賀云濤, 王正平, 張曉輝

(北京理工大學 宇航學院, 北京 100081)

航空航天作為世界上最先進、最高端的一種技術領域,最新的科學技術成果往往都會被優(yōu)先應用于其中[1-2]。航空航天類專業(yè)由于其自身的特殊性,更需要在課程設計新穎化、實驗設備先進化、教學實踐專業(yè)化、實驗內容科學化等方面進行改進[3]。實驗教學作為一種學生實際參與其中的教學手段,可以促進學生實踐能力和創(chuàng)新意識的提高,并可以有效培養(yǎng)學生的專業(yè)意識；而教學實驗室作為實驗教學的核心載體,是學生學習和掌握知識技能的重要基地,是實施素質教育的重要場所[4-5]。

目前,飛機綠色能源，如太陽能、氫能等一直是國內外研究的重點,也是未來能源發(fā)展的方向[6-8]。多種能源的聯(lián)合使用,即多電混合動力系統(tǒng),可以有效發(fā)揮各自優(yōu)勢,實現(xiàn)互補,從而滿足長時間為動力系統(tǒng)供電的需求，其中,多種能源的管理和使用是關鍵[9-10]。為了把握行業(yè)新的發(fā)展需求,滿足航空航天類專業(yè)建設需要,北京理工大學北京市航空航天工程實驗教學示范中心(簡稱實驗中心)結合已有的科研成果[11-12],通過對已有相關科研成果的轉化,積極開展實驗室課程建設并開發(fā)了相關的實驗課程。

1 實驗教學平臺建設目的

綠色能源飛行器作為一種新興研究方向,目前國內部分學校已經(jīng)開設相關課程,但是普遍缺少相關實驗教具。由于專業(yè)性及前沿性,目前社會上也沒有可以直接購買使用的儀器設備。實驗中心依托“十二五” 期間的科研項目“長航時電動無人偵察機研制”中一項關鍵技術轉化成實驗教學項目,開發(fā)出一套多電混合動力系統(tǒng)認知教學實驗平臺,并將其應用到“綠色能源飛行器總體設計”課程中,取得了良好的教學效果。

然而受限于相關課程的課程設置限制,所開發(fā)出的實驗平臺及相關配套實驗內容未能滿足多電混合能源動力系統(tǒng)與能源管理半實物仿真實驗教學實踐的要求。實驗中心規(guī)劃在原有課程的基礎上,新開設一門實驗選修課“綠色能源動力系統(tǒng)與能源管理”,并計劃在原有設備的基礎上,開發(fā)一套多電混合動力系統(tǒng)與能源管理教學實驗平臺。該項目獲得了北京理工大學設備自制改制項目支持。

2 平臺構建方案

多電混合動力系統(tǒng)與能源管理教學實驗平臺的建設目的是為了讓學生了解多電混合動力系統(tǒng)的原理、學習掌握能源管理相關知識,并能通過實驗環(huán)節(jié)學會設計和開發(fā)簡易的能源控制器。本教學實驗平臺是針對多種能源聯(lián)合使用時,如何提高各種能源的效率而開發(fā)的。在優(yōu)化與整合實驗中心現(xiàn)有的實驗設備的基礎上,新建、擴建了實驗裝置,采用系統(tǒng)化設計方案,包括太陽能電池動力系統(tǒng)、氫燃料電池動力系統(tǒng)、蓄電池動力系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)與動力監(jiān)測與控制系統(tǒng)等幾個主要組成部分,系統(tǒng)框圖如圖1所示。本平臺一體化構建出從多電混合能源輸入到能源輸出優(yōu)化及方案設計,再到動力輸出裝置,最后通過動力控制單元來實時反饋控制能源輸入的一整套多電混合動力系統(tǒng)能源控制系統(tǒng).能夠直觀地顯示小型無人機用多電混合動力系統(tǒng)的工作原理和基本結構,方便教學,有利于推廣并節(jié)省開支。

圖1 多電混合動力系統(tǒng)及能源管理教學實驗平臺系統(tǒng)框圖

2.1 動力系統(tǒng)

在教學實驗平臺系統(tǒng)框圖中,太陽能電池動力系統(tǒng)、氫燃料電池動力系統(tǒng)和蓄電池動力系統(tǒng)用于為平臺提供動力；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；動力監(jiān)測與控制系統(tǒng)用于反饋校正控制對象的狀態(tài)和記錄各能源輸出的電壓、電流和功率與測力計的數(shù)值。

(1) 太陽能電池動力系統(tǒng)。包括太陽能電池翼、電子負載、光強計、傾角儀和上位機。太陽能電池與電子負載相連,上位機與電子負載相連,太陽能電池翼將太陽能轉化為電能,電子負載消耗太陽能電池產(chǎn)生的電能,上位機用來調節(jié)電子負載和保存數(shù)據(jù),光強計測量實驗時太陽能電池翼垂直方向的光照強度,傾角儀測量太陽能電池翼與地面的夾角。

(2) 氫燃料電池動力系統(tǒng)。包括儲氫瓶、流量計、氫燃料電池堆、電子負載和上位機等。儲氫瓶中的氫氣通過流量計進入燃料電池堆,電池堆與電子負載相連,上位機連接電子負載和流量計。氧化劑與還原劑在燃料電池堆中反應,將化學能轉化為電能,電子負載消耗產(chǎn)生的電能,上位機記錄流量計的流量數(shù)據(jù)和電子負載的電流、電壓。

(3) 蓄電池動力系統(tǒng)。包括蓄電池、電子負載、上位機和充電器。蓄電池使用前要先用充電器將蓄電池電量充滿,然后對蓄電池進行放電,當剩余電量(state of charge,SOC)小于某一值時,代表蓄電池放電完畢,數(shù)據(jù)由上位機進行記錄,所述的蓄電池優(yōu)選鋰電池。

2.2 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的任務情況，如無人機的飛行剖面等選擇相應的動力系統(tǒng),通過動力控制單元反饋校正控制對象的狀態(tài)和記錄各能源輸出的電壓、電流和功率與測力計的數(shù)值。具體的能源控制策略需根據(jù)實驗教學目的和任務來確定。

2.3 動力監(jiān)測與控制系統(tǒng)

動力監(jiān)測與控制系統(tǒng)由電子調速器、電機、螺旋槳、測力計和動力控制單元組成,電子調速器調節(jié)電機轉速,電機帶動螺旋槳轉動；電流/電壓采集模塊、測功機采集執(zhí)行機構的功率輸出情況,將其反饋給能源管理系統(tǒng)；測力計測量螺旋槳的推力,并將其反饋給動力控制單元,以實現(xiàn)對轉速的調節(jié)。

3 教學實踐

新設課程“綠色能源動力系統(tǒng)與能源管理”是一門面向全校本科生的公共實驗選修課。該課程依托所建設的教學實驗平臺,預期開設實驗教學項目15項(見表1),開發(fā)可視化配套軟件,并撰寫實驗指導書。其中,有4項認知實驗已經(jīng)在教學實踐中得以應用。

表1 預期開設的15項實驗教學項目

“綠色能源動力系統(tǒng)與能源管理”作為一門面向全校本科生的實驗選修課,學生往往缺乏綠色能源、動力系統(tǒng)、測試技術等相關領域的基礎知識儲備，因此需要設計出一種合理的實驗教學方案。為此,提出了一套基于多電混合動力系統(tǒng)及能源管理教學實驗平臺的教學實驗方法,分為3個步驟(見圖2)。

圖2 教學方法步驟圖

(1) 基礎認知實驗。該部分包含實驗項目1—6,將多電混合動力系統(tǒng)中太陽能電池動力系統(tǒng)、氫燃料電池動力系統(tǒng)、蓄電池動力系統(tǒng)獨立進行基本性能認知實驗。這一階段將所涉及的各種知識分散到每項實驗中去,寓教于學,使學生在實際動手做實驗的同時,熟悉和掌握多電混合動力系統(tǒng)的基本概念和基礎知識。

(2) 能源管理實驗。該部分包含實驗項目7—14,將太陽能電池、氫燃料電池、蓄電池分別進行兩兩混合,最后進行3電混合,通過不同飛行剖面選擇合適的動力系統(tǒng),快速滿足無人機飛行的功率需求和長航時要求。這一階段的主要目的在于培養(yǎng)學生建立能源管理的概念,引導學生自主完成能源管理算法的編寫,實現(xiàn)能源管理系統(tǒng)的搭建。

(3) 半實物仿真實驗。該部分即實驗項目15,在課程學習的最后階段,將學生以4～5人為單位進行分組,讓學生自主提出多電混合動力系統(tǒng)半實物仿真方案設計,再由教師評估方案合理性后,學生自主完成系統(tǒng)搭建,實現(xiàn)半實物仿真實驗并撰寫實驗報告。

為了滿足課程建設的需要,提出了一套基于教學實驗平臺的教學實驗方法:將所涉及的15項教學實驗分為3個步驟,使學生可以系統(tǒng)化,由淺到深地掌握所學知識。通過半實物仿真實驗,學生可以主動參與到項目實踐當中,并將所學到的知識靈活地應用到實際中。

4 結語

為了滿足新能源飛行器課程建設需求,實驗教學示范中心設計并初步搭建了多電混合動力系統(tǒng)及能源管理教學實驗平臺。該平臺契合了當前綠色能源動力系統(tǒng)的研究熱點，依托已有的實驗設備及相關的項目支持,具有良好的研究基礎，關鍵技術能夠很好地應用到實驗教學中。具有設施先進、綜合程度高、覆蓋性強等優(yōu)點。所設計的實驗項目邏輯性、綜合性強,項目采用層層遞進方式進行，從基礎性能認知實驗開始,再到各個動力系統(tǒng)的能源管理實驗,最終進行綜合性的半實物仿真實驗,能夠使學生更好地掌握相關知識,發(fā)揮主觀能動性。

該教學實驗平臺能夠為相關課程提供支撐條件,建設完成后,預期將具有良好的經(jīng)濟效益與可拓展性,對相關專業(yè)進行實驗平臺建設具有借鑒意義。