第1章绪论
1.1课题的研究意义
随着全球范围内能源短缺与环境污染问题的日益严重，清洁、可再生能源的开发利用已成为世界能源发展的必然趋势，特别是太阳能、风能和氢能等新能源受到世界各国的高度重视⑴。氢能作为一种清洁、高效、安全、可再生的新能源，被认为是未来人类战略能源的发展方向燃料电池釆用氧能作为燃料，是能够将氯氧反应中的化学能直接转化为电能的新型发电装置，是21世纪对人类社会产生重大影响的高新科技之一。由于具有高效、清洁、功率密度高等突出优点，燃料电池在电力、通讯、航天以及交通等领域有着广阔的应用前景近年来，釆用燃料电池和辅助能源（蓄电池或超级电容）作为动力系统的燃料电池混合动力机车受到广泛关注和深入研究，因其所具有的高效、环保等特点而被认为是一种潜力巨大的新型轨道交通工具。与传统的内燃机车、电力机车相比，燃料电池混合动力机车具有如下优势利用新能源氧能发电，反应产物为水，可有效解决能源短缺及环境污染问题；适用于牵引供电系统检修与维护，同时在灾难、战争等紧急条件下能够发挥高效、快速的应急作用；无需传统的牵引供电系统和接触网系统，避免了牵引供电系统和弓网故障引起的事故，提高了机车运行的可靠性，同时大大降低了铁路系统的工程造价。'燃料电池混合动力机车的多个能量单元增加了系统的复杂性，如何使由多个能量单元构成的混合动力系统稳定、可靠、高效的工作是燃料电池混合动力机车的关键技术之一。燃料电池混合动力机车能量管理策略的核心是保证混合动力系统实现机车的期望响应，同时优化控制能量的转换与传输过程，即，在不损害机车性能和部件寿命的前提下，合理分配各能量单元的功率输出，实现各能量单元的工作性能优化，同时减少功率损耗，提高整车的燃料经济性。因此，研究高效可靠的能量管理策略对+燃料电池混合动力机车具有重要意义。
1.2课题的国内外研究现状
1.2.1燃料电池混合动力机车研究现状
近年来，全世界发展新能源动力机车（特别是燃料电池电动机车和燃料电池混合动力机车）的积极性日益高涨，且取得了一定成果。2002年，美国车辆工程公司（Vehicle Projects LLC)和燃料电池动力研究所（FuelCell Propulsion Institute)联合开发了世界上第一辆功率为17kW的燃料电池动力拖运机车，于加拿大一地下金矿作为采矿车使用2006年，东日本铁路公司开发了世界上第一列燃料电池混合动力机车，该机车主要是在东日本铁路公司于2003年开发的NE型柴电混合动力机车的基础上改装而成[7]。2007年，北美BNSF铁路公司提出了大功率燃料电池混合动力机车研发计划，该机车釆用由250kW质子交换膜燃料电池和瞬时功率达1MW的铅酸蓄电池构成的动力系统，主要用作站场调车[8]。此外，俄罗斯正在研制燃料电池电动维修机车，选取碱性燃料电池作为动力源；韩国制定了一个釆用混合动力系统的轻轨机车研发计划，印度正在设计实现燃料电池和蓄电池的混合动力机车，英国、德国、西班牙等欧盟国家也正在大力开展基于燃料电池的新能源机车的研发工作[9]。国内对于燃料电池在轨道交通领域的应用研究刚刚起步，在大功率燃料电池电动机车和混合动力机车方面还没有相关报道，但己有一些科研机构在进行相关的前期研究工作。
第2章燃料电池混合动力机车的系统建模.......................5
2. 1引言................................5
2. 2燃料电池混合动力机车的系统.........................6
2. 3燃料电池混合动力机车的系统建模......................6
2. 4燃料电池混合动力机车的系统仿真.........................23
2.5本章小结................................26
第3章燃料电池混合动力机车模糊逻辑能量管理.................27
3.1引言.......................27
3. 2 Maradani型模糊控制器原理.......................27
3.3模糊逻辑能量管理策略的设计.............................30
3. 4模糊逻辑能量管理策略的仿真验证.....................33
3. 5本章小结................................36
第4章基于粒子群优化的模糊逻辑能量管理.......................37
结论与展望
主要结论
燃料电池采用氢能作为燃料，将氢氧反应中的化学能不经燃烧过程而直接转变为电能，是21世纪对人类社会产生重大影响的新型发电技术。燃料电池混合动力机车采用燃料电池和辅助能源构成的动力系统，因其高效、环保的特点而被认为是一种潜力巨大的新型轨道交通工具，受到世界范围内的广泛关注和深入研究。本文主要研究燃料电池混合动力机车的系统建模及能量管理策略的优化设计问题，主要工作及结论总结如下：
(1)建立了燃料电池混合动力机车的系统仿真模型。基于MATLAB/SIMULINK仿真环境，建立了燃料电池一蓄电池混合动力机车的系统仿真模型，为能量管理策略的研究提供了仿真平台。基于燃料电池混合动力机车的假设行驶工况，仿真分析了各部件在功率跟随式能量管理策略下的工作性能，在功率跟随式能量管理策略下，燃料电池混合动力机车的氢耗量为2.1356kg。
(2)设计了适用于燃料电池混合动力机车的模糊逻辑能量管理策略。根据模糊逻辑控制理论，设计了以机车需求牵引功率和蓄电池荷电状态为输入、以燃料电池前端DC/DC变换器参考功率信号为输出的模糊逻辑能量管理策略。基于系统仿真模型，对所设计的模糊逻辑能量管理策略进行仿真验证。仿真结果表明：所设计的模糊逻辑能量管理策略有效减少了燃料电池的动态负荷，将蓄电池的荷电状态维持在了期望范围内，燃料电池混合动力机车氢耗量为2.1137kg/与功率跟随式能量管理策略相比，氢耗量降低了 1.025%，提高了整车的燃料经济性。
(3)采用粒子群算法对所给出的模糊逻辑能量管理策略进行优化。采用带惯性权重的粒子群算法，引入蓄电池等效氢耗量的概念，以机车总氢耗量最小为目标，优化所设计的模糊逻辑控制器的隶属度函数参数。基于系统仿真模型，对优化后的模糊逻辑能量管理策略进行仿真分析。仿真结果表明：优化后的模糊逻辑能量管理策略在有效减少燃料电池动态负荷、维持蓄电池荷电状态在期望范围内的同时，燃料电池混合动力机车的氢耗量为2.0531kg，与优化前相比降低了 2.876%，进一步提高了整车的燃料经济性，且通过测试工况验证了优化效果的通用性。
