基于氢发动机尾气热能回收的分布式热管理方法及系统与流程
本技术涉及固态储氢系统，具体而言，涉及一种基于氢发动机尾气热能回收的分布式热管理方法及系统。
背景技术：
1、随着氢能产业的快速发展，固态储氢技术因其高体积储氢密度、高安全性和良好的循环稳定性，被视为中长期储能与移动供氢的重要技术路径。然而，固态储氢材料（如金属氢化物、络合物等）在吸放氢过程中伴随着显著的热效应。放氢过程通常为吸热反应，需要外部持续供热以维持反应的动力学速率；而吸氢过程为放热反应，需要及时散热。因此，高效的热管理系统是保障固态储氢系统稳定运行的核心。
2、目前，主流的固态储氢系统热管理方式主要依赖于电加热或液体加热系统。其中，电加热通常采用缠绕在储氢罐外壁的电阻丝提供热量。虽然该结构简单，但存在能耗高、能量利用率低的问题。特别是在氢动力车辆或分布式能源系统中，氢发动机在运行过程中会产生大量高温尾气，这部分尾气通常含有可观的显热与部分水蒸气潜热，温度可达数百摄氏度。然而，在现有技术中，这部分热量常被直接通过散热器排放至环境中，造成了严重的能源浪费。由此可见，现有技术存在以下主要缺陷：
3、第一、热能利用单一：仅用于环境供暖或进气预热，未能将尾气余热深度耦合至核心储氢环节，能源利用率低。
4、第二、加热方式粗放：采用单通道或简单夹套式尾气流通设计，无法实现储氢罐多区域的差异化供热，容易导致“中心冷区”或“外壳过热”现象。
5、第三、缺乏闭环控制：未结合储氢材料内部状态（如反应前沿位置、内部温度场）进行反馈调节，难以实现精准的热管理。
6、第四、能量匹配失衡：氢发动机尾气的流量和温度随工况波动大，传统的固定通道换热结构难以适应不同工况下的热负荷需求。
7、因此，亟需构建一种“从氢能转换设备尾气→高效热回收→智能分配至固态储氢体”的一体化闭环热管理方法，以提升固态储氢系统的整体能效与可持续运行能力。
技术实现思路
1、本技术提供一种基于氢发动机尾气热能回收的分布式热管理方法及系统，通过回收氢发动机排出的高温尾气余热，对固态储氢罐进行分区、精准的热管理，以解决现有技术中电加热能耗高、尾气余热利用率低以及加热不均匀的技术问题。
2、具体的技术方案如下：
3、第一方面，本技术实施例提供了一种基于氢发动机尾气热能回收的分布式热管理方法，应用于固态储氢系统，所述固态储氢系统包括固态储氢罐和多个密闭微型换热腔室，所述固态储氢罐的金属外壳表面划分为多个独立加热分区，每个所述独立加热分区设置一个所述密闭微型换热腔室和温度传感器，且每个所述密闭微型换热腔室分别与下游用氢设备的排气系统相连，形成并联式气路，所有所述温度传感器构成分布式测温网络；
4、所述分布式热管理方法包括：
5、采集所述固态储氢罐多个外壁位置的实时温度数据，并结合所述固态储氢罐的几何结构参数、材料热物性参数以及罐内压力参数，基于预设高保真多物理场耦合模型，动态求解出储氢材料内部的三维温度场分布、反应前沿推进位置及局部热量积聚状态，之后，接收所述下游用氢设备的目标氢气流量指令，基于预设热力学–反应动力学联合模型，计算得到最优目标温度场分布，并根据所述最优目标温度场分布确定供热运行策略；
6、根据所述供热运行策略，对各个所述密闭微型换热腔室分别进行换热控制，同时实时监测各个所述独立加热分区的实际温度与目标温度的偏差，并基于多回路解耦pid控制器动态调节各个所述独立加热分区的加热功率输出，实现对储氢罐温度场的闭环协同控制。
7、在本技术的一些实施例中，所述采集所述固态储氢罐多个外壁位置的实时温度数据，并结合所述固态储氢罐的几何结构参数、材料热物性参数以及罐内压力参数，基于预设高保真多物理场耦合模型，动态求解出储氢材料内部的三维温度场分布、反应前沿推进位置及局部热量积聚状态，具体包括：
8、利用所有所述温度传感器对各个所述独立加热分区进行高频采样，采集得到各个所述独立加热分区的实时温度数据；
9、根据多个所述实时温度数据以及所述固态储氢罐的几何结构参数、材料热物性参数、罐内压力参数，基于预设高保真多物理场耦合模型，采用逆热传导算法与数据同化方法，动态求解出储氢材料内部的三维温度场分布、反应前沿推进位置及局部热量积聚状态。
10、在本技术的一些实施例中，所述根据多个所述实时温度数据以及所述固态储氢罐的几何结构参数、材料热物性参数、罐内压力参数，基于预设高保真多物理场耦合模型，采用逆热传导算法与数据同化方法，动态求解出储氢材料内部的三维温度场分布、反应前沿推进位置及局部热量积聚状态，具体包括：
11、基于所述预设高保真多物理场耦合模型，执行迭代计算过程，包括：利用当前时刻的所述固态储氢罐的几何结构参数、材料热物性参数、罐内压力参数进行正向热传导推演，得到预测的表面温度分布；计算所述预测的表面温度分布与多个所述实时温度数据之间的残差；基于所述残差，通过优化算法修正所述预设高保真多物理场耦合模型内部的热源项分布及材料热物性参数，以最小化所述残差，从而求解逆热传导问题；将修正后的热源项分布及材料热物性参数融合至所述预设高保真多物理场耦合模型的模型状态变量中，完成当前时刻的数据同化，更新储氢材料内部的状态估计值；
12、根据更新后的状态估计值，解析得到储氢材料内部的三维温度场分布、反应前沿推进位置及局部热量积聚状态。
13、在本技术的一些实施例中，所述供热运行策略包括辅电热启用状态、以及每个所述密闭微型换热腔室的开启状态与进气流量比例；所述根据所述最优目标温度场分布确定供热运行策略，具体包括：
14、判断达到所述最优目标温度场分布所需的功率是否大于所述排气系统的排热功率，若大于，则启用辅电热，切换至混合供热模式，否则不启用辅电热，切换至纯余热驱动供热模式；
15、在所述混合供热模式下，根据所述最优目标温度场分布，确定每个所述密闭微型换热腔室的开启状态与进气流量比例，再确定辅电热的加热功率；
16、在所述纯余热驱动供热模式下，根据所述最优目标温度场分布，确定每个所述密闭微型换热腔室的开启状态与进气流量比例。
17、在本技术的一些实施例中，所述接收所述下游用氢设备的目标氢气流量指令，基于预设热力学–反应动力学联合模型，计算得到最优目标温度场分布，具体包括：
18、接收所述下游用氢设备的目标氢气流量指令，将所述目标氢气流量指令转换为单位时间内的目标氢气摩尔流量，同时获取所述固态储氢罐的所述当前内部状态参数；其中，所述当前内部状态参数包括当前罐内平均压力及所述储氢罐的储氢材料的实时物性状态；
19、调用所述预设热力学–反应动力学联合模型，将所述目标氢气摩尔流量、所述当前罐内平均压力及所述储氢材料的实时物性状态作为输入变量，通过求解放氢反应速率与温度及压力的关联方程，逆向解算出满足所述目标氢气摩尔流量所需的储氢材料的所述内部目标温度场；其中，所述内部目标温度场包括所述储氢材料的理论最优平均温度及各个所述独立加热分区的空间温度分布参考值；
20、构建各个所述独立加热分区与内部温度场的传热映射关系，以所述内部目标温度场为约束目标，利用优化算法对各个所述独立加热分区的加热参数进行迭代求解，计算出各个所述独立加热分区对应的最优目标表面温度设定值，以得到所述最优目标温度场分布。
21、在本技术的一些实施例中，所述实时监测各个所述独立加热分区的实际温度与目标温度的偏差，并基于多回路解耦pid控制器动态调节各个所述独立加热分区的加热功率输出，实现对储氢罐温度场的闭环协同控制，具体包括：
22、实时监测各个所述独立加热分区的实际温度与目标温度的偏差；
23、执行动态调节步骤，所述动态调节步骤包括：将所有所述偏差输入至所述多回路解耦pid控制器，所述多回路解耦pid控制器基于预置热耦合模型以及相邻所述独立加热分区的热耦合干扰矩阵，计算相邻所述独立加热分区之间的热干扰分量，并根据所述热干扰分量对各个所述独立加热分区的初始pid控制量进行解耦修正，生成解耦后的温度控制指令，将所述解耦后的温度控制指令转换为各个所述密闭微型换热腔室的进气流量调节信号，动态调节施加于各个所述独立加热分区的加热功率输出；
24、在执行所述进气流量调节信号后，重新获取各个所述独立加热分区的实际温度与目标温度的偏差，并执行所述动态调节步骤，形成闭环控制回路。
25、在本技术的一些实施例中，所述动态调节施加于各个所述独立加热分区的加热功率输出，具体包括：
26、当某个所述独立加热分区的实时温度数据超过预设温度阈值时，优先降低该独立加热分区的加热功率输出。
27、在本技术的一些实施例中，所述分布式热管理方法还包括：
28、实时监测所述三维温度场分布中的最大温差与局部过热区域，当某个所述独立加热分区的实时温度数据超过材料安全阈值时，强制降低该所述独立加热分区的加热功率输出。
29、在本技术的一些实施例中，所述分布式热管理方法还包括：
30、定期对比所述预设热力学–反应动力学联合模型反演的理论流量与实际流量计读数，计算残差，若所述残差超过预设残差阈值，则在线修正所述预设热力学–反应动力学联合模型中的动力学参数。
31、第二方面，本技术实施例提供了一种基于氢发动机尾气热能回收的分布式热管理系统，应用于固态储氢系统，所述分布式热管理系统包括：
32、分布式尾气换热阵列模块，包括多个密闭微型换热腔室和多个温度传感器，所述固态储氢系统的固态储氢罐的金属外壳表面划分为多个独立加热分区，每个所述独立加热分区设置一个所述密闭微型换热腔室和一个温度传感器，且每个所述密闭微型换热腔室分别与下游用氢设备的排气系统相连，形成并联式气路，所有所述温度传感器构成分布式测温网络；
33、多点温度传感与状态反演模块，用于采集所述固态储氢罐多个外壁位置的实时温度数据，并结合所述固态储氢罐的几何结构参数、材料热物性参数以及罐内压力参数，基于预设高保真多物理场耦合模型，动态求解出储氢材料内部的三维温度场分布、反应前沿推进位置及局部热量积聚状态，之后，接收所述下游用氢设备的目标氢气流量指令，基于预设热力学–反应动力学联合模型，计算得到最优目标温度场分布，并根据所述最优目标温度场分布确定供热运行策略；
34、尾气智能分配与协同控制模块，用于根据所述供热运行策略，对各个所述密闭微型换热腔室分别进行换热控制，同时实时监测各个所述独立加热分区的实际温度与目标温度的偏差，并基于多回路解耦pid控制器动态调节各个所述独立加热分区的加热功率输出，实现对储氢罐温度场的闭环协同控制。
35、本技术实施例的创新点包括但不限于以下几点：
36、1、本技术实施例采用余热驱动式热管理，摒弃传统电加热元件，改用氢发动机排出的高温尾气作为主热源，通过高效换热结构将热量传递至储氢罐外壁，实现绿色、低碳的供热方式。
37、2、本技术实施例采用多区域独立热调控，多个微型换热腔室配合可切换流向与流量的尾气分流通道，构成分区式尾气加热阵列，支持对储氢罐不同区域进行差异化供热，消除温度梯度。
38、3、本技术实施例采用热流协同控制策略，建立“尾气参数–换热效率–材料温度场–放氢速率”的动态耦合模型，实现基于下游用氢需求的前馈预测与闭环调节，确保氢气输出平稳。
39、4、本技术实施例采用快速响应与能量缓冲机制，引入辅助电加热单元作为补充热源，在尾气供应不足或瞬态负载突增时启用，形成“主余热与辅电热”的混合供热架构，兼顾能效与响应速度。
40、本技术实施例的有益效果如下：
41、本技术将氢发动机排放的高温尾气作为主要热源，替代传统电加热方式，充分利用其热能量，实现废弃热能的梯级利用，通过智能换热系统将原本散失的热量转化为驱动放氢反应的有效能源，大幅减少对外部电能的依赖，整机能效提升40%以上，显著降低运行成本与碳足迹，实现了余热高效回收利用，显著降低系统能耗。
42、本技术采用分布式尾气换热阵列结构，每个加热分区独立控制通断与流量，结合温度场反演模型动态调节各区供热强度，支持多区域精准供热，保障温度场均匀稳定，有效消除了“中心冷区、外壳过热”现象，避免了局部热应力损伤材料结构，确保了储氢材料在均匀热环境下工作，提升了放氢反应一致性与系统安全性。
43、本技术具备智能协同控制能力，其集成前馈预测与闭环反馈控制策略，根据下游用氢需求实时计算目标温度场，并结合尾气参数智能分配热量。当尾气不足时自动启用辅助电加热，实现“主余热与辅电热”无缝切换，兼顾节能性与瞬态响应能力，满足负载快速波动下的稳定供氢要求，响应快且运行可靠。