6.3.3 太阳能电池／氢燃料电池混合能源被动控制实验
1.实验目的
（1）了解太阳能电池／氢燃料电池混合能源被动拓扑结构，以及太阳能电池、氢燃料电池和锂电池的混合管理与控制方法。
（2）学习太阳能电池／氢燃料电池混合系统的实验测试方法，掌握匹配太阳能电池、氢燃料电池和锂电池的混合技术，并探索复杂能源系统高效功率分配的方法。
2.实验内容
太阳能电池／氢燃料电池混合管理与控制实验。
3.实验设备及软件
本实验所需的主要设备包括光伏阵列模拟器、安全供氢系统、氢燃料电池、锂电池、MPPT控制器、DC／DC转换器、电子负载、电流电压传感器、混合能源管理模块、上位机、电子负载上位机软件及串口通信软件，如表6-7所示。
表6-7 本实验所选用设备及软件
4.实验过程
1）设备连接
根据图6-24所示的实验系统架构，保持锂电池断开、暂缓氢气供应，将其他设备线路连接完成后，打开太阳能电池模拟器、电子负载、STM32开发板（即STM32数据采集器）、上位机，等待设备启动完毕。
2）设置太阳能电池模拟器
首先，设置输出模式为SAS：按【菜单】键→选择“Output”→“Mode”→“SAS”。然后，返回“Output”界面，设置太阳能电池基本性能参数，依次选择“SAS”→“Curve”，输入参数取值如下：
·最大功率点电压（Vmp）＝36 V
·开路电压（Voc）＝44.78 V
·最大功率点电流（Imp）＝5.58 A
·短路电流（Isc）＝5.85 A
图6-24 太／燃／锂混合实验系统架构
（a）系统原理框图；（b）实物连接示意图
参数输入完毕后，移动光标至“Set Curve”，并按【确认】键，返回主界面，若结果如图6-25所示，则设置成功，否则重新设置。
图6-25 设置成功后的主界面状态
3）电子负载功率剖面设计
打开2号上位机的电子负载监控软件Load Monitor，在“配置”界面设置通信波特率为115200，并选择对应的串口号，其他参数默认。在软件主界面选择“CW Mode”（功率模式）；在右侧“程序”选项卡中以50 W步长设计功率序列（0 W→400 W→0 W），每步持续时间为20 s，如图6-26所示；将“工作模式”选择“连续”。最后，将电子负载调至准备状态，从软件界面切换回“面板控制”，从电子负载面板按【P-set】键，输入“0”，按【Enter】键，然后按【On／Off】键，启动电子负载，此时电子负载处于准备状态，然后在上位机主界面中再次将控制模式切换到“PC控制”状态。
图6-26 功率剖面曲线
4）STM32数据采集器通信调试
在1号上位机中打开XCOM 2.0串口助手软件，选择相应的串口号，设置停止位为1，数据位为8，无奇偶校验。然后，打开串口，确认数据窗口有数据连续接收。
5）接入锂电池并确认电压和电流采集正常
锂电池接入电路后，观察显示屏和上位机串口助手数据栏窗口，确认锂电池电压是否显示正常；通过上位机软件小功率（如10 W）加载，确认显示屏和串口助手所显示的电流与电子负载显示的电流一致，从而确认电流采集正常；然后，再次将负载功率调节至0 W。
6）启动燃料电池并确认电压反馈正常
堵住氢气软管出口，打开高压氢气瓶的阀门，并调节减压阀，将输出压力调节至燃料电池进气口的允许压力范围，手动排气测试出口压力基本稳定后，将软管插入氢燃料电池进氢口，从而启动氢燃料电池。然后，观察显示屏和串口助手，确认氢燃料电池电压正常。
7）启动测试工况
在光伏阵列模拟器操作面板上按【开／关】键，启动光伏阵列模拟器。然后，单击电子负载上位机软件“工作模式”栏下方的“运行”按钮，启动加载功率剖面。通过电子负载面板显示屏观察功率加载是否正常。若正常，则等待测试结束即可；若未加载成功，则停止程序加载，检查并确认通信正常、已经切换至“PC控制”、负载处于“On”状态，然后重新运行功率剖面序列。一旦运行开始，则剖面运行结束后，会自动停止加载。
8）结束实验
首先，单击串口助手界面的“保存窗口”按钮，将数据保存；然后，先断开锂电池，再断开MPPT控制器与光伏阵列模拟器的连接，将电子负载切换至“面板控制”并按【On／Off】键，停止电子负载运行后，关闭电子负载电源，进而关闭STM32电源。最后，关闭氢气瓶阀门，断开氢燃料电池的进氢软管，并将剩余氢气排入氢气柜或室外。
5.讨论与思考
（1）针对这三种电源混合的系统，如何兼顾功能性、高效性、健康性和可靠性？
（2）实验过程中突然断开太阳能电池、锂电池、氢燃料电池后，系统可能出现什么问题？
（3）将太阳能／氢能混合系统应用于飞行器的动力系统会带来的什么新问题？