系將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為實(shí)際電流電壓的數(shù)字量，用以計(jì)算直流母線需求功率和蓄電池的當(dāng)前剩余電量SOC狀態(tài)；微處理器根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行剖面的需求功率信息生成可編程電子負(fù)載的控制指令，并通過(guò)第三串口通信接口發(fā)送；同時(shí)微處理器處理所有接口采集的信息，并根據(jù)嵌入待測(cè)試的在線能源管理算法，產(chǎn)生電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流和電壓控制指令，并通過(guò)CAN總線通信接口發(fā)送；最后，將所有采集的狀態(tài)信息和控制指令信息通過(guò)第一串口通信接口保存至存儲(chǔ)單元，且在LCD顯示單元上顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息，按鍵模塊單元含有多個(gè)按鍵分別用于能源管理控制器的復(fù)位和開(kāi)啟功能程序。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種燃料電池蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能源管理試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于：電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器作為能源管理的執(zhí)行部件，用于控制燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓，同時(shí)限定燃料電池系統(tǒng)的輸出電流，從而控制燃料電池系統(tǒng)的輸出功率；電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器還起到穩(wěn)定直流母線電壓的目的，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓與蓄電池進(jìn)行匹配，調(diào)節(jié)限流以對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制；電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器包括降壓型DC/DC模塊、轉(zhuǎn)換器的ADC模塊、DAC模塊、微處理器、CAN總線通信接口、溫度傳感器、散熱風(fēng)扇和電流電壓采樣電阻；CAN總線通信接口接收能源管理控制器發(fā)來(lái)的數(shù)字控制指令，并通過(guò)DAC模塊轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)模擬電壓用于對(duì)降壓型DC/DC模塊的控制；而電流采樣電阻和電壓采樣電阻用于測(cè)量輸入輸出的電流和電壓；溫度傳感器用于檢測(cè)降壓型DC/DC模塊的發(fā)熱程度，以便通過(guò)微處理器控制風(fēng)扇散熱，從而提高DC/DC轉(zhuǎn)換效率；此外，微處理器將采集的輸入輸出電流、電壓和溫度信息通過(guò)CAN總線通信接口發(fā)送給能源管理控制器。

4.一種燃料電池蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能源管理試驗(yàn)方法，基于所述的一種燃料電池蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能源管理試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，其特征在于：包括如下步驟，步驟1：試驗(yàn)硬件設(shè)備準(zhǔn)備；

準(zhǔn)備試驗(yàn)平臺(tái)所需設(shè)備，斷開(kāi)蓄電池連接插頭，關(guān)閉儲(chǔ)氫裝置閥門(mén)旋鈕，能源管理控制器和可編程電子負(fù)載均斷電；

步驟2：待測(cè)試的在線能源管理算法初始化準(zhǔn)備；

上位機(jī)開(kāi)啟，能源管理控制器上電，通過(guò)上位機(jī)將待測(cè)試的在線能源管理算法程序進(jìn)行初始化賦值，包括蓄電池初始電量SOC0、蓄電池總?cè)萘縌0、電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器預(yù)設(shè)的初始化輸出電壓UDC0和初始限流IDC0；然后進(jìn)行編譯，調(diào)試，下載至能源管理控制器，通過(guò)能源管理控制器的LCD顯示單元判斷是否下載成功，初始化是否正常，若正常則待測(cè)試的在線能源管理算法初始化準(zhǔn)備完畢可執(zhí)行步驟3，否則，調(diào)試后繼續(xù)執(zhí)行步驟2；

步驟3：電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器初始化；

電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器上電，能源管理控制器復(fù)位，儲(chǔ)氫裝置閥門(mén)打開(kāi)，燃料電池系統(tǒng)進(jìn)氫，流量計(jì)顯示進(jìn)氫流率，燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)，DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入端有電壓且在能源管理控制器的LCD顯示單元上顯示正常；此時(shí)，測(cè)量DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是否為步驟2中預(yù)設(shè)的初始化輸出電壓UDC0，若是則進(jìn)行步驟4，否則，再次復(fù)位能源管理控制器重新執(zhí)行步驟3；

步驟4：調(diào)整電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓與蓄電池電壓匹配；

選擇電壓范圍合理的蓄電池并確認(rèn)蓄電池的充電截止電壓，通過(guò)能源管理控制器的按鍵調(diào)節(jié)電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與蓄電池的充電截止電壓匹配一致，此過(guò)程通過(guò)能源管理控制器的LCD顯示單元確認(rèn)；電壓調(diào)整結(jié)束后接入蓄電池，此時(shí)燃料電池通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器與蓄電池并聯(lián)，能源管理控制器的LCD顯示單元顯示蓄電池和燃料電池以及DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流和電壓；

步驟5：預(yù)設(shè)可編程電子負(fù)載工作模式；

可編程電子負(fù)載上電，根據(jù)能源管理控制器的控制要求切換到對(duì)應(yīng)的工作模式，所述的工作模式包括控功率模式、控電流模式和控電壓模式；從電子負(fù)載的顯示面板上觀察并確認(rèn)工作模式切換結(jié)果，即完成可編程電子負(fù)載的工作模式預(yù)設(shè)；

步驟6：選擇模擬無(wú)人機(jī)飛行工況，執(zhí)行待測(cè)試的在線能源管理算法；

選擇需要模擬的無(wú)人機(jī)飛行工況對(duì)應(yīng)的需求功率剖面，然后通過(guò)能源管理控制器的按鍵啟動(dòng)待測(cè)試的在線能源管理算法程序，能源管理控制器自動(dòng)執(zhí)行電子負(fù)載的功率變化控制，以及在線能源控制算法的解算，產(chǎn)生電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流電壓控制指令，控制電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出，從而間接控制蓄電池的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源系統(tǒng)的在線管理；觀察能源管理控制器的LCD顯示單元和電子負(fù)載的顯示屏，以了解實(shí)時(shí)的功率分配情況，各路的電流電壓情況，確認(rèn)試驗(yàn)過(guò)程是否正常，若不正常或某路電流電壓出現(xiàn)問(wèn)題，則返回至步驟2，若一切正常，則執(zhí)行步驟7；

步驟7：結(jié)束停止；

待測(cè)試的在線能源管理算法程序持續(xù)運(yùn)行直至模擬功率剖面結(jié)束，此時(shí)，可編程電子負(fù)載已由程序控制停止，試驗(yàn)過(guò)程的所有數(shù)據(jù)也已經(jīng)自動(dòng)保存到存儲(chǔ)單元；接下來(lái)先關(guān)閉氫氣閥門(mén)，再斷開(kāi)蓄電池插頭，待氣管內(nèi)剩余氫氣耗盡，燃料電池自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)切斷電壓電流可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源，最后關(guān)閉能源管理控制器的電源即可；至此，即實(shí)現(xiàn)燃料電池蓄電池混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)能源管理策略可行性驗(yàn)證。