质子交换膜燃料电池具有能量密度高,污染小,运行温度低,启动速度快等优点而大受关注。因此质子交换膜燃料电池非常适合于给汽车与机车等大功率设备供能。一个准确的燃料电池系统动态模型可以很好地反应电堆特性,便于进行控制系统的设计。供给空气的阴极系统是其重要组成部分,阴极系统中空气压缩机的性能对电堆运行具有较大影响。然而现有的空气压缩机模型大多直接采用实验数据拟合,具有精度不高,仿真速度慢,难以处理边界数据等问题。为保证电堆运行稳定安全高效也必须设计合适的控制器对电堆进行控制。为此,本文从燃料电池阴极系统的整体建模与控制策略的设计出发,分析了大功率质子交换膜燃料电池动态模型和控制策略在国内外的研究成果。通过分析质子交换膜电堆工作原理建立了电堆模型,并基于课题组研制的150kW电力机车建立了它的阴极系统模型。模型中对前人的离心式压缩机模型进行了改进,建立了适用于ROTREX C15压缩机的机理模型,基于多项式拟合和粒子群算法进行了参数的优化。极大地提高了模型精度。并基于课题组150kWPEMFC测试系统进行了实验验证。此外还加入了进、排气管路模型与阴极流场和背压阀模型。对阴极系统进行了仿真分析,验证了环境对系统的影响和转速、需求电流等变量对系统的影响,并观察到“氧饥饿”现象。在燃料电池动态模型的基础上,设计了流量压力“双环”比例积分微分(PID)协调控制器以实现对压缩机转速和背压阀开度的协调控制,改进了以往不控系统压力的控制方式。仿真结果表明；双环PID控制相比传统单环控制能更有效快速地调节压缩机流量与压力,保证系统稳定高效运行。最后简要介绍了模糊控制原理,简化了系统的管路模型,采用多项式拟合得出电流与压力的关系,建立了模糊控制器实现对压缩机电压的控制。控制结果表明模糊控制相比PID控制更擅长处理这种复杂的非线性系统。本文所设计的两种控制方法对于实际控制系统的设计具有重要指导意义。