随着我国经济快速发展和城市化加速推进,以汽车为主导的交通模式所带来的能源危机、环境污染、交通拥堵等问题日显严重,迫使人们将大容量的轨道交通作为发展城市公共交通的重点。有轨电车兼具地铁的运量、公交的便捷性,燃料电池高效、节能、零排放,使得燃料电池驱动的有轨电车近年来逐渐得到国内外研究者的关注。本文以清华大学与中车青岛四方机车车辆股份有限公司联合研发的“氢燃料混合动力有轨电车”两期项目样车为工程背景,利用系统建模、最优控制理论和测试验证等方法,开展燃料电池有轨电车部件、系统、整车、车队及其产业相关的研究,旨在解决燃料电池有轨电车关键技术,保证车辆工作安全性、改善燃料经济性和部件耐久性。主要研究工作如下:(1)对比分析了“燃料电池+动力电池+超级电容”和“燃料电池+动力电池”两种构型,建立了动力系统各部件模型。针对燃料电池有轨电车面临的车重大、附件功率高、制动功率大等特征,提出功率分配与参数匹配的联合优化算法,优选了燃料电池功率和动力电池容量参数组合,研究成果应用到新研样车。(2)完成了燃料电池有轨电车动力系统车顶布置,提出的氢气系统和散热系统集成一体化设计方案节约了车顶空间。开发了整车控制系统,测试了机车主控制器与能量管理器之间的MVB通讯。针对紧急状态下CAN网络失效问题,提出了将能量管理器控制权临时转移给DC/DC的应急容错控制方案。动力系统联合调试成功,验证了动力系统和控制系统可靠性。(3)针对燃料电池有轨电车无接触网持续供电、车载氢气储量有限而需要多次加氢的特点,分析了整车日运行过程中加氢、充电、运行等多模式切换机制,应用动态规划方法优化了车辆运行模式,采用遗传算法解决车队轮流加氢条件下的编组问题。(4)建立全寿命周期成本模型,引入可变因素缩放因子,对比分析接触网、第三轨、感应式、储能式、燃料电池有轨电车全寿命周期成本和温室气体排放,发现燃料电池有轨电车有最小的成本和最少的排放,证明了燃料电池有轨电车项目可行性和投资价值。