铲运机和港口拖轮通常在剧烈变化的动态负载下运行,车辆混动化和电气化技术能够提高燃油效率,降低排放。然而,这些频繁波动的负载会增加传统电池储能系统的负担,大大缩短电池的使用寿命。复合储能系统将高能量密度的锂电池与能够承受频繁充放电、功率密度大以及循环寿命长的超级电容组合在一起,成为了一种很有发展前景的方案。但是,建立复合储能系统的最优设计与控制框架,将电池容量损耗和复合储能系统的全生命周期成本考虑在内,并采用高效的算法进行求解,是既复杂又具有挑战性的工作。本文分别以复合储能铲运机和港口拖轮为研究对象,建立了复合储能系统模型和全生命周期成本模型,并对复合储能系统的参数和能量管理策略进行了多目标优化和嵌套优化,最后在混合动力拖轮上验证了嵌套优化的有效性。首先,建立了半主动式复合储能系统模型,该模型能够反映电池的容量损耗。针对铲运机复合储能系统的参数优化和能量管理策略优化问题,提出了多目标的优化框架,建立了铲运机的后向式仿真模型和复合储能系统的全生命周期成本模型,以能量消耗和全生命周期成本作为优化目标,使用动态规划算法和帕累托最优解集得到最优方案,并将其与电池储能方案进行对比。其次,提出了双层的复合储能系统嵌套优化设计方法,以系统的部件参数和电池组放电深度作为优化变量,以铲运机的工作时间作为约束条件,内层优化能量管理策略,外层优化部件参数,并分别采用遗传算法和基于代理模型优化的多起点空间缩减算法(Multi-Start Space Reduction,MSSR)来求解这个复杂、耗时的优化问题,比较了两种求解算法的性能,并对比了嵌套优化和多目标优化获得的方案。最后,建立了拖轮的负载曲线,采用嵌套优化设计方法解决了混合动力港口拖轮的最优设计与控制问题,内层优化电池的容量损耗,外层优化复合储能系统的全生命周期成本,并使用MSSR算法求得最优方案,减少了拖轮中电池的替换次数,降低了成本,也验证了嵌套优化设计与求解方法在混合动力对象上的有效性。本文的研究为复合储能系统在动态变化负载的纯电动、混合动力车辆和船舶上的最优设计与控制方面奠定了基础,也为先进的全局优化算法提供了测试平台。