基于PEMFC的現(xiàn)代有軌電車混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市交通擁堵和汽車尾氣排放等引起的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為困擾每個大中城市的頑疾。發(fā)展城市公共交通，尤其是城市軌道交通，以及新能源應(yīng)用，是解決城市擁堵和空氣污染的有效途徑。其中，以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為基礎(chǔ)的混合動力有軌電車，以其高效、環(huán)保等特點而被認(rèn)為是一種潛力巨大的新型軌道交通工具，受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，是目前國內(nèi)外有軌電車技術(shù)的研究熱點。
　　本文提出了一種包括質(zhì)子交換膜燃料

2、電池(PEMFC)發(fā)電系統(tǒng)、超級電容儲能發(fā)電系統(tǒng)、光伏鋰電儲能輔助供電系統(tǒng)在內(nèi)的現(xiàn)代有軌電車混合動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為提高有軌電車動力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和綜合能效，分別對作為有軌電車主供電系統(tǒng)的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)以及作為有軌電車輔助供電系統(tǒng)的光伏鋰電儲能輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行了研究。論文的主要研究成果如下:
　　(1)構(gòu)建了國內(nèi)首臺150kW PEMFC有軌電車研發(fā)測試平臺，對整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及整車控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在PEMFC系統(tǒng)獨

3、立測試和樣車整車測試基礎(chǔ)上，對有軌電車PEMFC電源系統(tǒng)特性進(jìn)行了分析。
　　(2)構(gòu)建了基于頻率響應(yīng)分析法(FRA)的PEMFC穩(wěn)態(tài)阻抗特性模型以及綜合空氣供給響應(yīng)、陰陽極壓力調(diào)整響應(yīng)以及電流設(shè)定點響應(yīng)動態(tài)特性的PEMFC綜合動態(tài)響應(yīng)模型，分別用于PEMFC與級聯(lián)功率變換器的穩(wěn)態(tài)耦合特性和動態(tài)耦合特性研究。在此基礎(chǔ)上提出一種結(jié)合PEMFC阻抗特性模型的燃料電池與級聯(lián)功率變換器(DC-DC或DC-AC)之間穩(wěn)態(tài)耦合特性的量化分析方

4、法，用于指導(dǎo)級聯(lián)功率變換器輸入級設(shè)計，滿足PEMFC對輸出電流紋波的約束要求;針對大功率水冷PEMFC發(fā)電系統(tǒng)與級聯(lián)功率變換器之間動態(tài)響應(yīng)不匹配導(dǎo)致的動態(tài)耦合問題，提出了一種PEMFC輸出電流設(shè)定點前饋的I2V級聯(lián)功率變換器主動控制策略，通過所建立的PEMFC綜合動態(tài)響應(yīng)模型對所提出的控制策略進(jìn)行了仿真驗證。
　　(3)結(jié)合現(xiàn)代光伏電池材料光學(xué)特性，將薄膜光學(xué)計算方法與基于光線跟蹤的概率路徑估計方法相結(jié)合，提出了一種量化抗反射層干

5、涉效應(yīng)與晶硅層表面紋理結(jié)構(gòu)對輻照度吸收效率影響的綜合計算方法，在根據(jù)STFT（Special Transfer Function Theory）理論對光伏電池電氣輸出特性超越方程解耦基礎(chǔ)上，構(gòu)建了精確的光熱特性耦合光伏電池模型，為所述光伏鋰電儲能輔助供電系統(tǒng)仿真提供了模型基礎(chǔ)。
　　(4)為提高有軌電車供電系統(tǒng)綜合能效以及輔助供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，結(jié)合車體空間布局，提出了一種基于鋰電無均衡管理(NBCM)的新型光伏鋰電儲能輔助供電系

6、統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對該光伏鋰電儲能輔助供電系統(tǒng)模組控制單元進(jìn)行了分析設(shè)計，結(jié)合所提出的光伏電池模型，對開發(fā)樣機(jī)進(jìn)行了仿真和實驗驗證。
　　(5)對基于鋰電無均衡管理的光伏鋰電儲能輔助供電系統(tǒng)模組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了一種由串聯(lián)光伏電池電壓自適應(yīng)均衡單元與高效SEPIC饋電升降壓變換單元級聯(lián)的兩級控制單元拓?fù)?，以改善光伏電池陰影效?yīng)以及變換器高頻開關(guān)動作引起的光伏電池陣列對地漏電流的影響;在此基礎(chǔ)上結(jié)合Lyapunov開關(guān)算子和極值