质子交换膜燃料电池是一种直接将氢能转化为电能的绿色发电装置,具有清洁、高效、功率密度高等优点,被认为是未来人类战略能源的发展方向之一,在通讯、航天、和交通等领域具有广泛的应用前景。然而,质子交换膜燃料电池存在特性曲线较软、功率响应较慢、无法回收制动能量等缺点,为了解决这个问题,基于燃料电池的混合动力系统应运而生。为研究不同拓扑结构和能量管理策略对空冷燃料电池/锂电池混合动力系统性能的影响,本文首先研究了国内外燃料电池混合动力系统拓扑结构,通过对混合动力控制系统众多拓扑结构的对比,设计了两种满足稳定、高效和易实现要求的空冷燃料电池/锂电池混合动力系统。其次,能量管理策略起着协调混合动力系统中多个动力源之间功率合理分配的重要作用。本文为达到满足实时工况需求、提高燃料经济性的目的,重点研究了适用于空冷燃料电池/锂电池混合动力系统的两种能量管理策略:基于状态机控制的能量管理策略和基于等效氢耗最小的能量管理策略。其中,基于状态机控制(SMC)的能量管理策略是根据负载功率需求和锂电池荷电状态(SOC)来确定系统运行状态,从而决定各个动力源的参考功率;基于等效氢耗最小(ECMS)的能量管理策略是通过求解瞬时氢耗优化问题,协调空冷燃料电池输出功率和负载需求功率之间的输出关系,以实现单位控制周期内的等效氢耗量瞬时优化。然后,在所设计的两种拓扑结构基础上,本文完成了空冷燃料电池/锂电池混合动力系统设计。在混合动力系统中,DC/DC变换器是实现能量管理的重要装置。由于空冷燃料电池输出特性较"软",本文针对这一输出特性设计了适合于控制空冷燃料电池输出功率的单向DC/DC变换器;而且,为实现对锂电池的充放电管理,本文根据所选用的锂电池的参数设计了双向DC/DC变换器;同时,本文针对所设计的能量管理策略分别完成了两种不同拓扑结构的软件设计。最后,为了验证混合动力系统的稳定性和能量管理策略的有效性,在软硬件设计的基础上搭建了空冷燃料电池/锂电池混合动力系统测试平台。实验测试表明,本文所设计的混合动力系统运行稳定、动态响应快,而且所设计的两种能量管理策略能够有效实现两动力源之间的功率分配。同时,通过比较实验数据,对不同拓扑结构和能量管理策略进行了性能对比分析。