提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法及系统技术方案

本公开提出了提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法及系统，包括：将动子从一侧上止点位置运动至另一侧上止点位置分为加速段及减速段，其中，动子加速段的行程长度及动子减速段的行程长度之和为固定值；在加速段，电磁负载为阻力，通过降低电机的电磁负载来增大该阶段动子的加速度，减小加速段的行程时间；在减速段，控制电磁负载的大小以使动子在该段的行程中完成从某一运动速度降为零的动作，缩短减速阶段时间。基于分段控制电磁负载大小和波形，可以在保证其他条件不变的情况下，1)提高工作频率，进而提高系统输出功率；2)根据负载需求，调整系统输出功率和工作频率，实现无节气门控制，减小泵气损失。减小泵气损失。减小泵气损失。

【技术实现步骤摘要】
提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法及系统


[0001]本公开属于新能源汽车增程器
，尤其涉及提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]自由活塞直线发电机(FPLG)通过电机将内燃机燃烧产生的热能转换为电能输出，可替代增程式混合动力汽车的辅助动力单元(APU)，自由活塞直线发电机作为一种新兴的动力装置，是未来新能源汽车动力系统的重要研究方向。
[0004]FPLG系统中的内燃机和传统内燃机有相似的热力学原理，但在结构上省略了曲柄连杆机构和飞轮机构，将燃烧产生的热能通过电机转换为所需的能量输出，具有高效率、低油耗等诸多潜在性能优势，但由于FPLG缺少飞轮储存能量，导致运动过程中，动子速度总是经历由零增大再减小到零的过程，使得FPLG的工作频率很低。例如德国航空航天中心开发的一台样机，工作频率仅为21Hz，纽卡斯尔大学研究的PFLG样机工作频率也只有33Hz左右。而频率对提高发电机输出功率有重要影响。德国航空航天中心开发的样机，工作频率为21Hz时，其输出功率为10kW，而若提高发动机工作频率到50Hz，功率输出可达25kW。再如，活塞有效行程为39.8mm、缸径为40mm、发动机排量为49.9ml的单缸二冲程发动机，在工作频率约为125Hz时，最大输出功率可达3.0kW，但工作频率约为40Hz时，其输出功率不足1.1kW。可见，在相同的活塞行程、气缸容积等参数下，提高FPLG工作频率可大大提高电机输出功率。
[0005]动子有效行程即为发动机的有效行程，在上止点位置处，动子速度为零，由一端上止点运动到另一端上止点时，动子一般经历由零加速再减速运行到零的过程。导致动子最大运动速度低、行程运行时间长、整体工作频率低等问题。

技术实现思路

[0006]为克服上述现有技术的不足，本公开提供了提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法，通过分阶段控制发电机的电磁负载，可以实现目标发电量相同状况下，系统的输出功率和工作频率提高的目的。基于该方法也可根据工况需求，实现功率和工作频率的调节。该方法从一定程度上，还可替代汽油机节气门，进而减少泵气损失。
[0007]为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0008]第一方面，公开了提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法，包括：
[0009]在启动过程，电机作为电动机拖动活塞到指定上止点位置，判断动子运动频率是否达到启动要求，若达到要求，发动机点火燃烧，电机作为发电机输出电能。
[0010]启动后，系统进入稳定运行工况，将动子从一侧上止点位置运动至另一侧上止点位置分为加速段及减速段，其中，动子加速段的行程长度S1及动子减速段的行程长度S2之和为固定值；
[0011]在加速段，电磁负载为阻力，通过降低电机的电磁负载来增大该阶段动子的加速度，减小加速段S1的行程时间；
[0012]在减速段，控制电磁负载的大小以使动子在该段的行程S2中完成从某一运动速度降为零的动作，缩短减速阶段时间。
[0013]进一步的技术方案，在减速段，初始减速S
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段时，控制电磁负载等于零或一个较小的值，使动子能够保持较大的速度在S
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段继续运行；后期减速段S
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时，增大电磁负载的值，结合一侧气缸缸内压缩压力的增大，可迅速增大动子减加速度，使动子在较短的行程S
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中完成从某一运动速度降为零的动作，缩短减速阶段时间。
[0014]进一步的技术方案，动子运动至上止点位置前时，电磁负载设置为零。
[0015]进一步的技术方案，电磁负载为常数或按一定规律变化。
[0016]第二方面，公开了提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制系统，包括：位置检测设备及控制器，所述位置检测设备检测动子的位置并将数据传输至控制器；将动子从一侧上止点位置运动至另一侧上止点位置分为加速段及减速段，其中，动子加速段的行程长度及动子减速段的行程长度之和为固定值；
[0017]所述控制器被配置为：
[0018]在加速段，电磁负载为阻力，通过降低电机的电磁负载来增大该阶段动子的加速度，减小加速段的行程时间；
[0019]在减速段，控制电磁负载的大小以使动子在该段的行程中完成从某一运动速度降为零的动作，缩短减速阶段时间。
[0020]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0021]基于分段控制电磁负载大小和波形，可以在保证其他条件不变的情况下，1)提高工作频率，进而提高系统输出功率；2)根据负载需求，调整系统输出功率和工作频率，实现无节气门控制，减小泵气损失。
[0022]通过控制电磁负载大小、形式和施加电磁负载的位置，就可以调整不同阶段动子运动速度和加速度，进而实现相同发电量的工况下，提高动子运动频率和系统输出功率。同理，也可以根据功率及频率需求，对电磁负载进行控制，实现系统输出相应的功率及频率需求。
[0023]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0024]构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0025]图1为本公开实施例背置式FPLG结构示意图；
[0026]图2为本公开实施例自由活塞受力分析示意图；
[0027]图3为本公开实施例PFLG动子从左向右运动时行程位置关系图；
[0028]图4为本公开实施例功率提升控制流程图；
[0029]图5为本公开实施例不同电磁负载控制方式。
[0030]图中，1.左侧气缸；2.机体和直线电机；3.右侧气缸；4.连接法兰和螺栓；5.约束支
架和螺栓；6.试验台；7.动子组件。
具体实施方式
[0031]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0032]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0033]在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]本专利技术以背置式FPLG进行说明。目前已有的背置式FPLG为直线电机芯轴两端均设置发动机(如附图1)，中间布置直线电机，直线电机同时具备电动机和发电机两种功能。动子组件包含活塞、连杆和电机动子等。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法，其特征是，包括：启动后，进入稳定运行工况，将动子从一侧上止点位置运动至另一侧上止点位置分为加速段及减速段，其中，动子加速段的行程长度及动子减速段的行程长度之和为固定值；在加速段，电磁负载为阻力，通过降低电机的电磁负载来增大该阶段动子的加速度，减小加速段的行程时间；在减速段，控制电磁负载的大小以使动子在该段的行程中完成从某一运动速度降为零的动作，缩短减速阶段时间。2.如权利要求1所述的提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法，其特征是，在减速段，包括初始减速S
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段及后期减速段S
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，初始减速S
21
段时，控制电磁负载等于零或一个较小的值，使动子能够保持较大的速度在S
21
段继续运行；后期减速段S
22
时，增大电磁负载的值，结合一侧气缸缸内压缩压力的增大，迅速增大动子减加速度，使动子在较短的行程S
22
中完成从某一运动速度降为零的动作，以缩短减速阶段时间。3.如权利要求1所述的提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法，其特征是，电机处于启动过程时，电机作为电动机拖动活塞到指定上止点位置，判断动子运动频率是否达到启动要求，若达到要求，发动机点火燃烧，电机作为发电机输出电能。4.如权利要求1所述的提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法，其特征是，动子运动至上止点位...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐娟，程勇，马宗正，吕宏，马翠英，
申请(专利权)人：山东休普动力科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：