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

1、隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，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，以及新能源應用，是解決城市擁堵和空氣污染的有效途徑。其中，以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為基礎的混合動力有軌電車，以其高效、環(huán)保等特點而被認為是一種潛力巨大的新型軌道交通工具，受到世界范圍內的廣泛關注，是目前國內外有軌電車技術的研究熱點。
　　本文提出了一種包括質子交換膜燃料

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)在內的現(xiàn)代有軌電車混合動力系統(tǒng)拓撲結構。為提高有軌電車動力系統(tǒng)運行穩(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)進行了研究。論文的主要研究成果如下:
　　(1)構建了國內首臺150kW PEMFC有軌電車研發(fā)測試平臺，對整車動力系統(tǒng)結構以及整車控制策略進行了優(yōu)化設計。在PEMFC系統(tǒng)獨

3、立測試和樣車整車測試基礎上，對有軌電車PEMFC電源系統(tǒng)特性進行了分析。
　　(2)構建了基于頻率響應分析法(FRA)的PEMFC穩(wěn)態(tài)阻抗特性模型以及綜合空氣供給響應、陰陽極壓力調整響應以及電流設定點響應動態(tài)特性的PEMFC綜合動態(tài)響應模型，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。在此基礎上提出一種結合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，用于指導級聯(lián)功率變換器輸入級設計，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)響應不匹配導致的動態(tài)耦合問題，提出了一種PEMFC輸出電流設定點前饋的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)響應模型對所提出的控制策略進行了仿真驗證。
　　(3)結合現(xiàn)代光伏電池材料光學特性，將薄膜光學計算方法與基于光線跟蹤的概率路徑估計方法相結合，提出了一種量化抗反射層干

5、涉效應與晶硅層表面紋理結構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上，構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。
　　(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)運行穩(wěn)定性，結合車體空間布局，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)拓撲結構，對該光伏鋰電儲能輔助供電系統(tǒng)模組控制單元進行了分析設計，結合所提出的光伏電池模型，對開發(fā)樣機進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)模組拓撲結構進行優(yōu)化設計，提出了一種由串聯(lián)光伏電池電壓自適應均衡單元與高效SEPIC饋電升降壓變換單元級聯(lián)的兩級控制單元拓撲，以改善光伏電池陰影效應以及變換器高頻開關動作引起的光伏電池陣列對地漏電流的影響;在此基礎上結合Lyapunov開關算子和極值