[01007017]轨道交通大功率多堆燃料电池混合动力系统关键技术

氢能应用是轨道交通领域技术发展的重要方向。为满足牵引功率高、负荷波动大、控制响应快等运行需求，“多堆燃料电池+超级电容组+锂电池组”构成的多堆混合动力系统已成为氢能机车的必然选择。由于多堆混合动力系统是一个多物理场、多相耦合、多时间尺度的复杂非线性系统，且受列车速度、线路、编组等复杂工况影响，要实现系统的稳定与高效运行、又兼顾系统的服役寿命，其运行控制与能量管理面临巨大挑战。项目组历经多年持续攻关，发明了轨道交通多堆混合动力系统协调控制、能效管理以及服役性能优化等关键技术，突破了大功率氢能动力系统稳定、高效、长寿命运行的技术瓶颈，成功应用于国内首辆燃料电池机车和世界首列燃料电池混合动力有轨电车。主要发明点如下： 1.发明了多堆混合动力系统协调控制技术，保障了系统的稳定可靠。发明了基于内阻抗变化率的多堆系统功率自适应协调控制方法，有效抑制了系统的输出功率波动（功率波动率降低3.3%）；发明了混合动力系统多源状态趋同控制方法，保证了混合动力系统各动力源的服役性能一致性；发明了混合动力系统多运行模式协调控制方法，满足了轨道交通复杂工况下的峰谷动态功率实时需求，保证了系统输出电压稳定性（母线电压波动率＜4.6%）。 2.发明了多堆混合动力系统能效提升技术，保证了系统的高效运行。提出多堆系统的效率特性曲线族，发明了基于效率-功率耦合特性的多堆系统效率优化方法，提高了多堆系统运行效率（效率提高4.2%）；发明了多堆系统最大效率区间跟踪控制方法，保证了系统在复杂工况下的高效运行；发明了基于动态混合度的混合动力系统瞬时等效氢耗最小化能量管理方法，有效提升了系统能效（氢耗量降低2.8%）。 3.发明了大功率燃料电池系统服役性能优化技术，延缓了系统的寿命衰退。发现大功率燃料电池系统的最佳过氧比区域，发明了系统净功率满意模糊控制方法，解决了系统运行的“氧饥饿”和“氧饱和”问题；发明了大功率电堆暂态高电位抑制方法，有效缩短了高电位持续时间（持续时间缩短约25%），克服了高电位对膜电极寿命的影响；发明了基于电压均衡度的系统流量优化控制方法，提高了电堆的片间电压均衡性（片间电压波动率<5.6%）。 以罗安院士为组长的成果评价意见为“总体技术达到国际领先水平”，荣获国际氢能协会“威廉·格罗夫爵士”奖（轨道交通领域首个获奖项目），并得到丹麦技术科学院Frede院士、清华大学欧阳明高院士、北京理工大学孙逢春院士等著名学者的正面评价；已被佛山高明轨道、中车株机、北交新能、中车宝鸡等单位推广应用于燃料电池有轨电车、燃料电池站场调车等新能源轨道交通装备，累计实现销售收入24173.4万元，填补了中国氢能轨道交通领域空白，引领了氢能轨道交通技术发展方向，产生了显著的经济和社会效益。 项目完成单位承担国家科技支撑计划、国家自然科学基金、四川省科技计划等项目32项；授权发明专利27件、实用新型专利17件、软件著作权3件、出版专著1部、发表SCI/EI论文136篇；培养博士/硕士研究生57名。