[发明专利]一种燃料电池蓄电池混合动力系统能源管理试验平台及方法

权利要求书

1.一种燃料电池蓄电池混合动力系统能源管理试验平台，其特征在于：包括混合能源系统、能源管理控制系统和动态负载模拟系统；所述的混合能源系统包括储氢装置、流量计、燃料电池系统和蓄电池；能源管理控制系统包括上位机、能源管理控制器、电压电流可控DC/DC转换器和电流电压传感器；动态负载模拟系统即为可编程电子负载；

燃料电池系统作为混合能源系统主能源，高功率密度的蓄电池作为辅助能源，可编程电子负载对无人机飞行过程的需求功率进行动态模拟，燃料电池系统由能源管理控制器直接控制；流量计实时监测燃料电池消耗的瞬时氢气流率，并发送给能源管理控制器，能源管理控制器通过电流电压传感器获取蓄电池和直流母线的电压和电流，从而得到当前的需求功率；根据待测试的在线能源管理算法，产生电压电流可控DC/DC转换器的电流和电压的控制指令，并发送给电压电流可控DC/DC转换器，以控制燃料电池系统的输出功率，根据功率平衡的原则，蓄电池则被动跟随剩余的需求功率，若剩余需求功率为负，则燃料电池系统为蓄电池充电；燃料电池系统和蓄电池的放电情况全部由待测试的在线能源管理算法决定。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池蓄电池混合动力系统能源管理试验平台，其特征在于：能源管理控制器包括微处理器、CAN总线通信接口、串口通信接口、ADC模块、数据存储单元、LCD显示单元和按键模块单元；第一串口通信接口用于所有采集数据和控制信号的存储；第二串口通信接口用于流量计的通信以采集氢气消耗的瞬时流率；第三串口通信接口发送电流、电压或功率控制命令，用于可编程电子负载的控制，实现模拟无人机飞行过程中动态功率需求；CAN总线通信接口用于与燃料电池系统控制板和电压电流可控DC/DC转换器的通信，与燃料电池系统控制板的通信实现收集燃料电池堆温度，风扇开度以及燃料电池系统输出电流信息；与电压电流可控DC/DC转换器的通信用于获得DC/DC转换器的输入和输出电流/电压，以及DC/DC转换器本身的温度信息，同时控制DC/DC转换器的输出电压，以及限制DC/DC转换器的输出电流；ADC模块用于采集蓄电池和直流母线上的电流和电压的模拟量信号，根据一定的线性关系将模拟信号转为实际电流电压的数字量，用以计算直流母线需求功率和蓄电池的当前剩余电量SOC状态；微处理器根据无人机飞行剖面的需求功率信息生成可编程电子负载的控制指令，并通过第三串口通信接口发送；同时微处理器处理所有接口采集的信息，并根据嵌入待测试的在线能源管理算法，产生电压电流可控DC/DC转换器的电流和电压控制指令，并通过CAN总线通信接口发送；最后，将所有采集的状态信息和控制指令信息通过第一串口通信接口保存至存储单元，且在LCD显示单元上显示系统状态信息，按键模块单元含有多个按键分别用于能源管理控制器的复位和开启功能程序。

3.如权利要求1或2所述的一种燃料电池蓄电池混合动力系统能源管理试验平台，其特征在于：电压电流可控DC/DC转换器作为能源管理的执行部件，用于控制燃料电池系统的输出电压，同时限定燃料电池系统的输出电流，从而控制燃料电池系统的输出功率；电压电流可控DC/DC转换器还起到稳定直流母线电压的目的，通过调节输出电压与蓄电池进行匹配，调节限流以对蓄电池进行充放电控制；电压电流可控DC/DC转换器包括降压型DC/DC模块、转换器的ADC模块、DAC模块、微处理器、CAN总线通信接口、温度传感器、散热风扇和电流电压采样电阻；CAN总线通信接口接收能源管理控制器发来的数字控制指令，并通过DAC模块转化为对应模拟电压用于对降压型DC/DC模块的控制；而电流采样电阻和电压采样电阻用于测量输入输出的电流和电压；温度传感器用于检测降压型DC/DC模块的发热程度，以便通过微处理器控制风扇散热，从而提高DC/DC转换效率；此外，微处理器将采集的输入输出电流、电压和温度信息通过CAN总线通信接口发送给能源管理控制器。

4.一种燃料电池蓄电池混合动力系统能源管理试验方法，基于所述的一种燃料电池蓄电池混合动力系统能源管理试验平台实现，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：试验硬件设备准备；

准备试验平台所需设备，断开蓄电池连接插头，关闭储氢装置阀门旋钮，能源管理控制器和可编程电子负载均断电；

步骤2：待测试的在线能源管理算法初始化准备；

上位机开启，能源管理控制器上电，通过上位机将待测试的在线能源管理算法程序进行初始化赋值，包括蓄电池初始电量SOC0、蓄电池总容量Q0、电压电流可控DC/DC转换器预设的初始化输出电压UDC0和初始限流IDC0；然后进行编译，调试，下载至能源管理控制器，通过能源管理控制器的LCD显示单元判断是否下载成功，初始化是否正常，若正常则待测试的在线能源管理算法初始化准备完毕可执行步骤3，否则，调试后继续执行步骤2；

步骤3：电压电流可控DC/DC转换器初始化；

电压电流可控DC/DC转换器上电，能源管理控制器复位，储氢装置阀门打开，燃料电池系统进氢，流量计显示进氢流率，燃料电池系统启动，DC/DC转换器输入端有电压且在能源管理控制器的LCD显示单元上显示正常；此时，测量DC/DC转换器的输出电压是否为步骤2中预设的初始化输出电压UDC0，若是则进行步骤4，否则，再次复位能源管理控制器重新执行步骤3；

步骤4：调整电压电流可控DC/DC转换器输出电压与蓄电池电压匹配；

选择电压范围合理的蓄电池并确认蓄电池的充电截止电压，通过能源管理控制器的按键调节电压电流可控DC/DC转换器的输出电压与蓄电池的充电截止电压匹配一致，此过程通过能源管理控制器的LCD显示单元确认；电压调整结束后接入蓄电池，此时燃料电池通过DC/DC转换器与蓄电池并联，能源管理控制器的LCD显示单元显示蓄电池和燃料电池以及DC/DC转换器的电流和电压；

步骤5：预设可编程电子负载工作模式；

可编程电子负载上电，根据能源管理控制器的控制要求切换到对应的工作模式，所述的工作模式包括控功率模式、控电流模式和控电压模式；从电子负载的显示面板上观察并确认工作模式切换结果，即完成可编程电子负载的工作模式预设；

步骤6：选择模拟无人机飞行工况，执行待测试的在线能源管理算法；

选择需要模拟的无人机飞行工况对应的需求功率剖面，然后通过能源管理控制器的按键启动待测试的在线能源管理算法程序，能源管理控制器自动执行电子负载的功率变化控制，以及在线能源控制算法的解算，产生电压电流可控DC/DC转换器的电流电压控制指令，控制电压电流可控DC/DC转换器的输出，从而间接控制蓄电池的输出，实现对能源系统的在线管理；观察能源管理控制器的LCD显示单元和电子负载的显示屏，以了解实时的功率分配情况，各路的电流电压情况，确认试验过程是否正常，若不正常或某路电流电压出现问题，则返回至步骤2，若一切正常，则执行步骤7；

步骤7：结束停止；

待测试的在线能源管理算法程序持续运行直至模拟功率剖面结束，此时，可编程电子负载已由程序控制停止，试验过程的所有数据也已经自动保存到存储单元；接下来先关闭氢气阀门，再断开蓄电池插头，待气管内剩余氢气耗尽，燃料电池自动关闭，此时切断电压电流可控DC/DC转换器的电源，最后关闭能源管理控制器的电源即可；至此，即实现燃料电池蓄电池混合动力无人机能源管理策略可行性验证。