基于最佳过氧比的机车燃料电池系统净输出功率最优控制方法研究

燃料电池电动机车的研究，是目前轨道交通领域新能源应用的研究前沿。由于目前可用于机车的燃料电池系统功率有限，而机车负荷又具有移动、冲击性的特点，以及机车燃料电池系统的最大净输出功率、动态响应特性以及电池寿命之间的相互作用、相互影响，导致机车PEMFC系统不仅存在严重的"氧饥饿"现象，同时也存在严重的"氧饱和"现象，既有的控制方法已难于满足机车燃料电池系统的要求。为此，本项目拟在已有成果的基础上，建立一个适用于OER分析的大功率机车PEMFC动态新模型，提出一种基于动态扩展相对阶的状态反馈精确线性化方法，并通过对H∞次优鲁棒控制方法和SSV分析方法的研究，提出一种基于最佳OER鲁棒性能约束条件的鲁棒优化控制方法，实现鲁棒稳定性和鲁棒性能的统一，解决传统控制方法难于得到最佳OER控制结果的问题，以而保证PEMFC系统能够跟踪最佳OER，避免燃料电池机车在运行时出现"氧饥饿"、"氧饱和"现象。

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。由于机车负荷具有移动、冲击性的特点，而且机车燃料电池系统的最大净输出功率、动态响应特性以及寿命之间相互作用、相互影响，导致机车燃料电池系统不仅存在严重的“氧饥饿”现象，同时也存在严重的“氧饱和”现象，既有的控制方法已难于满足机车燃料电池系统的要求。. 为此，本项目通过建立一个适用于过氧比（OER）分析的大功率机车质子交换膜燃料电池（PEMFC）动态模型，提出一种基于最优OER的PEMFC系统优化控制方法，保证PEMFC系统能够跟踪最优OER，避免机车在运行时出现“氧饥饿”、“氧饱和”现象。主要研究成果如下：.（1）建立了适用于OER分析的的机车PEMFC系统动态模型：建立了系统机理模型和辅助设备模型，实现了对净输出功率、OER和负载电流的耦合关系有效分析。.（2）提出了基于改进粒子群优化算法（MPSO）的机车PEMFC模型参数辨识方法：针对传统PSO算法易使平衡点陷入停滞状态和造成早熟收敛问题，提出了一种具有较好全局搜索能力和寻优速度的MPSO算法，实现了对系统关键参数辨识。.（3）提出了基于动态扩展算法的PEMFC状态反馈精确线性化方法：针对相对阶不足的非线性PEMFC系统，通过增加外动态系统状态变量构造了合成系统，提出了一种基于动态扩展算法的PEMFC状态反馈精确线性化方法。.（4）提出了基于鲁棒二自由度的PEMFC系统最优OER优化控制方法：为实现对最优OER跟踪、减少系统寄生功耗和提高系统鲁棒性，采用MPSO算法对H∞混合灵敏度问题进行优化，提出了一种基于鲁棒二自由度的PEMFC系统最优OER优化控制方法。.（5）学术论文：已发表和录用论文41篇，其中SCI 检索15篇，EI检索15篇。（超额完成）.（6）出版专著：出版专著1部。（超额完成）.（7）申请专利：已申请发明专利11项、授权发明专利3项，其中可转让专利3项。（超额完成）.（8）学生培养：已培养博士研究生10名，其中毕业4人，在读6人；硕士研究生24名，其中毕业11人，在读13人。（超额完成）.（9）学术交流：邀请同行专家学术讲座4人次、项目组成员出国交流6人次。（超额完成）.（10）平台建设：构建了国内第一套大功率燃料电池机车研发平台，研制完成了国内第一辆燃料电池电动机车。（超额完成）