CN112687908B - 氢燃料电池散热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氢燃料电池散热系统及控制方法，涉及氢燃料电池测试装置技术领域，所述系统包括温度监测组件，用于检测并输出实时温度信号；电能信号分析组件，采集电池本体的实时输出电能数据，并基于设定算法，生成并输出电能分析信号；散热组件，包括设于电池本体上或设于环境舱中的传热组件以及制冷器；控制组件，基于实时温度信号以及电能分析信号，控制制冷器的制冷功率和/或传热组件的传热效率，通过检测氢燃料电池输出的电能特性，预估氢燃料电池在未来设定时间内产生的热量，结合当前的实时温度控制散热组件的动作，可以使得氢燃料电池的热量得到快速准确的散除，确保氢燃料电池本身及周围环境的温度都能维持在安全的设定的范围。

Description

氢燃料电池散热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及氢燃料电池测试装置技术领域，更具体地说，它涉及一种氢燃料电池散热系统及控制方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭以及环境保护观念的不断普及，各大汽车厂商均在努力寻求燃油动力以外的汽车动力解决方案，氢能源汽车应运而生。氢能源汽车的核心部件为氢燃料电池。氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极，生成电能，整个过程中不产生其他有害物质，只产生水和热量。由于氢燃料电池是近年兴起的新技术，因此对新设计的氢燃料电池都需要做全面的测试及检验。

目前，氢燃料电池的测试通常是在环境舱中进行的，环境舱内部的温度等条件根据国家相关测试标准设定。在测试过程中，氢燃料电池会产生大量的热能，上述热能需要及时地排出到环境舱外部，避免氢燃料电池热量聚集而引发安全事故。如何高效便捷地将测试中的氢燃料电池产生的热量散除是当前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中氢燃料电池测试时会产生大量热量聚集在氢燃料电池上，容易产生安全事故这一问题，本申请目的一在于提出一种氢燃料电池散热系统，其通过对氢燃料电池电堆温度的实时检测，以及对氢燃料电池输出电能特性的分析，实时调整散热系统中散热部件的散热功率，确保氢燃料电池本身及周围环境的温度都能维持在安全的设定的范围。基于上述氢燃料电池散热系统，本申请目的二在于提出一种氢燃料电池散热控制方法，结合温度检测信号以及电能特性分析，控制散热系统中各散热部件的动作，实现高效稳定且精准的散热效果，具体方案如下。

一种氢燃料电池散热系统，包括：

温度监测组件，设于电池本体或环境舱中的设定位置，用于检测并输出实时温度信号；

电能信号分析组件，与电池本体的电能输出端电性连接，采集电池本体的实时输出电能数据，并基于设定算法，生成并输出电能分析信号；

散热组件，包括设于电池本体上或设于环境舱中的传热组件，以及与所述传热组件热传导连接的制冷器；

控制组件，配置为与所述温度监测组件、电能信号分析组件信号连接，且与所述制冷器和/或传热组件控制连接，基于所述实时温度信号以及电能分析信号，控制所述制冷器的制冷功率和/或传热组件的传热效率。

通过上述技术方案，打破了现有技术中以固定的散热功率对氢燃料电池热量进行散热的模式，根据电池本体的实时温度以及氢燃料电池实时输出的电功率做出温度控制响应，不仅能够响应于当前时刻的电池温度对散热组件加以控制，同时还能够根据电池本体输出的电能特性情况对未来设定时刻氢燃料电池温度可能发生的变化加以响应，如此使得散热组件能够更好的散除氢燃料电池测试过程中产生的热量，保证整个测试过程的安全进行。

进一步的，所述温度监测组件包括设置于电池本体上的第一温度传感器、设置于环境舱中的红外测温传感器、以及与所述第一温度传感器和红外测温传感器信号连接的数据转换器，所述数据转换器接收第一温度传感器以及红外测温传感器输出的检测信号，将其转化为设定的数据格式后输出。

通过上述技术方案，可以准确有效的测定出氢燃料电池整体或局部的温度，并输出相应的实时温度信号。

进一步的，所述温度监测组件还包括设置于所述传热组件中的第二温度传感器，所述第二温度传感器检测传热组件中传热介质的温度，输出所述实时温度信号。

基于上述技术方案，通过监测传热组件中传热介质的温度变化，可以间接测得氢燃料电池的实时温度变化，有利于控制组件对散热组件的精确控制。

进一步的，所述电能信号分析组件包括与电池本体的电能输出端电性连接的馈能负载仪，以及用于分析电能特性的分析处理模块，所述分析处理模块接收馈能负载仪输出的检测数据，根据设定算法分析输出所述电能分析信号。

通过上述技术方案，对氢燃料电池的输出功率进行检测，同时分析功率的变化趋势等特性参数，得到当前时刻电池本体的电能特性数据以及未来设定时刻的电能输出数据，便于分析氢燃料电池未来设定时刻所要散发的热量，进而精准地控制散热组件的工作状态。

进一步的，所述传热组件包括设于电池本体上的换热管道，所述换热管道穿出到环境舱外部并与设置于环境舱外部的制冷器相连通，构成一循环制冷回路；

所述换热管道上设置有驱动所述换热管道中传热介质流动的第一驱动泵，所述第一驱动泵与控制组件控制连接。

通过上述技术方案，可以利用换热管道中的传热介质将电池本体反应时产生的热量带走，通过控制组件控制第一驱动泵的驱动功率，可以改变换热管道中传热介质的流速，实现冷却效率的调节。

进一步的，所述传热组件还包括与所述环境舱连通设置的新风循环管路，所述新风循环管路与一新风制冷系统相连通，且所述新风循环管路上设有第二驱动泵，所述新风制冷系统及第二驱动泵均与所述控制组件控制连接。

通过上述技术方案，可以利用新风循环管路向环境舱中通入新风，通过调节通入到环境舱中新风的温度，可以改变环境舱中氢燃料电池周围环境的温度，利于氢燃料电池通过热辐射的方式将热量散除。

进一步的，所述控制组件包括：

存储模块，配置为用于存储各实时温度信号、电能分析信号对应的最佳制冷功率、冷却介质的流速及其对应的制冷控制算法；

数据匹配处理模块，配置为与存储模块数据连接且与温度监测组件、电能信号分析组件信号连接，接收所述实时温度信号及电能分析信号，调取存储模块中设定的制冷控制算法并输出；

指令传输模块，配置为与散热组件控制连接，接收所述制冷控制算法并将其转换为指令信号输出至散热组件。

通过上述技术方案，可以将各实时温度信号及电能分析信号对应的控制算法存储到设定的存储模块中，实现制冷控制算法的快速调取，缩短控制组件的响应时间。

基于上述氢燃料电池散热系统，本申请还提出了一种氢燃料电池散热控制方法，其特征在于，包括：

关联存储氢燃料电池电能特性与输出热量之间的关联关系；

关联存储氢燃料电池实时温度与散热组件散热功率之间的对应关系；

采集并基于氢燃料电池实时温度及电能特性，分析生成散热组件最佳的散热功率；

根据散热组件特性及所需散热功率，生成对应的制冷控制算法；

基于所述制冷控制算法，控制散热组件动作。

通过上述技术方案，不仅根据氢燃料电池的实时温度对散热组件的散热功率进行调节控制，同时还根据氢燃料电池输出的电能特性分析未来设定时刻氢燃料电池可能产生的热量，结合上述实时温度及电能特性数据，能够对散热组件作出更为精准的控制，保证散热组件能够准确有效的将氢燃料电池的温度维持在设定的范围之内。

进一步的，采集氢燃料电池实时温度，包括：

利用第一温度传感器直接接触式采集氢燃料电池的温度；

利用红外测温传感器非接触采集氢燃料电池的温度；

利用第二温度传感器采集换热组件中冷却介质的温度；

基于利用不同方法采集的温度值，生成氢燃料电池的实时温度。

通过上述技术方案，可以更为准确的得到氢燃料电池的实时温度，方便后期生成更准确的制冷控制算法。

进一步的，所述基于所述制冷控制算法，控制散热组件动作，包括：

基于制冷控制算法，控制调节散热组件中冷却介质的流速、调节散热组件中冷却介质的温度、以及调节环境舱中通入新风的温度。

通过上述技术方案，从多维度对氢燃料电池进行散热，保证散热的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过检测氢燃料电池输出的电能特性，预估氢燃料电池在未来设定时间内产生的热量，结合当前的实时温度控制散热组件的动作，可以使得氢燃料电池的热量得到快速准确的散除，确保氢燃料电池本身及周围环境的温度都能维持在安全的设定的范围。

附图说明

图1为氢燃料电池测试系统的示意图；

图2为本发明氢燃料电池散热系统的示意图；

图3为本发明氢燃料电池散热控制方法的示意图。

附图标记：100、温度监测组件；101、第一温度传感器；102、红外测温传感器；103、数据转换器；104、第二温度传感器；200、电能信号分析组件；201、馈能负载仪；202、分析处理模块；300、散热组件；301、换热管道；302、制冷器；303、第一驱动泵；304、新风循环管路；305、新风制冷系统；306、第二驱动泵；400、控制组件；401、存储模块；402、数据匹配处理模块；403、指令传输模块；404、数据响应模块。

具体实施方式

下面结合实施例及图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示为一氢燃料电池测试系统，氢气与经干燥过滤后的空气进入到燃料电池堆中进行反应，产生电能并从燃料电池堆的电极输出。在氢气与空气中的氧气进行反应时，除了产生水之外还会产生大量的热量。为了保证上述热量能够及时地排出，本申请目的之一则在于提出一种氢燃料电池散热系统，如图2所示，主要包括温度监测组件100、电能信号分析组件200、散热组件300以及控制组件400。

本申请实施例中，上述温度监测组件100设于电池本体或环境舱中的设定位置，用于检测并输出实时温度信号。详述的，温度监测组件100分别包括设置于电池本体上的第一温度传感器101、设置于环境舱中的红外测温传感器102、以及与第一温度传感器101和红外测温传感器102信号连接的数据转换器103。第一温度传感器101采用无源测温传感器，其探测端与氢燃料电池相接触或伸入到氢燃料电池的壳体中，输出端经信号线缆接出到环境舱外部，红外测温传感器102设置于环境舱的内壁上，用于远距离检测电池本体表面的温度。对应的，上述第一温度传感器101以及红外测温传感器102与环境舱外的控制主板相电连接，数据转换器103设置于控制主板上，接收第一温度传感器101以及红外测温传感器102输出的检测信号，将其转化为设定的数据格式后输出，如通过AD转换电路，将模拟信号转化为数字信号，便于数据的处理。

上述技术方案，通过接触与非接触式两种方式，可以准确有效的测定出氢燃料电池整体或局部的温度，并输出相应的实时温度信号。

在特定实施方式中，上述温度监测组件100还可以配置为设于传热组件中的第二温度传感器104，第二温度传感器104检测传热组件中传热介质的温度，输出实时温度信号。在实际应用中，如图2所示，上述传热介质通常配置为水，利用水冷的方式对电堆进行降温。对应的，上述第二温度传感器104则设置于传热组件的换热管道301中，优选设置于换热管道301位于氢燃料电池两侧端的位置，可以实时检测换热管道301中冷却水流经氢燃料电池进行换热后的温度变化，由此可以间接地测得氢燃料电池的实时温度变化，有利于控制组件400对散热组件300的精确控制。

所述电能信号分析组件200与电池本体的电能输出端，即正负电极电性连接，采集电池本体的实时输出电能数据，并基于设定算法，生成并输出电能分析信号。通常，氢燃料电池的电能输出端都连接有馈能负载，在本申请中，所述电能信号分析组件200包括与电池本体的电能输出端电性连接的馈能负载仪201以及用于分析电能特性的分析处理模块202。分析处理模块202接收馈能负载仪201输出的检测数据，根据设定算法分析输出电能分析信号。上述分析处理模块202可以采用加载有设定程序的DSP芯片模块实现，上述设定算法包括：基于设定时间段内的多个检测数据，分析数据的变化趋势（在测试正常情况下，氢燃料电池的输出电能特性数据不会发生剧变），得到设定时间后氢燃料电池的电能特性，如功率大小、电流及电压的数值等。

基于上述技术方案，对氢燃料电池的输出电能数据进行检测，同时分析电能数据的变化趋势等特性参数，得到当前时刻电池本体的电能特性数据以及未来设定时刻的电能特性数据，便于分析氢燃料电池未来设定时刻所要散发的热量，进而可以提前精准地控制散热组件300的工作状态。

在本申请实施例中，散热组件300包括设于电池本体上或设于环境舱中的传热组件以及与传热组件热传导连接的制冷器302。详述的，上述传热组件包括设于电池本体上的换热管道301，换热管道301由导热金属制成，与电池本体相接触，利用热传导的方式将电池本体产生的热量导入到换热管道301内的传热介质中。上述换热管道301穿出到环境舱外部并与设置于环境舱外部的制冷器302相连通，构成一循环制冷回路。上述制冷器302可以由压缩机及冷凝器构成，也可以直接产生风机和散热盘管的组合实现。

换热管道301上设置有驱动换热管道301中传热介质流动的第一驱动泵303，第一驱动泵303与控制组件400控制连接，受控于控制组件400输出的控制信号，控制换热管道301中传热介质的流速。对应的，在换热管道301上可以设置流量计，用于测定换热管道301中传热介质，如水的流速，便于控制组件400的控制。

除上述利用换热管道301直接将氢燃料电池产生的热量带走外，本申请实施例中，上述传热组件还包括与环境舱连通设置的新风循环管路304，新风循环管路304与环境舱外部的新风制冷系统305相连通，且新风循环管路304上设有第二驱动泵306，新风制冷系统305及第二驱动泵306均与控制组件400控制连接。上述第二驱动泵306与第一驱动泵303均可以采用水泵。上述方案，利用新风制冷系统305产生冷量，而后利用新风循环管路304将上述冷量导入到环境舱中，进而控制环境舱内的温度，最终改变环境舱中氢燃料电池周围环境的温度，利于氢燃料电池通过热辐射的方式将热量散除。上述新风制冷系统305在氢燃料电池测试系统中已经有很多应用，其具体工作原理及组成结构在此不再赘述。

如图2所示，上述控制组件400配置为与温度监测组件100、电能信号分析组件200信号连接，且与散热组件300中的制冷器302和/或传热组件控制连接，基于实时温度信号以及电能分析信号，控制制冷器302的制冷功率和/或传热组件的传热效率。

控制组件400主要包括存储模块401、数据匹配处理模块402、数据响应模块404、以及指令传输模块403。上述存储模块401配置为用于存储各实时温度信号、电能分析信号对应的最佳制冷功率、冷却介质的流速及其对应的制冷控制算法。例如，氢燃料电池局部温度为100℃、输出功率为200KW时，制冷器302的制冷功率设定为5KW，同时换热管道301中的冷却水流速设定为0.1m/s，基于上述设定，将制冷控制算法存储到存储模块401中。上述存储模块401包括设置于控制主板上的存储器及相关配套存储电路。

数据响应模块404主要配置为用于接收系统中各个功能部件的输出信号，对应的输出控制信号。

所述数据匹配处理模块402配置为一以微处理器为核心，如PLC、单片机、FPGA等为核心组成的数据匹配处理模块402，上述数据匹配处理模块402与存储模块401的数据访问接口连接，且与温度监测组件100、电能信号分析组件200的信号输出端信号连接，接收实时温度信号及电能分析信号，调取存储模块401中与之匹配的制冷控制算法并输出。

指令传输模块403配置为与散热组件300控制连接，具体而言，与散热组件300中的制冷器302、第一驱动泵303、第二驱动泵306的控制输入端电连接，接收制冷控制算法并将其转换为相应的指令信号输出至散热组件300的功能部件中。

本申请方案，打破了现有技术中以固定的散热功率对氢燃料电池热量进行散热的模式，根据电池本体的实时温度以及氢燃料电池实时输出的电功率做出温度控制响应，不仅能够响应于当前时刻的电池温度对散热组件300加以控制，同时还能够根据电池本体输出的电能特性情况对未来设定时刻氢燃料电池温度可能发生的变化加以响应，如此使得散热组件300能够更好的散除氢燃料电池测试过程中产生的热量，保证整个测试过程的安全进行。

基于上述氢燃料电池散热系统，本申请还提出了一种氢燃料电池散热控制方法，如图3所示，主要包括如下步骤：

S1，关联存储氢燃料电池电能特性与输出热量之间的关联关系；

S2，关联存储氢燃料电池实时温度与散热组件300散热功率之间的对应关系；

S3，采集并基于氢燃料电池实时温度及电能特性，分析生成散热组件300最佳的散热功率；

S4，根据散热组件300特性及所需散热功率，生成对应的制冷控制算法；

S5，基于制冷控制算法，控制散热组件300动作。

上述步骤S1中，根据氢气、空气的通入量，结合电池的电能特性，例如输出功率等，可以大概计算出氢燃料电池输出的热量，将上述数据关联存储在存储模块401的数据表中，方便后期调取。

步骤S2中，通过试验可以得到各氢燃料电池实时温度下最佳的散热功率，上述散热功率不特指制冷器302的制冷功率，还包括第一驱动泵303、第二驱动泵306的运转功率。

步骤S3中，采集氢燃料电池实时温度，包括：

利用第一温度传感器101直接接触式采集氢燃料电池的温度；

利用红外测温传感器102非接触采集氢燃料电池的温度；

利用第二温度传感器104采集换热组件中冷却介质的温度；

基于利用不同方法采集的温度值，生成氢燃料电池的实时温度。

上述步骤利用多种方式获取氢燃料电池的温度值，结合相应的数据修正算法，可以计算生成更为准确的实时温度，同时，当其中一个温度传感器损坏后，通过其余测温方式也能够得到氢燃料电池的温度，保证系统的正常运行。

步骤S4中，对应的制冷控制算法，包括制冷器302的制冷功率及启停时间、第一驱动泵303、第二驱动泵306的运行功率及启停时间等，包括：

基于制冷控制算法，控制调节散热组件300中冷却介质的流速、调节散热组件300中冷却介质的温度、以及调节环境舱中通入新风的温度。

上述方法，不仅根据氢燃料电池的实时温度对散热组件300的散热功率进行调节控制，同时还根据氢燃料电池输出的电能特性分析未来设定时刻氢燃料电池可能产生的热量，结合上述实时温度及电能特性数据，能够对散热组件300作出更为精准的控制，保证散热组件300能够准确有效的将氢燃料电池的温度维持在设定的范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池散热系统，其特征在于，包括：

温度监测组件(100)，设于电池本体或环境舱中的设定位置，用于检测并输出实时温度信号；

电能信号分析组件(200)，与电池本体的电能输出端电性连接，采集电池本体的实时输出电能数据，并基于设定算法，生成并输出电能分析信号；

散热组件(300)，包括设于电池本体上或设于环境舱中的传热组件，以及与所述传热组件热传导连接的制冷器(302)；

控制组件(400)，配置为与所述温度监测组件(100)、电能信号分析组件(200)信号连接，且与所述制冷器(302)和/或传热组件控制连接，基于所述实时温度信号以及电能分析信号，控制所述制冷器(302)的制冷功率和/或传热组件的传热效率；

所述电能信号分析组件(200)包括与电池本体的电能输出端电性连接的馈能负载仪(201)，以及用于分析电能特性的分析处理模块(202)，所述分析处理模块(202)接收馈能负载仪(201)输出的检测数据，所述分析处理模块(202)包括加载有设定程序的DSP芯片模块，根据设定算法分析输出所述电能分析信号；

其中，所述设定算法包括：基于设定时间段内的多个检测数据，分析检测数据的变化趋势，得到设定时间后氢燃料电池的电能特性，所述电能特性包括功率大小、电流及电压的数值。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池散热系统，其特征在于，所述温度监测组件(100)包括设置于电池本体上的第一温度传感器(101)、设置于环境舱中的红外测温传感器(102)、以及与所述第一温度传感器(101)和红外测温传感器(102)信号连接的数据转换器(103)，所述数据转换器(103)接收第一温度传感器(101)以及红外测温传感器(102)输出的检测信号，将其转化为设定的数据格式后输出。

3.根据权利要求1所述的氢燃料电池散热系统，其特征在于，所述温度监测组件(100)还包括设置于所述传热组件中的第二温度传感器(104)，所述第二温度传感器(104)检测传热组件中传热介质的温度，输出所述实时温度信号。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池散热系统，其特征在于，所述传热组件包括设于电池本体上的换热管道(301)，所述换热管道(301)穿出到环境舱外部并与设置于环境舱外部的制冷器(302)相连通，构成一循环制冷回路；

所述换热管道(301)上设置有驱动所述换热管道(301)中传热介质流动的第一驱动泵(303)，所述第一驱动泵(303)与控制组件(400)控制连接。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池散热系统，其特征在于，所述传热组件还包括与所述环境舱连通设置的新风循环管路(304)，所述新风循环管路(304)与一新风制冷系统(305)相连通，且所述新风循环管路(304)上设有第二驱动泵(306)，所述新风制冷系统(305)及第二驱动泵(306)均与所述控制组件(400)控制连接。

6.根据权利要求1所述的氢燃料电池散热系统，其特征在于，所述控制组件(400)包括：

存储模块(401)，配置为用于存储各实时温度信号、电能分析信号对应的最佳制冷功率、冷却介质的流速及其对应的制冷控制算法；

数据匹配处理模块(402)，配置为与存储模块(401)数据连接且与温度监测组件(100)、电能信号分析组件(200)信号连接，接收所述实时温度信号及电能分析信号，调取存储模块(401)中设定的制冷控制算法并输出；

指令传输模块(403)，配置为与散热组件(300)控制连接，接收所述制冷控制算法并将其转换为指令信号输出至散热组件(300)。

7.一种氢燃料电池散热控制方法，应用于上述权利要求1-6任意一项所述的散热系统，其特征在于，包括：

关联存储氢燃料电池电能特性与输出热量之间的关联关系；

关联存储氢燃料电池实时温度与散热组件(300)散热功率之间的对应关系；

采集并基于氢燃料电池实时温度及电能特性，分析生成散热组件(300)最佳的散热功率；

根据散热组件(300)特性及所需散热功率，生成对应的制冷控制算法；

基于所述制冷控制算法，控制散热组件(300)动作。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池散热控制方法，其特征在于，采集氢燃料电池实时温度，包括：

利用第一温度传感器(101)直接接触式采集氢燃料电池的温度；

利用红外测温传感器(102)非接触采集氢燃料电池的温度；

利用第二温度传感器(104)采集换热组件中冷却介质的温度；

基于利用不同方法采集的温度值，生成氢燃料电池的实时温度。

9.根据权利要求8所述的氢燃料电池散热控制方法，其特征在于，所述基于所述制冷控制算法，控制散热组件(300)动作，包括：

基于制冷控制算法，控制调节散热组件(300)中冷却介质的流速、调节散热组件(300)中冷却介质的温度、以及调节环境舱中通入新风的温度。

Images