随着工业化进程的推进，人类对能源的消耗快速增长，过度的能源开发和使用带来许多负面影响。以石油和煤炭为代表的传统能源逐渐枯竭，能源危机日益凸现；另外，能源使用过程所产生的有害物质对环境的污染日趋严重，已经对人类生活造成影响。为了缓解能源危机，减少对环境的污染，各国都在积极地开发和利用各种新型的能源。　　 质子交换膜燃料电池以其污染小、效率高等优点引起世界各国的广泛关注，许多国家的研究人员积极地展开相关研究工作。经过数十年的努力，已经初步掌握了电堆制造、加湿膜集成等技术。尽管在燃料电池系统的动力学建模和控制方面也取得了一定的成果，但还有许多问题亟待解决。目前一个重要的研究课题是：如何提高反应气体的使用效率，同时向负载输出优质的电能。为了实现这个目标，就需要充分掌握燃料电池的动力学特性，在此基础上，通过构建一个性能优良的电能管理系统，完成对系统过程参数优化控制，使燃料电池系统按照理想的动态和稳态特性运行。　　 众所周知，燃料电池系统是一个多变量、强耦合系统，其工作性能受到外部环境和内部参数等许多因素的影响和制约。更为不利的是，由于燃料电池系统具有比较强的时变和非线性，目前，还没有完全掌握它的工作机理，难以充分刻画它的动态特性。正是由于这些原因，燃料电池系统的动力学系统建模和电能管理系统设计具有非常强的挑战性。　　 论文的主要研究内容和创新之处有：　　 (1)为了提高反应气体的利用效率、提高输出电能的质量、抑制负载的快速变化对燃料电池电堆的冲击，提出由燃料电池/辅助电源组成的混合电能系统结构，并在此基础上构建了包括燃料电池、DC/DC、电流调整器和辅助电源在内的四级电能管理系统。　　 (2)参与设计了一个集成有燃料电池电堆、加湿器、流量系统、温湿度系统、电能管理系统和负载系统的燃料电池系统试验平台，测试了该燃料电池系统中包括电堆温度、反应气体压力、电堆电压以及电堆电流在内的系统参数对燃料电池系统运行状态的影响，界定了该系统的工作区间，建立了电堆的极化曲线。　　 (3)利用能量守恒原理、质量守恒原理、电化学原理和电路原理，建立了燃料电池系统和电能管理系统的数学模型，并设计了一套适合燃料电池系统的参数辨识方法，着重辨识了对系统性能影响比较大的质量流量计参数，并分析了这些参数的变化趋势和变化条件。　　 (4)构建了DC/DC和电流调整器的拓扑结构，并设计了DC/DC和电流调整器的实用电路和相应的驱动电路，稳定了负载的输入电压并控制了电堆的输出电流。　　 (5)针对不同的用电要求提出了两种系统控制策略，并根据各个控制策略和燃料电池系统以及电能管理系统的结构特点，分别设计了相应的控制算法。在多个控制器的协调作用下，低频上实现了反应气体流量对负载电流的跟踪；在高频上实现了反应气体流量和负载电流的隔离。同时，辅助电源实现了对负载功率中高频成分的跟踪。