CN108054409A - 一种燃料电池主动温度控制的热电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池主动温度控制的热电系统及方法，系统包括外部电源、能量控制装置、热电装置以及燃料电池，其中外部电源连接到能量控制装置，给其供电，能量控制装置连接热电装置控制其工作，热电装置连接燃料电池。本发明将原本燃料电池需要从环境温度条件启动，利用两种模式的切换来将燃料电池的工作温度从环境条件快速升高到其最佳值，为电池的启动与工作提供一个最合适的温度。将燃料电池启动所需的温度与工作过程中产生的废热放在同一个设备当中处理，整个管理系统结构简单明了，操作方便智能，而且系统的运行是完全自主的。在实际操作中，最终用户不需要采取任何行动。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池主动温度控制的热电系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，燃料电池同时是可以有效地发电，同时仅排放无害的水副产物，是一种能量转化效率高，且无噪音，无污染的能源动力装置。
然而，燃料电池却具有几个严格的热力学要求。首先，它们通常具有预定的操作温度范围。例如，质子交换膜燃料电池(“PEMFC”)在60至95摄氏度的温度范围内操作时效率最高。类似地，高温质子交换膜燃料电池(“HT-PEMFC”)的最佳范围是120至170摄氏度，而固体氧化物燃料电池(“SOFC”)在高达750摄氏度下操作。除了需将运行温度维持在期望的范围之内，如电动车辆的许多应用还要求燃料电池在尽可能短的时间内从环境温度条件下“启动”。固体氧化物燃料电池通常需要通过外部装置去加热系统，才可及时达到这种“启动”状态。
其次，燃料电池通常具有电化学转换效率。这是另一个重要的热力学考虑因素。这意味着电池系统将产生大量的废热。并且这些废热需要从燃料电池中去除。
因此，有效的热管理系统对于燃料电池至关重要。它可以保持电池的健康状态，并使电池始终以最高的效率输出有用的能量。
发明内容
为解决燃料电池在可能短的时间内从环境温度条件下启动，以及在电池工作期间去除电池系统中产生的大量废热，本发明提供了一种新的燃料电池热电系统，利用便捷的管理系统将为电池短时间内提供环境温度，并将电池工作期间大量废热清除掉，可以保持电池的健康状态，并使电池始终以最高的效率输出有用的能量。
为解决上述的技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种燃料电池主动温度控制的热电系统，所述系统包括外部充电器、能量控制装置、热电装置以及燃料电池，其中外部充电器连接到能量控制装置，给其供电，能量控制装置连接热电装置控制其工作，热电装置连接燃料电池。
进一步说，所述的能量控制装置包括MCU(Microcontroller Unit)单片微型计算机、MPPT(Maximum Power Point Tracking)最大功率点跟踪控制器、电压控制器、功率传感器以及外部电源，其中燃料电池连接到MCU单片微型计算机，由MCU单片微型计算机控制MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器的工作，两个控制器并联连接到功率传感器中，功率传感器输出端连接到热电装置。
进一步说，所述的外部电源经由外部充电器接口接上，分为独立电源与工作电池，其中独立电源为MCU单片微型计算机供电，工作电池为MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器的工作供电。
进一步说，所述的MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器与其供电的工作电源间由开关连接，控制两个控制器是否接上电源。
MPPT最大功率点跟踪控制器，电压控制器和MCU单片微型计算机电源将使用DC/DC转换器，因为这三个器件都是直流组件。另一方面，外部电源可以是AC/DC转换器。
进一步说，所述的开关连接到MCU单片微型计算机，由MCU单片微型计算机控制。
进一步说，所述的功率传感器有一个输出端连接到MCU单片微型计算机，将TE热电装置工作信息传输到MCU单片微型计算机中。功率传感器位于MPPT控制器或电压模式控制器之前，以便能够测量流经两个通路的功率，具体取决于哪一个通电。另一个线路连接MCU，它的作用是为MCU提供燃料电池本体的温度传感器测量数据。MCU是根据燃料电池的温度和要求来决定运行状态。为了燃料电池维护或故障诊断的要求，温度线路可以可选不同点处的温度测量。
进一步说，所述的热电装置为TE热电装置，可实现TEG热电发电和TEC热电制冷两个模式。
进一步说，所述的TE热电装置一端连接燃料电池，另一端连接到散热器或散热装置。
进一步说，所述的TE热电装置可多个串联或并联放置在一起，以满足大型燃料电池系统的温控需求。
其燃料电池主动温度控制的热电系统运行方法为：
步骤A.电池启动，燃料电池给MCU单片微型计算机信号，控制开关使MPPT最大功率点跟踪控制器与电源接上；
步骤B.MPPT最大功率点跟踪控制器上电后，控制TE热电装置启动，将装置切换成TEC模式，为电池提供合适温度；
步骤C.电池工作，有废热散出，电池给MCU单片微型计算机信号，控制开关使MPPT最大功率点跟踪控制器与电源断开，控制开关使电压控制器与电源接上；
步骤D.电压控制器上电后，切换TE热电装置工作模式，将装置切换成TEG模式，将多余的废热转变为电能，进一步增加电池工作效率。
在正常运行期间，燃料电池的工作电力可能会根据最终应用要求而改变。每当运行功率发生变化时，产生的热量将会改变，这将影响燃料电池的温度。控制器的目标应该是维持燃料电池的温度在最佳的指定范围内。因此，只要燃料电池的运行温度在最佳范围之外，则通过使用电压控制器来使TEC模式工作，将燃料电池温度快速地调整到该范围内。相反，一旦燃料电池温度在该范围内并且所需的TEC功率将系统维持在该范围内，则控制器应该切换到TEG模式，并且因此使用MPPT控制器从TE设备提取最大效率的能量。
当燃料电池“关闭”时，系统仍可以在MPPT模式下运行，在MPPT模式下，燃料电池可以继续从燃料电池收集能量，直到完全冷却到环境条件。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明就通过利用MCU单片微型计算机控制两个控制器之间的工作切换，将TE热电装置进行TEC模式TEG模式两种模式的切换。将原本燃料电池需要从环境温度条件启动，利用两种模式的切换来将燃料电池的工作温度从环境条件快速升高到其最佳值，TEC模式可以达到此要求，为电池的启动与工作提供一个最合适的温度。将燃料电池启动所需的温度与工作过程中产生的废热放在同一个设备当中处理，整个管理系统结构简单明了，操作方便智能，而且系统的运行是完全自主的。在实际操作中，最终用户不需要采取任何行动。
附图说明
图1为系统连接示意图；
图2为能量控制装置连接示意图；
图3为MCU单片微型计算机控制回路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，燃料电池主动温度控制的热电系统包括外部充电器、能量控制装置、热电装置以及燃料电池。
其中外部电源连接到能量控制装置，给其供电，能量控制装置连接热电装置控制其工作，热电装置连接燃料电池。
如图2所示，能量控制装置包括MCU(Microcontroller Unit)单片微型计算机、MPPT(Maximum Power Point Tracking)最大功率点跟踪控制器、电压控制器、功率传感器以及外部电源，其中燃料电池连接到MCU单片微型计算机，由MCU单片微型计算机控制MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器的工作，两个控制器并联连接到功率传感器中，功率传感器输出端连接到热电装置。
外部电源经由外部充电接口接上，分为MCU单片微型计算机独立电源与MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器的工作电池，分别对MCU单片微型计算机和MPPT最大功率点跟踪控制器、电压控制器两个控制器工作进行供电。
MPPT最大功率点跟踪控制器，电压控制器和MCU单片微型计算机电源将使用DC/DC转换器，因为这三个器件都是直流组件。另一方面，外部电源可以是AC/DC转换器。
MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器与其供电的工作电源间由开关连接，控制两个控制器是否接上电源，开关连接到MCU单片微型计算机，由MCU单片微型计算机控制，控制MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器两个其中一个与电源接上，确保两个控制器不会同时工作。
MCU单片微型计算机是整个系统的核心模块。这部分根据燃料电池的具体情况来控制MPPT最大功率点跟踪控制器与电压控制器电路的开关，从而决定TE热电装置以何种模式运行。MCU一般由低功耗可编程微控制器(如Arduino或Rasberry pi)组成。
MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器两个控制器并联连接功率传感器，功率传感器输出端一端连接TE热电装置，另一端连接MCU单片微型计算机，将TE热电装置工作信息传输到MCU单片微型计算机中。
热电装置为TE热电装置，可实现TEG热电发电和TEC热电制冷两个模式。所谓的TEC模式就是将热能直接转变为电能，利用高温与低温之间的温差的热将热能转变为电能，使其发电。而TEG模式就是利用热电效应的一种制冷方法，即可以吸热也可以放热。TE热电装置可多个串联或并联放置在一起，以满足大型燃料电池系统的温控需求
电压控制器算法和MPPT最大功率点跟踪控制器算法本身嵌入在相关的电源电路系统中，MCU单片微型计算机只控制开关闭合与否，由此控制系统使用哪一种控制器，同时可确保两个控制器不会同时工作。而TEC模式的主动温度控制算法将嵌入到MCU单片微型计算机中，因为MCU需要使用温度传感器数据。同时，MCU需要计算电压控制器应该操作的适当参考电压，并确实将该信息传递给该电路板。
线路开关可以是MOSFET或DC继电器开关。用于将MPPT最大功率点跟踪控制器和电压模式控制器电路相互隔离，使其不会同时工作。延迟或动态响应并不重要，因此不需要高频开关
功率传感器用于测量流入或流出TE热电装置本身的电力。传感器需要在已定的设计中测量功率的正值或者负值，TE热电装置可以产生或消耗功率。功率传感器可以指出TE热电装置处于哪一种模式。还可以检查TE热电装置的运行状态，从而进行维护。
结合图2与图3，可知MCU单片微型计算机对回路的控制回路如下：当燃料电池启动，要在预设温度下启动电池，MCU单片微型计算机控制电压控制器与电源之间的开关接上，电源接通电压控制器，电压控制器接通功率传感器，连接到TE热电装置，TE热电装置切换到TEC模式，可快速为电池提供启动预设温度。启动期间功率传感器将电池实时信息传输到MCU单片微型计算机中。
当电池还没到达最高效率运行时，电压控制器将一直运作，直到电池达到最高效率运行。当燃料电池达到高效运行时，此时MCU单片微型计算机将接到燃料电池的信息，将断开电池与电压控制器之间的开关，电压控制器不工作，将MPPT最大功率点跟踪控制器与电源之间的开关接上，MPPT最大功率点跟踪控制器开始工作，TE热电装置将切换到TEG模式，将电池运行期间的多余的热能转化为电能，进一步提高燃料电池的能力利用效率。
当电池周围温度下降或上升，使电池无法达到最高的运行效率时，MCU单片微型计算机将接到功率传感器的信息，将MPPT最大功率点跟踪控制器与电源之间的开关断开，MPPT最大功率点跟踪控制器不工作，将电压控制器与电源之间的开关接上，电压控制器开始工作，TE热电装置切换为TEC模式，为电池提供最佳温度，使电池达到最高运行效率。
如此开关的断开与接上，重复两种模式切换，使电池能一直在最高效率下运行。
当电池需要关闭，电池停止工作，电池所产生的热量需要吸收掉，MCU单片微型计算机将电压控制器与电源之间的开关断开，将MPPT最大功率点跟踪控制器与电源之间的开关接上，MPPT最大功率点跟踪控制器控制TE热电装置，切换为TEG模式，为电池制冷，将多余的热量吸收掉。
基于以上具体实施例子，所述的MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器与电源之间的开关，可使用两个开关分别放置在两个控制器与电源的回路上，使两个回路并联单独运行，也可以使用双向转换器，同样可以使两个回路单独运行。
外部电源的供电电池可以是锂离子，铅酸，镍镉电池等。建议使用锂离子电池。它应与MPPT控制器，电压模式控制器，外部充电器和MCU电源的DC/DC转换器兼容。
两个控制器电路可以改变电池和TE设备之间的传输功率。冷却系统可以将TE装置的燃料电池侧的温度保持在接近环境温度的值。其控制的温度可以任意设定。
所述的TE装置其TEC元件与TEG元件，体积小，对于大型燃料系统，可以多个串并联放置，以达到其温度控制要求。
TE装置另一端的散热器，低于1KW低功率的装置，散热器可采用空气冷却，对于高功率装置，可使用冷却液作冷却。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明就通过利用MCU单片微型计算机控制两个控制器之间的工作切换，将TE热电装置进行TEC模式TEG模式两种模式的切换。将原本燃料电池需要从环境温度条件启动，利用两种模式的切换来将燃料电池的工作温度从环境条件快速升高到其最佳值，TEC模式可以达到此要求，为电池的启动与工作提供一个最合适的温度。将燃料电池启动所需的温度与工作过程中产生的废热放在同一个设备当中处理，整个管理系统结构简单明了，操作方便智能，而且系统的运行是完全自主的。在实际操作中，最终用户不需要采取任何行动。
Claims (10)
1.一种燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述系统包括外部充电器、能量控制装置、热电装置以及燃料电池，其中外部电源连接到能量控制装置，给其供电，能量控制装置连接热电装置控制其工作，热电装置连接燃料电池。
2.根据权利要求1所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的能量控制装置包括MCU(Microcontroller Unit)单片微型计算机、MPPT(Maximum Power PointTracking)最大功率点跟踪控制器、电压控制器、功率传感器以及外部电源，其中燃料电池连接到MCU单片微型计算机，由MCU单片微型计算机控制MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器的工作，两个控制器并联连接到功率传感器中，功率传感器输出端连接到热电装置。
3.根据权利要求2所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的外部电源经由外部充电器接口接上，分为独立电源与工作电池，其中独立电源为MCU单片微型计算机供电，工作电池为MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器的工作供电。
4.根据权利要求2所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的MPPT最大功率点跟踪控制器和电压控制器与其供电的工作电源间由开关连接，控制两个控制器是否接上电源。
5.根据权利要求4所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的开关连接到MCU单片微型计算机，由MCU单片微型计算机控制。
6.根据权利要求2所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的功率传感器有一个输出端连接到MCU单片微型计算机，将TE热电装置工作信息传输到MCU单片微型计算机中。
7.根据权利要求1所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的热电装置为TE热电装置，可实现TEG热电发电和TEC热电制冷两个模式。
8.根据权利要求7所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的TE热电装置一端连接燃料电池，另一端连接散热器。
9.根据权利要求7所述的燃料电池主动温度控制的热电系统，其特征在于：所述的TE热电装置可多个串联或并联放置在一起，以满足大型燃料电池系统的温控需求。
10.一种燃料电池主动温度控制的热电系统运行方法，其特征在于包括：
步骤A.电池启动，燃料电池给MCU单片微型计算机信号，控制开关使MPPT最大功率点跟踪控制器与电源接上；
步骤B.MPPT最大功率点跟踪控制器上电后，控制TE热电装置启动，将装置切换成TEC模式，为电池提供合适温度；
步骤C.电池工作，有废热散出，电池给MCU单片微型计算机信号，控制开关使MPPT最大功率点跟踪控制器与电源断开，控制开关使电压控制器与电源接上；
步骤D.电压控制器上电后，切换TE热电装置工作模式，将装置切换成TEG模式，将多余的废热转变为电能，进一步增加电池工作效率。
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