车载储能系统和混合动力系统在铁道车辆上的应用是轨道交通领域一个新的重要的研究方向。本文依托“十二五”国家科技支撑计划重点项目—“混合动力动车组关键技术研究及典型样车研制”以及“十二五”国家科技支撑计划重点项目—“轨道交通列车节能关键技术及工程应用示范”,围绕混合动力系统、大容量储能系统、双向DC/DC变换器以及系统能量流控制和管理策略分别展开研究,并通过大量的模型仿真以及地面、样车实验对研究成果进行了验证。为了实现混合动力系统在铁道车辆上的应用,本文在总结国外先进应用成果,结合作者所属研究团队既有的一些成果的基础上,首先进行了混合动力系统容量配置研究,通过进行列车牵引-惰行-制动过程中的牵引计算,完成了对混合动力系统的容量匹配与关键部件选型,并对所选的钛酸锂电池进行了特性研究。研究过程中分别对系统两大核心组件柴油发电机组与双向DC/DC变换器进行了特性研究与仿真建模。分析了柴油发电机组机械部分(柴油机及其转速调节系统)及电气部分(永磁同步发电机)的数学模型,并据此建立了仿真模型。进行了柴油发电机组地面实验并与仿真结果进行了对比验证了柴油发电机组模型的准确性。随后研究了大功率双向DC/DC变换器的工作原理与拓扑结构,选择了易于集成的双向Buck-Boost变换器作为系统拓扑,研究了双向DC/DC变换器的控制方法,设计了基于电压外环电流内环的负载预测控制系统,以适应混合动车组动力系统负载不断变化的特点,提高系统在运行过程中的动态性能,并进行了仿真和地面实验进行验证。针对混合动力动车组复杂的运行工况,本文着重研究了混合动力系统能量流控制策略,设计了基于永磁同步发电机自然下垂特性的系统控制及配合策略,实现了通过调节中间直流环节电压对混合动力系统内部能量流进行主动的流量与流向控制,并设计了混合动力动车组在动力系统在各工况下的能量管理策略与输出功率受限条件下的减功运行策略以保证混合动力动车组在其复杂的运行工况下的稳定运行。研究过程中进行了地面模拟实验和样车实验。实验结果证明能量流控制策略基本满足了混合动力动车组的运行要求。