随着全球经济的迅速发展以及对传统能源需求的急剧增加,能源短缺、环境污染、温室效应等问题日趋严重,因此开发和利用新能源已成为全世界范围内能源研究的必然趋势。其中,氢燃料电池以其燃料来源丰富、功率密度高、高效环保等特点,正逐渐进入人们的研究视线。目前,大功率燃料电池技术取得了突破性进展,具有性能优良、环境友好等优点的燃料电池混合动力机车也已成为一种极具潜力的新型轨道交通工具,受到了广泛关注。本文以燃料电池混合动力机车为背景,重点对其核心部分的混合动力系统进行了研究。根据机车的自身指标和运行需求,设计了一套车载燃料电池和蓄电池混合动力系统以及一种基于有限状态机理论的能量管理策略,并进行了仿真分析与实验验证。在充分对比典型混合动力系统拓扑结构和不同连接形式优缺点的基础上,确定了采用以间接连接形式的燃料电池和蓄电池混合动力系统结构(FC+B);综合考虑机车运行的动态特点和经济性,选用质子交换膜燃料电池(PEMFC)为主电源,锂离子蓄电池(Li-Ion)为辅助电源。根据建立的机车动力学模型,对机车在匀速行驶、最大加速、最大爬坡三种运行状态下的牵引功率进行计算,根据最大牵引功率值确定燃料电池与蓄电池的输出功率,完成燃料电池混合动力系统的参数匹配。根据系统各模块的性能参数,在Matlab/Simulink软件中建立燃料电池、蓄电池、DC/DC变换器以及系统整体的仿真模型,为后续的仿真分析和能量管理策略研究提供了平台。针对动力系统设计了一种基于有限状态机理论的能量管理策略,将系统工作模式按照蓄电池SOC的高、中、低划分为3个一级模式,继而根据需求功率、燃料电池输出功率、蓄电池输出功率三者的数值关系划分为10个子模式,分别进行能量管理与控制。利用建立的仿真模型对所设计的能量管理策略进行分析,并针对高SOC模式、中SOC模式、低SOC模式三种模式下的系统工作情况分别进行了仿真。为进一步验证能量管理策略的有效性,本文设计了一套燃料电池混合动力缩比实验平台,通过缩比的模拟工况进行实验验证,并将实验结果与仿真结果对比。结果表明:本文设计的有限状态机能量管理策略可有效地调整蓄电池SOC逐渐达到合理的范围,有效减少燃料电池的动态负荷,提高整车的燃料经济性。