6.3.5 太阳能电池／氢燃料电池／锂电池混合能源主动控制实验
1.实验目的
（1）了解太阳能电池、氢燃料电池、锂电池混合能源主动拓扑结构，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）熟悉混合能源状态机能源管理策略，学习状态机能源管理策略的嵌入式部署方法，理解多能源功率流分配规则，明确主动能源管理策略的优势。
2.实验内容
（1）太阳能／氢燃料电池／锂电池混合系统状态机能源管理策略实验：阶梯型载荷功率剖面。
（2）太阳能／氢燃料电池／锂电池混合系统状态机能源管理策略实验：脉冲型载荷功率剖面。
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、状态机控制算法代码、电子负载上位机软件、串口通信软件、ARM嵌入式集成开发环境，如表6-9所示。
表6-9 本实验所选用设备及软件
4.实验过程
1）设备连接
根据图6-33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，打开太阳能模拟器、电子负载、STM32开发板（即STM32数据采集器），以及上位机PC，并等待设备启动完毕。
2）状态机能源管理策略准备
本部分的主要目的是将6.1.1节中的状态机控制算法下载到STM32F767开发板中。本部分的算法嵌入式源程序（NE-FSM V1.0），经编译后，下载到开发板中即可。
3）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115200，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”选项卡中选择“工作模式”为“连续”，然后参照以下两个功率剖面示例设计载荷。
图6-33 太阳能／氢燃料电池／锂电池混合能源主动控制系统架构
（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依次为0％→10％→30％→60％→90％→60％→30％→10％→0％，且每级持续5 s，如图6-34（a）所示。
（2）脉冲型功率剖面：主要测试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，加载功率序列占燃料电池额定功率的百分比依次为0％→50％→0％→60％→0％→30％→0％→20％→0％→10％→0％，每步持续时间5 s，如图6-34（b）所示。
4）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”，从电子负载面板按【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。
5）启动光伏阵列模拟器
为光伏阵列模拟器上电，待初始化完成后，设置光伏阵列模拟器的工作模式和参数，详细设置过程可参见3.3.2节。本实验所需设置的太阳能电池工程参数如下：
图6-34 负载指令
（a）阶梯型功率剖面；（b）脉冲型功率剖面
·最大功率点电压（Vmp）＝30 V
·开路电压（Voc）＝36 V
·最大功率点电流（Imp）＝3 A
·短路电流（Isc）＝3.26 A
6）启动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的允许压力范围（0.5～0.6 bar），手动脉冲式排气测试出口压力基本稳定后，将软管插入氢燃料电池进氢口，启动氢燃料电池，听到三声连续排气，表示氢燃料电池启动正常。然后，观察LCD和串口助手，确认流量计流率和氢燃料电池电压显示正常。
7）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确认DC／DC输出电压设置结果，若电压显示不正常，可再次按【KEY1】键。
8）接入6S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。
9）启动状态机能源管理算法
打开上位机的串口助手软件，打开串口接收，确认回传电流和电压等状态信息正常后，按【KEY0】键即可启动状态机能源管理算法。
10）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。
11）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，依次断开锂电池、光伏阵列模拟器，在电子负载软件界面上关闭负载，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，断开燃料电池进氢软管，并将剩余氢气排入氢气柜或窗外。
5.讨论与思考
（1）实验过程触发了哪些状态机规则？实际输出与理论输出是否一致？若不一致，请分析原因。
（2）分析状态机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。