6.3.4 氢燃料电池／锂电池混合能源主动控制实验
1.实验目的
（1）了解氢燃料电池／锂电池混合能源主动拓扑结构，学习氢燃料电池输出功率主动控制的方法，熟悉可编程DC／DC转换器的控制方式。
（2）熟悉模糊控制主动能源管理策略的实验测试方法，学习模糊控制策略在嵌入式控制器的部署方法，理解主动能源管理策略的优势。
6.3.4节实验参考程序
2.实验内容
氢燃料电池／锂电池混合能源主动控制。
3.实验设备及软件
本实验所需的主要设备包括安全供氢系统、氢燃料电池、锂电池、电子负载、DC／DC转换器、电流电压传感器、混合能源管理模块、上位机、嵌入式集成开发环境及串口通信软件，如表6-8所示。
表6-8 本实验所选用的设备及软件
4.实验过程
1）设备连接
根据图6-27所示的实验系统架构，保持锂电池断开和氢气瓶关闭，将其他设备连接。连接完成后，打开上位机和STM32F747开发板，等待设备启动完毕。
图6-27 燃／锂混合能源主动控制实验系统
（a）系统原理框图；（b）实物连接图
2）模糊控制能源管理策略准备
本部分的主要目的是将6.1.2节中的模糊控制算法从MATLAB／Simulink移植到嵌入式开发板STM32 F767中。主要包括以下步骤：
（1）构建模糊推理文件。在MATLAB命令窗口输入“fuzzy”，按【Enter】键后打开模糊控制设计器，然后参照6.1.2节的模糊变量的隶属度函数和模糊规则库，设计模糊控制器，如图6-28所示。然后，依次单击“File”→“Export”→“To File”，命名并导出模糊推理文件，如intHE2_1200 W.fis。
图6-28 模糊控制器设计
（2）建构模糊矩阵输入文件。将intHE2_1200 W.fis文件拖到MATLAB的m文件编辑器窗口中，即可将文件解析后展示，如图6-29所示。文件内容包含模糊推理的系统信息，输入输出变量的成员函数信息，以及模糊规则信息等。然后，新建一个.txt文件，将.fis文件中的内容复制到该.txt文件中并保存，并命名为fisMatrixFile.txt，以作为算法移植前处理的输入文件。
图6-29 模糊推理文件解析
（3）构建嵌入式模糊程序的规则库信息。在Windows操作系统的C语言程序开发环境（如Microsoft Visual C++6.0环境），利用本节提供的Generate工具包，运行generater文件中的main函数，即可生成fisMatrixToSTM32.txt文件，文件内容为二维模糊规则矩阵，部分内容如图6-30所示。
图6-30 生成模糊数据表
（4）将生成的模糊数据矩阵复制到MDK开发环境中的fis.c文件的Rules（int row_n，int col_n）函数对应的位置，如图6-31所示。编译成功后，下载到STM32 F747控制器中即可。
图6-31 复制模糊矩阵到嵌入式程序对应位置
（5）电子负载功率剖面设计。打开上位机中的电子负载监控软件Load Monitor，在“配置”界面中设置通信波特率为115 200，并选择对应的串口号，如“COM3：USB-SEARIAL”，其他参数默认即可。在软件主界面选择“CW Mode”（功率模式），并在右侧“程序”选项卡中将“工作模式”选择“连续”，然后即可参照以下两个功率剖面示例设计载荷。
①阶梯型功率剖面：功率先逐级增大再逐级下降，每级需求功率所占被测对象额定功率的百分比为0％→10％→30％→60％→90％→60％→30％→10％→0％，且每级持续5 s，如图6-32（a）所示。
②脉冲型功率剖面：主要测试氢燃料电池的大功率启动特性，以及对载荷极端跳变时的适应能力，可作为判断能源管理策略合理性的依据。其中，电子负载依然采用定功率模式，加载功率序列占氢燃料电池额定功率的百分比为0％→50％→0％→60％→0％→30％→0％→20％→0％→10％→0％，每步持续时间为5 s，如图6-32（b）所示。
图6-32 负载指令
（a）阶梯型功率剖面；（b）脉冲型功率剖面
3）启动电子负载并测试功率剖面加载程序
从软件界面切换回“面板控制”，在电子负载面板按【P-set】键，输入“0”，按【Enter】键，使电子负载初始保持在零功率。然后，在上位机软件主界面中，再次将控制切到“PC控制”状态，将电子负载切换到“Off”状态，并在电子负载显示面板上确认处于“Off”状态，单击“运行”按钮，从负载显示面板观察功率加载情况是否按照设定程序加载，若未按设定加载，就重新检查并设定加载程序。
4）准备STM32开发板并下载程序
为开发板上电，通过MDK软件，将已编译的模糊控制能源管理算法程序下载到控制器，并初始化显示，打开上位机的串口助手软件，然后打开串口接收，确认回传电流和电压等状态信息正常。
5）启动氢燃料电池并确认状态反馈正常
堵住氢气软管出口，打开高压氢气瓶的阀门，调节减压阀，将输出压力调节至氢燃料电池进气口允许的压力范围（0.5～0.6 bar），手动脉冲式排气，测试出口压力基本稳定后，插入燃料电池进氢口启动燃料电池，听到三声连续排气后，燃料电池启动正常。然后，观察显示屏和串口助手，确认流量计流率和燃料电池电压显示正常。
6）设置DC／DC稳压初始值为25 V
按STM32的【KEY1】键，将DC／DC输出电压设置为25 V，然后通过电子负载显示面板，观察DC／DC输出电压设置结果，若电压显示不正常，可再次按【KEY1】键。
7）接入6 S锂电池并确认电压和电流采集正常
将锂电池接入电路后，观察显示屏和上位机串口助手的数据栏窗口，确认锂电池电流显示是否正常。此时锂电池电流可以为负值，表示处于充电状态。
8）启动测试工况
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；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、电子负载处于“On”状态，然后重新运行功率剖面序列，直至功率剖面运行完毕，自动停止加载。
9）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；其次，断开锂电池，在电子负载软件界面关闭负载，使其处于“Off”状态，切换至“面板控制”，关闭电子负载电源，再关闭STM32开发板电源；最后，关闭氢气瓶阀门，断开氢燃料电池进氢软管，并将剩余氢气排入氢气柜或室外。
5.讨论与思考
（1）实验过程触发了哪些模糊控制规则？实际输出与理论输出是否一致？若不一致，请分析原因。
（2）分析模糊控制能源管理策略相较于被动式能源管理策略的优势和劣势，可从耗氢量、锂电池和燃料电池健康工作条件的角度进行分析。