基于多层次结构化的机车用燃料电池系统效率多牵引工况优化控制方法研究

A fuel cell electric locomotive technology is one of the research frontiers of new energy application in the rail transit domain. In this project, in order to avoid the severe phenomenon of "parasitic consumption" and guarantee the operating efficiency and reliability under different traction conditions, locomotive marshalling ways (motor car or trailer car) and the load configurations, an efficiency optimization problem of the high-power locomotive fuel cell power system is investigated through analyzing the optimization characteristics of the high-power locomotive fuel cell system efficiency and solving an "optimal operating condition". Furthermore, a multi-tractional optimal inverse control of the system efficiency based on a multi-hierarchical structuration is proposed. This proposed control method which is an expansion for the efficiency control tecnology of the fuel cell system with small and medium-sized power can maximize the system net output power, reduce the system parasitic consumption and prolong the system lifetime under different traction conditions, and then achieve the system efficiency optimization. It also could conquer the influence on the wide range of operating conditions change and the perturbation of system uncertainty to enhance the safety, reliability and stability for the whole system. The research of this project will provide some theoretical and technological support for developing the efficient and environmental fuel cell electric locomotive.

燃料电池电动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。为避免大功率机车用燃料电池系统出现严重的"寄生损耗"问题，保证机车在不同牵引工况、编组方式（动、拖车）和载重配置下的高效、可靠运行，本项目拟通过分析大功率机车用燃料电池系统效率的最优化特征和优化求解系统"最优运行条件"，深入研究大功率机车用燃料电池系统效率的最优化问题，拟提出一种基于多层次结构化的系统效率多牵引工况优化逆控制方法。本项目的研究是对中小功率燃料电池系统效率控制技术的拓展，所提出的控制方法能够在不同牵引工况下最大化系统净输出功率、减少系统寄生损耗、延长系统使用寿命，进而实现系统的效率优化，并能够克服大范围牵引工况变化以及系统不确定性摄动所带来的影响，达到提高机车系统的安全性、可靠性和稳定性的目的，对研发高效、环保的燃料电池电动机车提供一定的理论和技术支撑。

燃料电池电动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。为避免机车用燃料电池系统出现严重的寄生损耗问题，本项目通过分析燃料电池系统的最优运行特征分析和求解最优运行条件，提出了一种基于功能分层和自适应逆控制策略的燃料电池系统多层次最优性能控制方法，实现了系统辨识层、控制层和调节层的有效划分，达到了在不同负载工况下最大化系统输出功率的目的，延长了系统的使用寿命，提高了系统的稳定性和鲁棒性。主要研究成果如下：.（1） 分析了燃料电池系统最优运行特征。开展了基于净输出功率、电堆运行温度和过氧比的燃料电池系统效率最优化特征分析，研究了不同运行参数对系统效率的影响，求解了电堆运行温度和空气过量系数的约束运行边界条件。.（2） 提出了基于最优温度运行条件的燃料电池系统功能分层方法。根据负载运行范围，开展了基于最优温度运行条件的燃料电池系统功能分层方法研究，划分了系统辨识层、控制层和调节层。.（3） 提出了基于自适应逆控制策略的燃料电池系统多层次最优性能控制方法。开展了基于自适应逆控制策略的燃料电池系统多层次最优性能控制方法研究，实现了在不同负载工况下最大化系统输出功率，提高了系统稳定性和鲁棒性。.（4） 学术论文：已发表论文23篇，其中SCI 15篇，EI 8篇。（超额完成）.（5） 出版专著：出版中文专著1部。（超额完成）.（6） 发明专利：授权发明专利10项，申请发明专利6项。（超额完成）.（7） 学生培养：培养博士研究生3名，硕士研究生4名。（超额完成）.（8） 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）