【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池作为大型供电电源的热管理领域，更具体地，涉及一种变电站燃料电池备用电源热管理系统及其控制方法。
技术介绍
1、燃料电池是一种把燃料存储的化学能直接转换成电能的化学装置，通常以氢气作为燃料通入阳极，空气作为氧化剂通入阴极进行反应，反应产物为水。燃料电池根据电解质可以分为质子交换膜燃料电池(pemfc)、碱性燃料电池(afc)、磷酸燃料电池(pafc)、固体氧化物燃料电池(sofc)以及熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)。其中质子交换膜燃料电池具有环境友好、可靠性高、启动时间快、能量转化效率高和运行温度低等优势，非常适合作为变电站的备用电源使用。
2、备用电源是保证变电站站用电源可靠性的重要设备。针对传统铅蓄电池搭配柴油发电机作为备用电源存在的能量密度低、维护不便、环境友好性差、更换周期短等问题，引入燃料电池作为新型站用电源，采用新型金属氢化物储氢技术，结合高效电力电子变换技术研究变电站新型备用电源架构，将有利于解决传统变电站站用电源系统交直流割裂问题，构建新型、高效、安全的绿色变电站站用电源系统。
3、质子交换膜燃料电池理想的工作温度范围约为60℃-80℃，电堆温度的变化对燃料电池的性能有显著影响。燃料电池内部进行着复杂的电化学反应，在提供电能的同时，往往伴随着大量的产热，使电堆温度上升。一方面，当燃料电池大功率、长时间运行时，往往需要合理的散热系统来控制温度，防止运行温度超过上限和局部过热；另一方面，在低温环境下，燃料电池电化学反应产热可能无法维持使系统维持在适宜温度，或者面临燃料电池启
4、金属氢化物储氢是一种新型的储氢技术，即利用储氢合金在一定的温度和压力条件下与氢气发生化学反应，生成金属氢化物，从而实现高密度储氢，随后再通过加热将氢气释放出来。吸放氢反应式可表示为
5、
6、镁系储氢合金凭借其储氢量大、成本低廉等优势被公认为最有前景的储氢材料，但脱氢所需的加热温度通常在280℃以上，所产生的高温气体需要经过预冷却过程才能通入阳极参与反应。同时，经过压缩机向阴极供应的空气温度通常高达上百度。因此，采用金属氢化物储氢的变电站用燃料电池系统阴阳极的反应物均为高温高压的气体，在通入阴阳极前需要经过冷却过程，防止膜电极上出现局部高温，造成膜电极损坏。
7、燃料电池冷却回路内部有压强限制，其中燃料电池电堆冷却腔的承压能力尤为有限，如果将水泵连接在燃料电池电堆冷却腔入口，需要重点关注入口处的冷却液压强。冷却回路中需要避免出现气泡和杂质，防止冷却腔中局部传热不均引起膜电极局部高温。电堆通过双极板将热量传递到冷却回路中，由于双极板同时也起到收集传导电流的作用，冷却液作为与双极板直接接触的对象，必须维持极低的电导率。燃料电池系统启动后，当冷却回路温度升高，冷却液将受热膨胀。在设计热管理系统时还必须考虑如何容纳冷却液的膨胀量，维持冷却回路压力稳定。
8、为实现燃料电池的高性能运行，防止部件损坏，附加热管理系统是必要的。针对不同类型的燃料电池及其应用场景，有被动冷却、空气冷却、液体冷却和相变材料冷却等不同的冷却方法。目前，对于长时间大功率运行的站用电源燃料电池系统，通常采用液体冷却是最优选择。
9、然而，现有技术中燃料电池的热管理系统中存在如下的不足：
10、lu xing等人在2022年于“modeling and thermal management of protonexchange membrane fuel cell for fuel cell/battery hybrid automotive vehicle[j].international journal of hydrogen energy,2022,47(3):1888-1900.”论文中提出了一种包含燃料电池热管理系统的的混合动力汽车模型，并在实际驱动循环下测试了热管理系统的性能。其中燃料电池电堆冷却回路的结构图如图1所示，模型采用pid控制调节冷却水流量，随后在实际驱动循环下测试了热管理系统的性能。燃料电池是典型的非线性时变强耦合动态系统，运行过程中存在大量随机扰动，采用传统pid控制可能难以满足系统的动态性能需求。事实上，所提出的热管理系统模型仅在cltc-p工况的低速阶段进行了测试，无法证明该热管理系统在燃料电池高功率运行时的有效性。
11、bo zhang等人在2020年为开放阴极式质子交换膜燃料电池设计了热管理系统，于“design and implementation of model predictive control for an open-cathodefuel cell thermal management system[j].renewable energy,2020,154:1014-1024.”中提出了一种新型模型预测控制(mpc)方法作为冷却系统中鼓风机的控制策略，所搭建的热管理系统如图2所示。该系统采用空气冷却方法，控制对象仅有开放阴极质子交换膜燃料电池系统中的冷却风扇，不存在多散热装置的耦合问题，并且冷却系统的规模有限，仅能满足小型燃料电池系统的冷却需求。
12、叶遥立等人也于中国专利cn115863694a中提出了一种大功率燃料电池双水泵散热系统，但该系统没有考虑到阳极供应气体的预冷却，不适用于采用新型合金储氢技术的变电站燃料电池备用电源系统，且其散热控制能力不够强。
13、国内外学者针对燃料电池热管理进行的研究主要集中在两个方向，即散热系统结构的设计和散热器控制策略的研究。目前基于燃料电池的新型变电站备用电源架构正处于试点推广阶段，关于变电站燃料电池备用电源热管理系统的研究相对薄弱。针对实际应用情景进行分析可知，长时间大功率运行的站用电源热管理系统的设计主要存在以下三个要点：
14、(1)一是系统既要有足够的散热能力，以应对站用电源长时间、高功率运行期间的温度控制问题；又要有通过冷却回路对电堆进行辅助加热的功能，以应对低温环境下燃料电池启动速度过慢甚至无法正常启动的问题，从而拓宽系统的应用场景。
15、(2)二是热管理系统的控制回路需要与站用电源的二次系统进行有效结合。
16、(3)三是对于采用采用新型合金储氢技术的变电站燃料电池备用电源，需要考虑到阳极通入反应气体的预冷却过程，且需要进一步提高散热模式下的散热能力。
17、因此，急需设计一种变电站燃料电池备用电源热管理系统及其控制方法，能够燃料电池作为站用电源长时间运行时的散热问题和低温环境下快速冷启动的问题。
技术实现思路
1、(一)要解决的技术问题
2、基于上述缺陷，本专利技术提出了一种变电站燃料电池备用电源热管理系统及其控制方法，该系统将为采用新型合金储氢技术的变本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，包括燃料电池电堆、过滤器、主冷却回路水泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀、PTC电加热器和主冷却回路散热器，所述过滤器的出口与燃料电池电堆的冷却腔入口连接，所述主冷却回路水泵的出口通过管道与过滤器的入口连接，所述第一三通阀和第二三通阀为两进一出的三通阀，所述第三三通阀和第四三通阀为两出一进的三通阀，所述主冷却回路散热器的冷却液出口通过管道与第二三通阀的第一入口连接，所述第二三通阀的出口与第一三通阀的第一入口连接，所述第一三通阀的出口与主冷却回路水泵的入口连接，所述PTC电加热器设置在第三三通阀的第一出口与第一三通阀的第二入口之间的管道上，以构成第二支路，所述第四三通阀的第一出口与第二三通阀的第二入口通过管道连接，以构成第三支路，所述燃料电池电堆的冷却腔出口与所述第三三通阀的入口连接，所述第三三通阀的第二出口与第四三通阀的入口连接，所述第四三通阀的第二出口与所述主冷却回路散热器的入口连接。
2.根据权利要求1所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，所述主冷却回路散热器包括导热金属板、散热鳍
3.根据权利要求1所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，还包括第一支路中的主冷却回路膨胀水箱和去离子器，所述主冷却回路膨胀水箱的入口通过管道与所述燃料电池电堆的冷却腔出口连接，所述去离子器的入口通过管道与所述主冷却回路膨胀水箱的出口连接，所述去离子器的出口通过管道与主冷却回路水泵的入口连接。
4.根据权利要求3所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，还包括入口压力传感器、入口温度传感器和出口温度传感器，入口压力传感器和入口温度传感器置于所述燃料电池电堆的冷却腔入口和过滤器的出口之间，所述出口温度传感器置于燃料电池电堆的冷却腔出口与所述主冷却回路膨胀水箱的入口之间。
5.根据权利要求4所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，还包括副冷却回路，所述副冷却回路中包括阴极气体换热器、阳极气体换热器、副冷却回路水泵、副冷却回路膨胀水箱和副冷却回路散热器，所述副冷却回路水泵的出口通过管道与阴极气体换热器和阳极气体换热器的冷却液入口连接，所述副冷却回路膨胀水箱的入口通过管道与阴极气体换热器和阳极气体换热器的冷却液出口连接，所述副冷却回路散热器的冷却液出口通过管道与副回路冷却水泵的入口连接，且所述副冷却回路散热器的冷却液入口通过管道与副冷却回路膨胀水箱的出口连接。
6.根据权利要求5所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，还包括RS485总线、第一控制器和第二控制器，所述第一控制器通过RS485总线进行主冷却回路以及各个支路的热管理控制，所述第二控制器通过RS485总线进行副冷却回路的热管理控制。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统的控制方法，其特征在于，所述变电站燃料电池备用电源热管理系统能控制实现电堆升温模式、电堆散热模式、电堆辅热模式三种工作模式；
8.根据权利要求7所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统的控制方法，其特征在于，所述电堆散热模式时，运行基于FFRLS在线辨识和LSTM神经网络的MARC最优温度自适应控制方法，该方法包括FFRLS在线辨识模型建模、基于LSTM神经网络的最优温度预测器、MRAC模型参考自适应控制方法；
10.根据权利要求9所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统的控制方法，其特征在于，所述MARC最优温度自适应控制方法中还包括：建立表征电堆温度特性的动态方程；
...【技术特征摘要】
1.一种变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，包括燃料电池电堆、过滤器、主冷却回路水泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀、ptc电加热器和主冷却回路散热器，所述过滤器的出口与燃料电池电堆的冷却腔入口连接，所述主冷却回路水泵的出口通过管道与过滤器的入口连接，所述第一三通阀和第二三通阀为两进一出的三通阀，所述第三三通阀和第四三通阀为两出一进的三通阀，所述主冷却回路散热器的冷却液出口通过管道与第二三通阀的第一入口连接，所述第二三通阀的出口与第一三通阀的第一入口连接，所述第一三通阀的出口与主冷却回路水泵的入口连接，所述ptc电加热器设置在第三三通阀的第一出口与第一三通阀的第二入口之间的管道上，以构成第二支路，所述第四三通阀的第一出口与第二三通阀的第二入口通过管道连接，以构成第三支路，所述燃料电池电堆的冷却腔出口与所述第三三通阀的入口连接，所述第三三通阀的第二出口与第四三通阀的入口连接，所述第四三通阀的第二出口与所述主冷却回路散热器的入口连接。
2.根据权利要求1所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，所述主冷却回路散热器包括导热金属板、散热鳍片和风扇组，所述导热金属板由铜制成，内部通过加工形成微细的空腔，腔内预先充入相变材料，所述散热鳍片由铝合金制成，设置在导热金属板上方，所述风扇组直吹散热鳍片，且所述风扇组内风扇数不少于4个。
3.根据权利要求1所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，还包括第一支路中的主冷却回路膨胀水箱和去离子器，所述主冷却回路膨胀水箱的入口通过管道与所述燃料电池电堆的冷却腔出口连接，所述去离子器的入口通过管道与所述主冷却回路膨胀水箱的出口连接，所述去离子器的出口通过管道与主冷却回路水泵的入口连接。
4.根据权利要求3所述的变电站燃料电池备用电源热管理系统，其特征在于，还包括入口压力传感器、入口温度传感器和出口温度传感器，入口压力传感器和入口温度传感器置于所述燃料电池电堆的...
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