燃料电池作为一种环保、高效和安全的发电装置,能够直接将氢能转化为电能,目前已经被应用于机车、潜艇和有轨电车等实际项目中。为了解决单个燃料电池难以支持大功率应用,而纯燃料电池发电系统又存在动态响应不足等问题,可以将多个燃料电池与储能电池结合起来构成多堆混合动力系统。基于上述考虑,本文主要研究了PEMFC多堆混合动力系统的结构及其能量管理策略。通过对国内外多堆燃料电池的结构和混合动力系统拓扑的研究,对比分析了不同拓扑结构的特点,设计了一种由三套燃料电池和一组储能电池并联构成的多堆混动系统,每个动力源都由一个独立的DC/DC变换器进行控制。根据燃料电池和储能电池的不同特性,分别设计了单向、双向DC/DC变换器,并搭建了一个单堆燃料电池混合动力系统实物测试平台,对燃料电池发电系统的实际输入输出特性进行测试和分析,为仿真模型的建立提供依据和实测数据。然后,按照本文所提出的三套燃料电池与一组储能电池并联的拓扑结构,基于Matlab/Simulink软件搭建了仿真模型。对燃料电池和锂电池的构成机理和运行原理进行研究,分别建立起燃料电池、锂电池及其单、双向DC/DC变换器模型,搭建一套多堆燃料电池混合动力系统仿真模型,并基于此模型对燃料电池的极化特性曲线和功率效率曲线进行辨识。接着,本文提出了考虑电堆性能一致的多堆混合动力系统分层能量管理方法。在局部层,通过对虚拟下垂控制和多堆燃料电池性能一致性的研究,提出了一种考虑电堆运行性能的多堆燃料电池功率自适应分配方法;在全局层,基于对传统能量管理策略的分析和改进,提出了一种等效氢耗最小的改进策略。并且基于对全局层和局部层能量管理策略的研究,提出了其他两种分层能量管理策略以对仿真结果进行对比分析。最后,在RT-LAB半实物仿真平台上对所提出的三种分层能量管理方法进行仿真验证,分别对三种方法进行了功率、效率、电压、电流、SOC、氢耗量等多个方面的对比,分析了三种方法的特点和适用情况等。实验结果表明三种分层能量管理方法都是有效的、可行的,但本文提出的考虑电堆性能一致的分层策略在提高系统整体效率、降低氢耗、优化燃料电池运行性能、管理锂电池SOC等方面均优于其他两种策略。