提高自由活塞直线发电机频率及功率的控制方法及系统

技术领域

本公开属于新能源汽车增程器技术领域，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。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

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：

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。

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S

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S

在减速段，控制电磁负载的大小以使动子在该段的行程S

进一步的技术方案，在减速段，初始减速S

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。

进一步的技术方案，电磁负载为常数或按一定规律变化。

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；

所述控制器被配置为：

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。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

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。

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。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

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。

图1为本公开实施例背置式FPLG结构示意图；

图2为本公开实施例自由活塞受力分析示意图；

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；

图4为本公开实施例功率提升控制流程图；

图5为本公开实施例不同电磁负载控制方式。

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

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技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

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。

本发明以背置式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。

具体结构包括左侧气缸1；机体和直线电机2，右侧气缸3，连接法兰和螺栓4，约束支架和螺栓5，试验台6，动子组件7，上述结构属于现有产品，此处不再进行详细的结构说明。

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。

实施例一

本实施例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：

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S

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S

在减速段，控制电磁负载的大小以使动子在该段的行程S

具体步骤中，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。

稳定运行工况，发动机燃烧产生能量，燃烧产生的能量一部分用于克服摩擦，一部分用于发电，一部分则转换为动子的动能。

从力学角度分析，以动子作为研究对象，动子受到燃烧气体力、摩擦力和电磁负载的作用。发电工况，摩擦力和电磁负载均为阻力，且摩擦力作用于整个行程，电磁负载一般也作用于整个行程，方向与动子运动方向相反。如图2所示。

当冲程发电量一定时(即电磁负载做的负功一定时)，冲程动子运行时间越短，则运行频率就越高，而系统输出功率就越大。

以动子从左向右运动为例，如图3所示，在左侧上止点位置时，动子速度为零，此时，左缸混合气已燃烧，缸内燃烧气体力较大，方向向右，该力大于电磁负载和摩擦力，推动动子做加速运动，随着动子的不断运动，左缸气缸容积增大，气体压力减小，因此，动子推力减小，加速度也随之减小，当右缸进排气门关闭时，右缸压缩气体产生压缩压力，阻力增大，当左缸缸压不足以克服摩擦力、电磁负载和右缸压缩气体力时，动子速度达到最大，并开始减速运动。当左缸排气门开启后，缸内气体压力急剧下降，在电磁负载、右缸压缩压力和摩擦力等的作用下，动子运动减加速度越来越大，到达右缸上止点位置时，速度变为零。

在运动过程中，如图3所示，动子由零先加速，然后减速再到零，若加速段的行程长度为S

另外，当总行程S确定，S

结合以上FPLG的受力分析和运动分析，在动子运动过程中，电磁负载是唯一可以控制调整的力。

目前，对FPLG的控制研究中，电磁负载常见的控制方式是认为电磁负载正比于速度、或按正弦规律变化、或给定速度曲线自适应调整电磁负载的大小，但是这些方式都没有根据FPLG实际受力特点对电磁负载进行控制，没有使FPLG发挥出应有的优势。

为了提高系统工作频率和输出功率，发明提出对电磁负载实施分段控制的方法。具体实施过程为：

在S

在S

如上所述，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，对电磁负载进行分段控制，实现系统输出相应的功率及频率需求。

整个控制过程流程图如图4所示。

电磁负载在控制过程中的加载形式可以多种多样，例如，电磁负载可以是常数、也可以按一定规律变化(如线性、正弦变化等)，采取哪种形式的电磁负载取决于功率目标要求和控制的便携性。例如，若想大幅提高频率，则适合S

如图5所示为从左侧上止点到右侧上止点运动过程中，可以施加的电磁负载形式举例。

图5中，a左侧上止点到右侧上止点电磁负载为常数；b左侧上止点到行程中部电磁负载按正弦变化，后面常数；c左侧上止点到右侧上止点电磁负载正弦变化；d左侧上止点到行程中部电磁负载分段增大，后面常数；e左侧上止点到行程中部由零分段增大，后面常数；f左侧上止点到行程中部电磁负载为零，后面常数；g左侧上止点到进气门关闭电磁负载为零，后面常数；h左侧上止点到排气门关闭电磁负载为零，后面常数。

更为详细的实施例子中，背置式结构为二冲程发动机对称设置，在不同位置安装了位置传感器，也可也直接安装磁栅传感器，以检测动子组件到达的位置。

本发明提供的提高工作频率和功率的方法包括：

步骤1,点火后，通过磁栅或位移传感器计算，动子运动最大速度或最大加速度，并据此计算电磁负载冲程做功量；

步骤2,根据功率需求和工作频率需求，确定电磁负载施加位置、形式和大小。

步骤步骤1中，根据动子运动最大速度或最大加速度确定的冲程做功量分别为：

(1)式建立了最大速度和所需电能的关系，其中v

(2)式建立了活塞到达下一上止点位置时所需电能与最大加速度的关系，在得到最大加速度a

步骤2中，根据功率需求和工作频率需求确定电磁负载施加位置、形式和大小。下面以电磁负载为方波形式介绍提升工作频率和功率需求的具体实施方案。

根据步骤1确定发电量为W，意味着电磁负载做功为W，当电磁负载为常数时，有：

W＝FS (3)

式(3)中F为电磁负载大小，S为电磁负载作用时间段内活塞的位移。

分段控制：为提高系统工作频率和功率，在同样做功量下，可实施分段控制，通过调整不同阶段电磁负载大小，提高工作频率和功率。本实施方案以电磁负载为方波变化为例进行说明。为了对比说明，以整个行程都施加常数电磁负载为参考工况。

参考工况工作频率和功率：动子从左侧上止点运动到右侧上止点过程中，设电磁负载为常数，则需要提供参考电磁负载大小为：

F＝W/S

S：电磁负载作用时间段内活塞的位移。

从左侧到右侧上止点运动过程中，参考加速度a为：

a＝(p

p

F

p

m：动子质量，可测量得到。

S＝∫∫adtdt (5)

由上式(5)可得参考时间t，参考功率P＝W/t，参考频率为2/t。

为提高工作频率，对电磁负载实施分段控制。

从左侧上止点到速度最大位置处，此阶段动子处于加速运动阶段，该段电磁负载可设置为较小值或设置为零，假设此时电磁负载为F

a

根据力学原理有

v

S

S

由式(4)和(6)可得，行程S

Δa＝(F

因此，分段控制运动速度比参考运动速度也要大，速度差为常数，等于Δv＝(F

从速度最大位置到右侧上止点处S

a

根据力学原理有

v

S

v

S

由式(4)和(9)可得，行程S

Δa＝(F-F

因此，S

对S

F

a

根据力学原理有：

v

S

v

基于式(14)可得该段运行时间t

由式(4)和(13)可得，行程S

Δa＝(F

因此，S

和参考工况相比，分段控制在整个运动冲程中可缩短时间为：

Δt＝t

频率可提高：

功率可提高：

如图5所示，当在不同时段施加不同的电磁负载形式和大小时，以动子质量为4kg为例进行实施结果说明。以图5所示的分段方式、波形和大小分别进行控制。

结果如下表1所示。

表1

可以看出，当电磁力从左侧上止点到右侧上止点都是常数或按正弦变化时，两者工作频率和输出功率接近，这说明加速段和减速段采用同样的波形方式对结果影响不大。当电磁力在行程前半部分正弦变化，而后半部分方波变化时，和整个行程都是方波变化相比，输出功率有所提高，原因是和方波变化相比，加速段电磁力正弦变化时，正弦变化的电磁力其值由零逐渐增大，该阶段动子具有更大的加速度。

d情况将行程中部前的电磁力分成两阶段变化，e将行程中部前的电磁力也设置为两段变化，但第一段电磁力设置为零，f将行程中部前电磁力都设置为零，结果表明，行程中部前电磁力设置的越小，越有利于动子速度提高，缩短冲程运行时间，功率和频率都有提升。

而g、h分别为在进、排气关闭前电磁力设置为零的分析结果，系统功率和频率都进一步提高。

可见，一侧发动机燃烧后，电磁力为零的时间越长，越有利于提高功率和频率，但由于动子必须在另一侧上止点处的速度降为零，还要保证动子到达指定的上止点位置，因此，减速段电磁阻力施加的时间越晚，所需施加的电磁力就要越大，这就对电机设计提出要求，另外，若电磁力施加时间太晚，还可能出现撞缸危险。因此，电磁力施加也不能过晚。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子一中方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述实施例子一中方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供一种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；

所述控制器被配置为：

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。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。