一种氢燃料电池控温电路、系统及船舶

技术领域

本申请涉及新能源电车设计与应用技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池控温电路、系统及船舶。

背景技术

在质子交换膜燃料电池应用中，高效且可控的水热管理对于电池堆工作在最佳工作温度至关重要。合适的温度不仅可以保证电池堆工作在最优区间，且有利于功率输出，而且能保证电池堆的耐久性。过高的温度会导致燃料电池组件加速老化、效率降低并潜在一定的安全隐患；过低的温度会使燃料电池堆中的催化剂不能工作在高效区间，降低催化效率，而且极易发生水淹事故。

目前，质子交换膜燃料电池采用散热器来完成，这种控温方式需要按照散热器具体选型进行标定，因不同应用匹配不同类型的风扇，所以该种控温方式极大增加了标定人员的工作量。另一方面，部分控温方式采用散热器进行换热处理，即由燃料电池发电系统向船舶冷却系统发送目标温度，由船舶冷却系统进行板换侧升、降温以达到相应目标温度，该种控温方式不需要对电池堆进行控制策略，减少了工作量，但与电池堆分离，使电池堆安全性存在一定风险，且该控温方式需在船舶冷却回路加入额外的加热装置，增加了使用成本，整个回路完全加热到合适温度所需时间较长。而控温方式还需补充调节温器，该调温器通过混掺大循环及小循环冷却液进行温控处理，但是温控系统属于大延迟系统，目前的温控方式极易产生超温、欠温等温度震荡问题。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请实施例提供一种氢燃料电池控温电路、系统及船舶。

本申请第一方面实施例提出了一种氢燃料电池控温电路，包括：控温模块及冷却模块，其中：

所述冷却模块包括多个级联的冷却回路，用于冷却液体，并对电池堆的发热量进行配置，以避免电池堆超温；

所述控温模块连接于次末级冷却回路与末级冷却回路之间，根据温度对液体的流量进行控制，使温控调节的步长和液体流量的变化量呈线性对应关系。

本申请第二方面实施例提出了一种氢燃料电池控温系统，包括：本申请第一方面实施例提出的氢燃料电池控温电路。

本申请第三方面实施例提出了一种船舶，包括：本申请第二方面实施例提出的氢燃料电池控温系统。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本申请的氢燃料电池控温电路、系统及船舶，根据温度对液体的流量进行控制，使温控调节的步长和液体流量的变化量呈线性对应关系，解决了电池堆实际发热特性需提前修正开度的问题，使电池堆的温度的波动更加缓和，且更快地达到目标温度范围。

本申请的氢燃料电池控温电路、系统及船舶，解决了稳态阶段温控无法更精确、收敛速度慢的缺陷，且操作简单，具有广泛的适用性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的氢燃料电池控温电路的结构示意图；

图2为本申请一示例所提供的温控方案中调节步长与液体流量关系的示意图；

图3为本申请实施例所提供的控温模块的调节步长与液体流量关系的示意图；

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”及“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的要素。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参照附图描述本申请实施例的氢燃料电池控温电路、系统及船舶。

图1为本申请实施例提供的一种氢燃料电池控温电路的结构示意图。如图1所示，该氢燃料电池控温电路：控温模块及冷却模块，其中：

如图1所示，冷却模块20包括多个级联的冷却回路，用于冷却液体，并对电池堆的发热量进行配置，以避免电池堆超温。

燃料电池(在本申请中，指的是氢燃料电池)冷却的液体对电池堆的性能和寿命影响极大，液体本身是为了散热，同时需要进入电池堆内部参与循环，如果在这个流动循环的过程中无法抑制离子电导率，就会导致电导率升高，使得燃料电池的性能下降，同时液体中带电是十分危险的事情，会导致设备的电气元件被电流击穿损坏，严重可能导致人员受伤等安全事故，因此，需要对冷却模块20进行严格的把控。

通常情况下，电池堆还设置有巡检装置CVM(condition voltage monitoring)，用来采集单体电压信号(或者电池堆总电压信号)，并将其发送到燃料电池系统控制器，通过对电压信号的检查，来判断燃料电池的工作状态，这是因为电池的健康状态主要反映在其单体电压上，过干、过湿、缺气等不良操作条件以及机械损伤等因素均会使燃料电池的单体电压发生改变，因此，温度是否合适，体现了冷却系统20是否功能正常。

具体地，作为示例，冷却系统20包括：第一级冷却回路21、第二级冷却回路22、第三级冷却回路23及水箱24，其中，控温模块10连接于第二级冷却回路22的第二端与第三级冷却回路23的第一端之间；水箱24连接于第二级冷却回路22的第三端与第三级冷却回路23的第一端之间。

燃料电池系统的热源主要来自电池堆，在极端工况下，电池堆的温度上限通常在85摄氏度左右，而电池堆的最佳工作温度范围包括60摄氏度至85摄氏度，需要根据工作状况对电池堆进行热管理，在高温时，通过冷却系统20降低电池堆的温度，同时使电池堆中单电池间的温差尽可能晓，进出口的温差控制在5摄氏度至10摄氏度范围内，根据温控的具体要求，控制液体的流速，以保证例如船舶的安全和高效运行。

如果是船舶使用的氢燃料电池控温电路，在第一级冷却回路21的入口RiverInlet，一般会接入河水，或者是湖水，或者是海水，经过第一级冷却，将冷却后的液体传输至下一级冷却回路中。

更具体地，第一级冷却回路21包括第一冷却回路水泵211及第一板式换热器212，其中，第一冷却回路水泵211的输入端接入液体；第一板式换热器212的第一端与第一冷却回路水泵211的输出端连接。需要说明的是，第一冷却回路水泵211可以改变液体的流量，通过控制第一冷却回路水泵211的转速来调节液体的流量，进而达到控制电池堆温度的目的。第一板式换热器212通常由带一定波纹形状的金属板片叠装而成，用于进行换热，其结构部件包括板片、垫片、压紧板(活动压紧板和固定压紧板)、框架(上、下导杆，前支柱)、夹紧螺栓组成，各板片之间形成薄矩形通道，板片之间由密封垫片进行密封并导流，分隔出冷/热两个流体通道，冷/热换热介质分别在各自通道流过，与相隔的板片进行热量交换，以达到环境所需温度。

更具体地，第二级冷却回路22包括：第二冷却回路水泵221、第一温度传感器222、第二板式换热器223及第一冷却截止阀224，其中：第二冷却回路水泵221的输入端与第一级冷却回路21的第二端连接(即第二冷却回路水泵221的输入端与第一板式换热器212的第二端连接)；第一温度传感器222与第二冷却回路水泵221的输出端连接；第二板式换热器223的第一端与第二冷却回路水泵221的输出端连接；第一冷却截止阀224连接于第二板式换热器223的第四端与第一级冷却回路21的第三端之间(第一冷却截止阀224连接于第二板式换热器223的第四端与第一板式换热器212的第三端之间)。需要说明的是，第一温度传感器222用来检测换热能力，第一冷却截止阀224用于根据环境温度对液体从第二板式换热器223流程的路径进行控制。

作为示例，如果是海洋环境，第一级冷却回路21接入的液体为海水，一般情况下，第一级冷却回路21还包括淡化转置，用于对海水进行淡化操作，以避免流入电池堆的液体带有导电性，因而造成安全风险。

更具体地，第三级冷却回路23包括：第三冷却回路水泵231、颗粒过滤器232、第一压力传感器233、第二温度传感器234、第三温度传感器235、第二压力传感器236、加热器237及去离子器238，其中：第三冷却回路水泵231的输入端与所述控温模块连接；颗粒过滤器232的输入端与第三冷却回路水泵231的输出端连接，颗粒过滤器232的输出端与电池堆的第一端连接；第一压力传感器233与颗粒过滤器232的输出端连接；第二温度传感器234与颗粒过滤器232的输出端连接；第三温度传感器235及第二压力传感器236均与电池堆的第二端连接；加热器237连接于第三冷却回路水泵231的输入端与输出端之间；离子器238与加热器237并联。

需要说明的是，加热器237可以使电池堆在低温冷启动时迅速升温达到所需的温度，如果电池堆采用质子交换膜燃料电池，合适的温度能够使质子交换膜高效地传导氢离子，并阻止电子传递和隔离阴阳极反应的多重作用。去离子器238用于吸收析出在液体中的阴阳离子，使液体的电导率维持在一个较低的水平上。颗粒过滤器232用于过滤液体这种的铁离子、铝离子等物质，这是因为，在冷却回路中，换热器等元件中会持续不断地析出铁离子、铝离子等物质，这会改变液体的电导率，因此，在液体进入电池堆之前，需要将析出的物质进行过滤。第二温度传感器234用于检测入电池堆的液体的第一温度，并将该第一温度作为主控变量，第一温度与目标温度的差值大小将直接影响电池堆的性能。第三温度传感器235用于检测出电池堆的液体的第二温度，第二温度与第一温度的差值将决定电池堆散热能力是否足够，差值越小说明散热能力越强，差值越大说明散热能力越弱。第一压力传感器233用于检测液体入电池堆的第一压力，第一压力不可过大，过大则会损坏电池堆。第二压力传感器236用于检测液体出电池堆的第二压力，第二压力和第一压力的差值用于检测电池堆冷却路的损耗大小。

水箱24作为补水装置，用于进行气体排放、促进气液分离，保证冷却模块20内部压力的稳定，同时也可以防止第一冷却回路水泵211、第二冷却回路水泵221以及第三冷却回路水泵231被汽蚀。

进一步地，冷却模块20包括但不限于三级冷却回路，应根据实际的使用场景堆冷却回路进行设置，只要能用于冷却液体，并对电池堆的发热量进行配置，以避免电池堆超温，任意冷却模块20的设置形式均适用，并不以本实施例为限。

如图1所示，控温模块10连接于次末级冷却回路与末级冷却回路之间，根据温度对液体的流量进行控制，使温控调节的步长和液体流量的变化量呈线性对应关系。作为示例，如果冷却模块20包括三个级联的冷却回路，则控温模块10连接于第二级冷却回路22和第三级冷却回路23之间。

具体地，作为示例，控温模块10包括算法单元11及温控单元12，其中，温控单元12的第一端与次末级冷却回路的第二端连接(在本实施例中，温控单元12的第一端与第二级冷却回路22的第二端连接)，温控单元12的第二端与末级冷却回路的第一端连接(在本实施例中，温控单元12的第二端与第三级冷却回路23的第一端连接)，温控单元12的第三端与末级冷却回路的第二端连接(在本实施例中，温控单元12的第三端与第三级冷却回路23的第二端连接)；算法单元11与温控单元12的控制端连接，对温控调节的步长和液体流量的变化量进行算法调节。

更具体地，算法单元11设置的算法包括樽海鞘群寻优算法及PID算法。需要说明的是，樽海鞘群算法(salp swarm algorithm，SSA)是根据对樽海鞘的群集行为和种群进行建模，进而求解氢燃料电池控温策略，控温策略分为升温和降温两大部分，其中，升温部分包括升载时升温和稳态波动升温两个步骤；降温部分同样包括降载时降温和稳态波动降温两个步骤。升载时升温和降载时降温被定义为动态阶段，该阶段是为了更快使温度达到稳态阶段，从而根据电池堆的特性制定线性控温策略；稳态波动升温和稳态波动降温为稳定阶段，在该阶段采用算法单元11进行控温。

算法单元11对温控单元12进行线性化操作，以满足流入第三级冷却回路23的液体能够被精确控制。如图2所示，在非线性情况下，每调节温控单元12相同的调节步长Δduty，流入的液体的流量是不同的，在初期，虽然步长处于增长阶段，但是流量的增长较为缓慢，这时曲线呈现较为平缓的上升；在中期，随着步长的增长，流量的增长逐渐加快，曲线呈现快速上升的态势；在末期，因为饱和，随着步长的增长，流量的增长逐渐缓慢。

需要说明的是，图2中流量与步长的关系的模型表达式如下：

其中，f(t)＝a

对上述表达式等号两边同时求导数，得到：

将

Q＝b

因此，通过算法单元11的线性化操作，以便实现对温度的精确控制。

具体地，在动态阶段，电池堆拉载不同电流时，对应的温度是不同的，而相同的电流改变量对应的温差也不同，因此需要根据电流大小分析电池堆自身的发热特性。在电池堆从待机到怠速(怠速即出工不出力)阶段，由于自身发热量较小，这个阶段又需要快速积累热量，达到电池堆所需温度，因此，实际的入堆温度T

在升载时升温阶段，因电流增加，则电池堆发热量增加，控温模块需要维持当前的开度Duty(0度表示控温模块全关，90度表示控温模块全开)，以防止控温模块调节过度而造成温度震荡。

在升载时升温结束后，电池堆进入稳态运行阶段，需等待时间t

其中，总共的温度有n个，

在升载时升温阶段开始时，因升载前电池堆发热量较小，故控温模块的开度较小；在进行升载时，电池堆发热量持续增加，目标温度也随之增加，如果算法单元11单纯采用PID算法调节，会导致温控单元12继续小循环开启，造成热量瞬时积累严重，容易导致超温及温度震荡情况。这是因为目标温度持续增加，PID算法的比例环节较难跟随温度增加的速度，导致比例更新滞后，进而导致积分环节和微分环节存在误差。

因此，在PID算法的基础上结合樽海鞘群算法，对差值ΔT以及升温曲线的斜率T

在降载时降温阶段，由于电池堆从高电流降载到低电流，电池堆的发热量减少，但是控温模块10中温控单元12仍然处在高发热阶段，此时目标温度T

低于目标温度T

在动态阶段完成后，如果入堆温度T

作为示例，温控单元包括三通节温器。根据冷却液体的温度的高低自动调节进入电池堆的也体谅，改变液体的循环范围，以调节多级冷却回路的散热能力，保证电池堆在合适的范围内进行工作。如图3所示，通过温控单元的调节，温控单元的步长和液体流量的变化量呈线性对应关系。

在示例性实施例中，还提供一种氢燃料电池控温系统，包括本申请实施例提供的氢燃料电池控温电路，氢燃料电池控温系统的工作流程请参阅相关内容的记载，此处不再赘述。

在示例性实施例中，还提供一种船舶，包括本申请实施例提供的氢燃料电池控温系统，船舶的工作流程请参阅相关内容的记载，此处不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。