一种机载多源余热梯级驱动的固态储氢供能系统、机器人及热流路径控制方法

本发明属于机器人动力系统与新能源，具体涉及一种机载多源余热梯级驱动的固态储氢供能系统、机器人及热流路径控制方法。

背景技术：

1、随着机器人技术向更广泛的工业和特种作业场景渗透，动力系统的续航能力日益成为制约其应用拓展的关键瓶颈。当前，绝大多数移动机器人依赖锂电池作为核心能源，然而锂电池能量密度有限（通常低于300wh/kg），使得机器人单次充电后的工作时间往往不足2小时，严重限制了其在巡检、侦察、救援等需要长时间连续作业的任务中的效能发挥。为解决续航短板，传统技术手段通常依赖于机器人自主返航充电或配置大容量电池组，前者会中断机器人工作的连续性并降低其作业效率，后者则显著增加整机重量与结构负荷。

2、近年来，氢燃料电池因能量密度远高于锂电池（约为后者的2-3倍）、可在低温环境中稳定工作且补能迅速等优势，开始进入机器人动力领域的研究视野。在氢燃料电池供氢方面，高压气态储氢虽技术相对成熟，但需承受30mpa乃至更高的压力，存在泄漏及爆炸风险，且笨重的储罐结构严重挤占机器人的内部空间；低温液态储氢需冷却至-253℃以下，能耗极高，工程实现难度极大。相比之下，固态储氢技术通过金属或合金与氢气发生化学反应形成金属氢化物，以固态形式将氢气储存于合金晶格间隙之中，具备体积储氢密度高、工作压力低（通常低于3mpa）以及氢气泄漏时可自控缓释等显著安全优势。

3、在上述背景下，面向机器人应用的燃料电池与固态储氢系统专项研究已逐步开展，力求突破高功率、高能量密度的小型化技术瓶颈。然而，当前面向机器人场景的固态储氢与燃料电池一体化集成研究仍存在以下关键技术问题未能得到有效解决：

4、其一，固态储氢放氢的供热需求与系统产热在时间维度上存在错配。 固态储氢合金放氢为强吸热反应，需持续输入热量以维持反应速率。传统方案采用电加热方式为储氢罐供热，但该方式直接消耗电能，降低了系统整体能效。另一方面，燃料电池电堆与驱动电机在运行过程中产生大量废热，现有技术中缺乏将该废热高效传递至储氢罐以驱动放氢的系统化设计，导致一方面废热被白白排散至环境造成能量浪费，另一方面储氢放氢仍需额外消耗电能供热，整机能量利用效率低下。

5、其二，机器人动态负载工况下产热量剧烈波动，而固态储氢放氢对温度变化敏感，二者动态匹配困难。 机器人在行走、越障、加速等不同运动模式下，电机输出功率与燃料电池产热量呈数倍至数十倍的变化，产热量的剧烈波动导致传递至储氢罐的热量极不稳定。当产热不足时，储氢罐温度下降导致放氢速率降低甚至停止，供氢稳定性难以保证；当产热过剩时，储氢罐超温会加速储氢合金性能衰减、缩短循环寿命，同时存在热失控风险。

6、其三，现有技术中缺乏针对产热过量工况的有效热缓冲与热泄放机制。 目前的固态储氢-燃料电池集成方案通常仅关注“如何收集热量”，而未解决“热量过多时如何处理”的问题。当机器人长时间高负载运行时，持续的过量产热积累会导致相变材料饱和后失去缓冲能力，进而引发系统超温损坏。

7、其四，固态储氢罐在机器人机体上的布置方式仍停留在附加式思维。 现有方案将储氢罐作为独立的功能模块安装于机器人内部或外部，罐体本身仅承担储氢功能，未利用其抗压结构特性参与机体承载。这种“死重”式布置不仅增加了整机重量与体积，还导致机器人重心偏高、运动稳定性下降。

8、因此，针对上述所存在的技术问题缺陷，急需设计和开发一种机载多源余热梯级驱动的固态储氢供能系统、机器人及热流路径控制方法。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术存在的不足及困难，本发明之目的在于，提供一种机载多源余热梯级驱动的固态储氢供能系统、机器人及热流路径控制方法；旨在解决现有移动机器人动力系统中，固态储氢放氢供热与燃料电池/电机废热排放在时间维度与能量品位上难以动态匹配的技术问题，以在有限机载空间与载重约束下最大化整机能量利用效率，同时提升供氢稳定性与系统安全性。

2、本发明的第一目的在于提供一种机载多源余热梯级驱动的固态储氢供能系统；本发明的第二目的在于提供一种机器人；本发明的第三目的在于提供一种用于所述固态储氢供能系统的热流路径控制方法；本发明的第四目的在于提供一种计算机可读存储介质。

3、本发明的第一目的是这样实现的：所述系统包括具有依次串联的热源段、分配段与耗热段的集热回路；连通至所述耗热段且用于在受热时释放氢气至用电负载的固态储氢单元；以及第一热源和第二热源，所述第一热源与所述第二热源均耦接至所述热源段，所述集热回路内的热交换介质依次流经所述第一热源与所述第二热源，并分别吸收所述第一热源与所述第二热源运行产生的第一余热与第二余热；

4、所述系统还包括设置于所述分配段且具有第一输出端、第二输出端与第三输出端的热分配节点；其中，所述第一输出端直连至所述耗热段；所述第二输出端经由相变缓冲单元连接至所述耗热段；所述第三输出端经由散热单元连接至所述耗热段；以及响应于所述热交换介质的温度参数且选择性地导通所述第一输出端、所述第二输出端或所述第三输出端的控制器；其中，所述控制器的选择性地导通使得所述固态储氢单元选择性地接收由所述热交换介质直接传递的热量、经所述相变缓冲单元缓冲后的热量、或经所述散热单元调温后的热量。

5、进一步地，所述相变缓冲单元内封装有相变储热介质；

6、所述相变缓冲单元串联于所述第二输出端与所述耗热段之间，用于在所述温度参数超出预设阈值时吸收并储存所述热交换介质携带的部分热量，并在所述温度参数回落时释放所储存的热量至所述热交换介质。

7、进一步地，所述散热单元为主动风冷式换热器；

8、所述散热单元串联于所述第三输出端与所述耗热段之间，且所述散热单元响应于所述相变缓冲单元达到储热饱和状态时启动，将所述热交换介质携带的过余热量排散至外界环境。

9、进一步地，所述第一热源为燃料电池电堆；所述第二热源为驱动机器人关节运动的电机；所述用电负载包括所述燃料电池电堆的辅机与所述电机。

10、进一步地，所述固态储氢单元为多个彼此并联或串联的金属氢化物储氢罐体；其中，多个所述罐体用于分散布置于机器人机体的结构框架内，且所述罐体自身的抗压结构特性用于作为所述结构框架的承力构件。

11、进一步地，所述集热回路中还串联有辅助电热模块；其中，所述辅助电热模块耦接至机载蓄电池；

12、所述控制器在所述温度参数低于所述固态储氢单元的释氢起始温度时启动所述辅助电热模块，以对所述热交换介质进行预热。

13、进一步地，所述控制器包括第一温度采样端与第二温度采样端；

14、其中，所述第一温度采样端设置于所述热源段的出口处，且用于生成所述温度参数并控制所述热分配节点在所述第一输出端与所述第二输出端之间切换；

15、所述第二温度采样端设置于所述相变缓冲单元的输出侧，且用于控制所述热分配节点在所述第二输出端与所述第三输出端之间切换。

16、本发明的第二目的是这样实现的：所述机器人包括机体框架；以及所述的固态储氢供能系统；其中，所述固态储氢供能系统的固态储氢单元分布于所述机体框架的内部和/或四肢关节处，且所述固态储氢单元固定连接于所述机体框架，且所述固态储氢单元的壳体作为所述机体框架的承力结构件；

17、所述固态储氢单元在所述机体框架上的分布位置与所述机器人的质心预设位置相适配，以降低所述机器人运动过程中的惯性力矩。

18、本发明的第三目的是这样实现的，所述方法包括如下步骤：

19、采集集热回路出口处热交换介质的第一温度；

20、当所述第一温度低于第一阈值时，切换热分配节点至第一导通状态，所述第一导通状态下所述热交换介质直通固态储氢单元；

21、当所述第一温度不低于所述第一阈值时，切换所述热分配节点至第二导通状态，所述第二导通状态下所述热交换介质先流经相变缓冲单元再流入所述固态储氢单元；

22、采集所述相变缓冲单元输出侧热交换介质的第二温度；

23、当所述第二温度高于第二阈值时，切换所述热分配节点至第三导通状态，所述第三导通状态下所述热交换介质先流经散热单元再流入所述固态储氢单元。

24、本发明的第四目的是这样实现的，所述存储介质存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述热流路径控制方法。

25、本发明方案通过将燃料电池电堆与关节电机作为串联双热源集成于集热回路中，使热交换介质依次流经二者以梯级吸收其运行产生的双源余热，并利用具有三个输出端的热分配节点根据温度参数自动切换直供、相变缓冲与强制散热三级热流路径，使固态储氢单元在全工况下获得温度适宜且连续稳定的供热以驱动放氢，同时将多个储氢罐体分散固定于机体框架并作为承力结构件参与承载，从而在整机重量与体积约束下实现，以废热驱动供氢替代电加热，降低系统辅助加热能耗；并以三级热流路径的闭环控制，匹配动态负载工况下的产热波动与耗热需求；以储氢罐兼作结构件，减少额外支撑结构并参与整机质心调节；以低压固态储氢，区别于高压气态储氢的承压结构需求与泄漏风险。