近年来,环境污染、能源危机和全球气候变暖等问题受到了人们的关注,为了有效地应对能源和环境问题,各国都在大力开展绿色能源以及可再生能源的应用和研究。在众多可再生能源中,氢能是一种安全、可靠、清洁的能源。在氢能的应用领域中,燃料电池是一种典型的氢能量转换装置,通过电化学反应将氢能高效地转换为电能,因此,燃料电池已广泛应用于各能源领域,如:直流微电网、轨道交通、军事工业等等。目前,有国家已经研制出了燃料电池混合动力机车,但是由于受技术发展的限制,已研制出的燃料电池机车并没有对系统优化作过多考虑且理论深度相对较浅。此外,已有少量文献对机车系统进行仿真建模以及优化,但其理论技术方案在实际硬件系统中实现较难,不适用于实际应用。因此,本文搭建了机车用燃料电池混合动力缩比系统,并且在搭建的硬件缩比系统上,对系统中各个动力源进行了实际参数的测定和分析,如:单向DC/DC和双向DC/DC的效率、蓄电池组的内阻及效率、燃料电池系统的效率等。能量管理策略影响着混合系统的整体性能,因此,根据上述硬件系统测定的实际数据并针对机车的实际工况,本文进行了等效最小氢耗能量管理策略(ECMS)的理论推导及Matlab编程理论验证。由于实际机车工况的制动能量较大,蓄电池吸收的制动能量相对较多,ECMS不能合理地控制蓄电池荷电状态(SOC)的变化。因此,本文提出了一种基于动态功率因子能量管理策略(EMS_DPF),通过该策略能够有效地控制蓄电池SOC保持在一定范围内。此外,本文对基于庞特里亚金最小值原理的能量管理策略(PMP)进行了理论推导和编程计算验证。结果显示,EMS_DPF和PMP够有效地减少系统氢耗量,提高系统整车效率。此外,EMS_DPF和PMP能够维持蓄电池SOC,延长蓄电池寿命。为了验证本文所提的能量管理策略的有效性,在所搭建的机车用燃料电池混合动力缩比系统中进行了硬件实验验证并对实验结果进行了对比分析。实验结果表明:EMS_DPF和PMP更适用于燃料电池混合动力机车,在满足机车负载的动态需求下,有效地减少了整车的能量损耗,保证了燃料的经济性,提高了燃料电池的耐久度,同时,有利于蓄电池寿命的延长。