1.项目背景
轨道交通用燃料电池发电系统采用氢燃料电池发电为整车系统提供动力支持，可以全程无网运行，不依赖于牵引供电系统，不需复杂的地面设施，在车辆段设置制氢储氢设备便可持续提供电力来源，是一种新型的轨道交通车辆运行方式，具有广阔的发展前景。
然而，燃料电池系统存在单堆功率偏低、耐久性不足、系统成本较高等缺点，将其大规模应用于动车组、有轨电车等轨道交通运输领域受到诸多限制，为解决单堆燃料电池系统存在的问题，将燃料电池系统以多堆组合的模式进行工作能够满足轨道交通车辆的大功率需求，并提高系统在不同工况下的效率。因此，针对多堆燃料电池发电系统的研究成为最受关注的问题之一。
2.论文所解决的问题及意义
围绕轨道交通用多堆燃料电池发电系统的关键技术问题，从系统拓扑、系统控制与检测方法两个方面，归纳国内外多堆燃料电池发电系统技术的现状，并比较其对整车性能的影响。在现有拓扑及控制与检测方法优缺点的基础上，提出可进一步研究的重点内容，对轨道交通用多堆燃料电池发电系统的研究具有一定的参考价值。
3.论文重点内容
1）多堆燃料电池发电系统的拓扑结构
多堆燃料电池发电系统中燃料电池电堆数量的增加可以使用不同的拓扑结构，其决定了多堆燃料电池发电系统的组成，两种基本拓扑为将一个单体结构分段为几个部分，或将多个燃料电池堆组合，分别如图1(a)和(b)所示。
无转换器的电路结构：若系统是由多个燃料电池电堆组合而成，多堆的电路结构、反应物供应和热管理设备可以通过不同的拓扑结构连接，增加了系统结构的多样性。无转换器的串联电路结构及并联电路结构分别如图2和3所示，图2（b）在（a）的基础上通过控制每个电堆的开关，实现总体功率的分配。
基于转换器的电路结构：通过在多堆燃料电池系统与直流母线之间增加DC/DC变换器，使燃料电池系统输出电压匹配直流母线的电压等级。四种连接结构如图4所示。
2）燃料电池系统控制与检测方法
控制方法：当负载功率突变或某个燃料电池电堆发生故障时，通过不同的控制策略能够实现对多堆燃料电池发电系统的能量管理，进而有效分配各个单堆燃料电池系统的输出功率。最大功率跟踪控制策略是在保证有轨电车安全、平稳运行的同时，尽可能提高多堆燃料电池系统的运行效率，其控制原理如图5所示。
检测方法：多堆燃料电池系统受时间、空间等环境因素的影响极大，有必要实时检测多堆燃料电池系统性能，并针对故障程度及时有效地实施不同的检测控制方法，保证有轨电车正常平稳运行。基于直流变换器独立控制的故障检测如图6所示，该结构中每个电堆不仅实现独立的开关，同时使得其输出特性可以独立控制。基于燃料电池温度控制的故障检测如图7所示，采用新型遗传算法实现PEMFC热模型的在线检测和控制方法参数定向优化。
3）下一步研究方向
目前，单堆燃料电池发电系统在轨道交通中的应用已经取得了一定研究进展，但是多堆燃料电池系统的协调控制与健康诊断方法还未开展深入研究，笔者认为以下几个方面尚需进行进一步的研究工作：
a. 多堆系统能耗理论分析和检测方法研究
b. 多堆系统耐久性的相关预测分析
c. 多堆系统健康诊断的理论分析和方法研究
d. 多堆系统性能的一致性协调控制方法研究
4.结论
本文从系统拓扑、系统控制与检测方法两个方面对国内外多堆燃料电池发电系统技术应用于轨道交通领域的研究现状进行归纳和总结，并在对现有系统结构、控制与检测方法优缺点分析的基础上，提出了需要进一步深入开展研究的重点及建议，对多堆燃料电池发电系统应用于动车组、有轨电车等大功率交通运输领域的研究工作具有一定指导意义。
陈维荣，博士，教授/博导，电气工程学院院长，磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室主任，国家工程技术研究中心常务副主任，国务院政府特殊津贴、茅以升铁道科技奖获得者，四川省学术和技术带头人、四川省教学名师、IET Fellow、IEEE 高级会员、中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会副主任委员、中国铁道学会电气化专委会委员、四川省电机工程学会副理事长、四川省铁道学会电气化专委会主任委员、《交通运输工程与信息学报》副主编，《电力系统及其自动化学报》、《分布式能源》、《电气化铁道》、《现代电力》等编委。长期从事铁道电气化与自动化、新能源技术与应用、智能信息处理等领域的科研和教学工作，主持、主研国家科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等国家、省部级项目40余项, 发表学术论文300余篇（SCI 50余篇、EI 150余篇），申请/授权发明专利60余项，出版教材、专著7部。获国家科学技术进步二等奖2项、省部级科技进步奖9项、国家教学成果奖2项。
转载：中国电机工程学报
