多电混合动力与能源管理教学实验平台建设

贺云涛, 王正平, 张晓辉

(北京理工大学 宇航学院, 北京 100081)

航空航天作为世界上最先进、最高端的一种技术领域,最新的科学技术成果往往都会被优先应用于其中[1-2]。航空航天类专业由于其自身的特殊性,更需要在课程设计新颖化、实验设备先进化、教学实践专业化、实验内容科学化等方面进行改进[3]。实验教学作为一种学生实际参与其中的教学手段,可以促进学生实践能力和创新意识的提高,并可以有效培养学生的专业意识；而教学实验室作为实验教学的核心载体,是学生学习和掌握知识技能的重要基地,是实施素质教育的重要场所[4-5]。

目前,飞机绿色能源，如太阳能、氢能等一直是国内外研究的重点,也是未来能源发展的方向[6-8]。多种能源的联合使用,即多电混合动力系统,可以有效发挥各自优势,实现互补,从而满足长时间为动力系统供电的需求，其中,多种能源的管理和使用是关键[9-10]。为了把握行业新的发展需求,满足航空航天类专业建设需要,北京理工大学北京市航空航天工程实验教学示范中心(简称实验中心)结合已有的科研成果[11-12],通过对已有相关科研成果的转化,积极开展实验室课程建设并开发了相关的实验课程。

1 实验教学平台建设目的

绿色能源飞行器作为一种新兴研究方向,目前国内部分学校已经开设相关课程,但是普遍缺少相关实验教具。由于专业性及前沿性,目前社会上也没有可以直接购买使用的仪器设备。实验中心依托“十二五” 期间的科研项目“长航时电动无人侦察机研制”中一项关键技术转化成实验教学项目,开发出一套多电混合动力系统认知教学实验平台,并将其应用到“绿色能源飞行器总体设计”课程中,取得了良好的教学效果。

然而受限于相关课程的课程设置限制,所开发出的实验平台及相关配套实验内容未能满足多电混合能源动力系统与能源管理半实物仿真实验教学实践的要求。实验中心规划在原有课程的基础上,新开设一门实验选修课“绿色能源动力系统与能源管理”,并计划在原有设备的基础上,开发一套多电混合动力系统与能源管理教学实验平台。该项目获得了北京理工大学设备自制改制项目支持。

2 平台构建方案

多电混合动力系统与能源管理教学实验平台的建设目的是为了让学生了解多电混合动力系统的原理、学习掌握能源管理相关知识,并能通过实验环节学会设计和开发简易的能源控制器。本教学实验平台是针对多种能源联合使用时,如何提高各种能源的效率而开发的。在优化与整合实验中心现有的实验设备的基础上,新建、扩建了实验装置,采用系统化设计方案,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、能源管理系统与动力监测与控制系统等几个主要组成部分,系统框图如图1所示。本平台一体化构建出从多电混合能源输入到能源输出优化及方案设计,再到动力输出装置,最后通过动力控制单元来实时反馈控制能源输入的一整套多电混合动力系统能源控制系统.能够直观地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,有利于推广并节省开支。

图1 多电混合动力系统及能源管理教学实验平台系统框图

2.1 动力系统

在教学实验平台系统框图中,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平台提供动力；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；动力监测与控制系统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。

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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(state of charge,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,所述的蓄电池优选锂电池。

2.2 能源管理系统

能源管理系统根据系统的任务情况，如无人机的飞行剖面等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。具体的能源控制策略需根据实验教学目的和任务来确定。

2.3 动力监测与控制系统

动力监测与控制系统由电子调速器、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；电流/电压采集模块、测功机采集执行机构的功率输出情况,将其反馈给能源管理系统；测力计测量螺旋桨的推力,并将其反馈给动力控制单元,以实现对转速的调节。

3 教学实践

新设课程“绿色能源动力系统与能源管理”是一门面向全校本科生的公共实验选修课。该课程依托所建设的教学实验平台,预期开设实验教学项目15项(见表1),开发可视化配套软件,并撰写实验指导书。其中,有4项认知实验已经在教学实践中得以应用。

表1 预期开设的15项实验教学项目

“绿色能源动力系统与能源管理”作为一门面向全校本科生的实验选修课,学生往往缺乏绿色能源、动力系统、测试技术等相关领域的基础知识储备，因此需要设计出一种合理的实验教学方案。为此,提出了一套基于多电混合动力系统及能源管理教学实验平台的教学实验方法,分为3个步骤(见图2)。

图2 教学方法步骤图

(1) 基础认知实验。该部分包含实验项目1—6,将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。这一阶段将所涉及的各种知识分散到每项实验中去,寓教于学,使学生在实际动手做实验的同时,熟悉和掌握多电混合动力系统的基本概念和基础知识。

(2) 能源管理实验。该部分包含实验项目7—14,将太阳能电池、氢燃料电池、蓄电池分别进行两两混合,最后进行3电混合,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。这一阶段的主要目的在于培养学生建立能源管理的概念,引导学生自主完成能源管理算法的编写,实现能源管理系统的搭建。

(3) 半实物仿真实验。该部分即实验项目15,在课程学习的最后阶段,将学生以4～5人为单位进行分组,让学生自主提出多电混合动力系统半实物仿真方案设计,再由教师评估方案合理性后,学生自主完成系统搭建,实现半实物仿真实验并撰写实验报告。

为了满足课程建设的需要,提出了一套基于教学实验平台的教学实验方法:将所涉及的15项教学实验分为3个步骤,使学生可以系统化,由浅到深地掌握所学知识。通过半实物仿真实验,学生可以主动参与到项目实践当中,并将所学到的知识灵活地应用到实际中。

4 结语

为了满足新能源飞行器课程建设需求,实验教学示范中心设计并初步搭建了多电混合动力系统及能源管理教学实验平台。该平台契合了当前绿色能源动力系统的研究热点，依托已有的实验设备及相关的项目支持,具有良好的研究基础，关键技术能够很好地应用到实验教学中。具有设施先进、综合程度高、覆盖性强等优点。所设计的实验项目逻辑性、综合性强,项目采用层层递进方式进行，从基础性能认知实验开始,再到各个动力系统的能源管理实验,最终进行综合性的半实物仿真实验,能够使学生更好地掌握相关知识,发挥主观能动性。

该教学实验平台能够为相关课程提供支撑条件,建设完成后,预期将具有良好的经济效益与可拓展性,对相关专业进行实验平台建设具有借鉴意义。