基于动态混合度和满意牵引条件的燃料电池/超级电容混合动力机车能量管理瞬时优化控制方法研究

A fuel cell/super-capacitor hybrid power locomotive technology is one of the research frontiers of new energy application in rail transit domain. In this project, due to the balance problem between the power performance and the fuel economy, and the optimization problem of the fuel economy (hydrogen consumption) under different traction conditions, locomotive marshalling ways (motor car or trailer car) and the load configurations, an energy management instantaneous optimization control strategy based on dynamic degree of hybridization and satisfied traction condition for fuel cell/super-capacitor hybrid power locomotive is proposed by developing an instantaneous hydrogen consumption model of the high-power locomotive based on equivalent hydrogen consumption theory and investigating a multi-operating mode optimization control problem of high-power locomotive fuel cell power system efficiency based on satisfied traction condition. The proposed control method which is an expansion for the energy management technology of the fuel cell hybrid system with small and medium-sized power can guarantee power performance and the economy better under different driving and braking modes and reduce parasitic consumption of high-power fuel cell power system to achieve the efficiency optimization of different power sources. Furthermore, this method is also able to prolong the cycle life of different power sources and then enhance the safety and reliability for the whole system. The research of this project will provide some theoretical and technological support for developing the efficient and environmental fuel cell/super-capacitor hybrid power locomotive.

燃料电池/超级电容混合动力机车技术是目前轨道交通领域新能源应用的研究前沿之一。由于机车在不同牵引工况、编组方式（动、拖车）和载重配置下存在整车动力性和燃料经济性兼顾问题，以及整车燃料经济性（氢耗量）优化问题，本项目通过建立基于动态混合度的燃料电池/超级电容混合动力机车瞬时等效氢耗模型和深入研究基于满意牵引条件的大功率机车燃料电池发电系统效率多工况优化问题，拟提出一种基于动态混合度和满意牵引条件的大功率燃料电池/超级电容混合动力机车能量管理瞬时优化控制方法。本项目的研究是对中小功率燃料电池混合动力系统能量管理技术的拓展，所提出控制方法能够在不同驱动和制动模式下兼顾整车动力性和经济性，减少作为主动力源的大功率燃料电池发电系统的寄生损耗，实现各动力源运行效率优化和延长各动力源循环使用寿命，达到提高机车安全性和可靠性的目的，对研发环保、高效的燃料电池/超级电容混合动力机车提供一定的理论和技术支撑。

燃料电池/超级电容混合动力机车技术是目前轨道交通领域新能源应用的研究前沿之一。由于机车在不同牵引工况和载重配置下存在整车动力性和燃料经济性兼顾问题，以及整车燃料经济性优化问题，本项目通过分析基于满意牵引条件的过氧比（OER）区域特性以及动态混合度与氢耗量耦合关系，提出了一种基于满意OER区域和多运行模式的燃料电池混合动力系统能量管理控制方法，减少了作为主动力源的大功率燃料电池发电系统的寄生损耗，实现了各动力源运行效率优化和延长各动力源循环使用寿命，达到了提高机车安全性和可靠性的目的，并实现了研究成果的工程化应用。主要研究成果如下：.（1）建立了整车动力源系统的等效氢耗模型。建立了基于戴维斯公式的机车单位基本阻力模型，完成了混合动力系统参数匹配，并根据等效氢耗理论，建立了整车动力源系统的等效氢耗模型。.（2）提出了基于满意OER区域的燃料电池系统效率优化方法。通过分析基于满意牵引条件的OER区域特性，提出了一种基于满意OER区域的燃料电池系统效率控制方法。.（3）提出了基于多运行模式和动态混合度的燃料电池混合动力系统能量管理控制方法。通过研究机车用燃料电池混合动力系统的能量管理瞬时优化方法，分析了动态混合度与氢耗特性的相互耦合关系，提出了一种基于多运行模式和动态混合度的整车多源能量管理控制方法。.（4）.获奖：教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学二等奖（超额完成）.（5）学术论文：已发表（含录用）论文36篇，其中SCI 14篇，EI 22篇。（超额完成）.（6）.出版专著：出版中文专著1部，英文专著（章节）1部。（超额完成）.（7）.发明专利：授权发明专利8项，申请发明专利10项。（超额完成）.（8）.学生培养：培养博士研究生3名，硕士研究生4名。（超额完成）.（9）学术交流：邀请同行专家学术讲座6人次、项目组成员出国交流2人次。（超额完成）.（10）样机研制：研制世界第一列商用型燃料电池混合动力100%低地板有轨电车。（超额完成）