CN101954854B - 使用自由活塞线性交流发电机发动机的混合动力系统 - Google Patents

使用自由活塞线性交流发电机发动机的混合动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用自由活塞线性交流发电机发动机的混合动力系统。一种混合动力系统包括多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成产生电功率的线性交流发电机装置。控制模块配置成响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械和电功率需求。所述控制模块操作扭矩机以响应于机械功率需求产生输出扭矩且操作往复式自由活塞内燃机以响应于电功率需求产生电功率。

Description

使用自由活塞线性交流发电机发动机的混合动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力系统。
背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
车辆使用动力系统来产生牵引扭矩并将牵引扭矩传输给输出构件。用于机动车辆的已知混合动力系统包括内燃机和扭矩机，内燃机和扭矩机将牵引扭矩传递给一个或多个驱动轮，包括通过变速器装置将扭矩传输给被联接到传动系的输出构件。一种已知混合动力系统包括电机，电机配置成操作为与电能存储装置交换电功率的扭矩马达和电功率发电机。
混合动力系统包括与一个或多个扭矩机机械地串联联接的内燃机，包括使用电功率来推进的里程扩展电动车辆和插电式混合动力电动车辆。
一种已知内燃机包括具有两个对置气缸的往复式内燃机，双端自由活塞在气缸中振动。在对置气缸中的双端自由活塞形成两个可变容积燃烧室。对置气缸可以具有在其中一体形成的线性交流发电机，并且双端自由活塞包括多个永磁体。当自由活塞在发动机的操作期间在两个对置气缸内振动时，产生电能，所述电能可用于给扭矩机提供动力或者可以存储在电能存储装置中。因而，该操作将发动机燃料形式的化学能直接转换为电能和动力。
发明内容
一种混合动力系统包括电能存储装置和电驱动扭矩机。所述电驱动扭矩机产生可传输给传动系的扭矩且反作用来自于传动系的扭矩。所述混合动力系统包括多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成产生电功率的线性交流发电机装置。功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率。控制模块配置成响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械和电功率需求。所述控制模块命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
方案1.一种混合动力系统，包括：
电能存储装置；
电驱动扭矩机，所述电驱动扭矩机配置成产生可传输给传动系的扭矩且反作用来自于所述传动系的扭矩；
多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成在处于发动机开启状态时产生电功率的线性交流发电机装置；
功率电子电路，所述功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率；以及
控制模块，所述控制模块配置成：
响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械和电功率需求，
命令扭矩机的操作以响应于机械功率需求产生输出扭矩，以及
命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
方案2.根据方案1所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括独立地命令每个往复式自由活塞内燃机在从最小电功率至最大电功率的输出功率范围内操作以响应于电功率需求产生电功率。
方案3.根据方案1所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令所有往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一同时操作。
方案4.根据方案1所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令每个往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一独立操作。
方案5.根据方案4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以额定输出功率独立操作。
方案6.根据方案4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以共振速度和额定输出功率独立操作。
方案7.根据方案4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以额定输出功率的预定比例独立操作。
方案8.根据方案4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括操作所述往复式自由活塞内燃机中的选定内燃机，以产生比与操作者扭矩请求相关的所需机械功率更大的总电功率。
方案9.根据方案4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括操作所述往复式自由活塞内燃机中的选定内燃机，以产生比与操作者扭矩请求相关的所需机械功率更小的总电功率。
方案10.根据方案1所述的混合动力系统，其中，包括线性交流发电机装置的所述往复式自由活塞内燃机配置成在以发动机开启状态在共振速度下操作时产生相同的额定输出功率。
方案11.根据方案1所述的混合动力系统，其中，包括线性交流发电机装置的往复式自由活塞内燃机配置成在以发动机开启状态在共振速度下操作时产生不同的递增额定输出功率量。
方案12.一种混合动力系统，包括：
电能存储装置；
多个电驱动扭矩机，所述电驱动扭矩机配置成产生机械扭矩且反作用机械扭矩；
多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成产生电功率的线性交流发电机装置；
功率电子电路，所述功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率；以及
控制模块，所述控制模块配置成：
响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械和电功率需求，
命令扭矩机的操作以响应于机械功率需求产生扭矩，以及
命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
方案13.一种混合动力系统，包括：
电能存储装置；
电驱动扭矩机，所述电驱动扭矩机配置成产生可传输给传动系的扭矩且反作用来自于传动系的扭矩；
多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成产生电功率的线性交流发电机装置；
功率电子电路，所述功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率；以及
控制模块，所述控制模块配置成：
响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定电功率需求，以及
命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
方案14.根据方案13所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括独立地命令每个往复式自由活塞内燃机在从最小电功率至最大电功率的输出功率范围内操作以响应于电功率需求产生电功率。
方案15.根据方案13所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令所有往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一同时操作。
方案16.根据方案13所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令每个往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一独立操作。
方案17.根据方案16所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以额定输出功率独立操作。
方案18.根据方案16所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以共振速度和额定输出功率独立操作。
附图说明
现在将通过示例的方式参考附图来描述一个或多个实施例，在附图中：
图1、2和3是根据本发明的动力系统的二维示意图；
图4是根据本发明的示例性发动机的二维示意图；和
图5-8时根据本发明的示例性动力系统的操作结果的曲线图。
具体实施方式
现在参考附图，其中，附图仅仅是为了图示某些示例性实施例而不是为了限制于此，图1示意性地示出了车辆10，车辆10包括控制系统100、混合动力系统200和传动系300。
混合动力系统200包括多个往复式自由活塞内燃机，每个内燃机包括线性交流发电机装置(FPLA)240。在一个实施例中，混合动力系统包括至少一个电驱动扭矩机230、功率电子模块(PEM)260、电能存储装置(ESD)210和扭矩变速器装置250。在一个实施例(未示出)中，FPLA 240包括四个装置，描述为240A、240B、240C和240D。FPLA 240A、240B、240C和240D产生电功率形式的输出功率。FPLA240A、240B、240C和240D中的每个将其电功率经由多个电缆30传输给功率电子模块260。电缆30的数量对应于每个FPLA 240的线性交流发电机装置的相数。功率电子模块260电连接到扭矩机230和电能存储装置210。
在一个实施例中，电能存储装置(ESD)210优选包括高电压电能存储装置，且可以包括多个锂离子蓄电池单元，所述多个锂离子蓄电池单元被串联连接且具有324V的名义额定值。操作中，优选蓄电池电荷状态(SOC)范围在0.3和0.8之间。
在一个实施例中，ESD 210连接到插接模块215，在车辆10静止时，插接模块215可经由充电插座连接到外部可用电功率。当插接模块215连接到外部可用电功率时，其转换电功率以给ESD 210充电。
扭矩机230包括将电功率转换为机械功率且将机械功率转换为可存储在ESD 210中的电功率的电动马达/发电机。在一个实施例中，扭矩机230包括两个电动马达，每个电动马达用旋转速度、扭矩输出以及与速度和扭矩输出相关的效率水平表征。扭矩机230操作为马达，使用电功率产生牵引扭矩形式的机械功率以驱动车辆10。扭矩机230操作为发电机，经由牵引扭矩使用电功率以反作用车辆制动形式的机械功率以回收车辆动能。
功率电子模块260包括多个可控功率逆变器，所述功率逆变器包括被配置和被控制成在交流电流和直流电流之间转换电功率的功率晶体管。电功率经由高压电总线在功率电子模块260、FPLA 240、ESD210和扭矩机230之间传输。
每个FPLA 240优选包括模块化共振机，包括具有单个气缸的往复式自由活塞内燃机，所述气缸带有在其中振动的双端自由活塞。单个气缸中的双端自由活塞形成两个可变容积燃烧室。气缸具有线性交流发电机，包括在其中一体形成的多个电线圈和铁定子，双端自由活塞包括多个永磁体。当自由活塞在操作期间在气缸中振动时，电能根据电磁原理通过永磁体与铁定子和电线圈形成和断开磁场的动作而产生。来自于每个FPLA 240的输出功率是电功率的形式，且可以用于给电驱动扭矩机(例如，电驱动扭矩机230)提供动力或者可以存储在电能存储装置(例如，电能存储装置(ESD)210)中。
图4示意性地示出了示例性FPLA 240的二维视图，包括具有非铁金属外壳的单个气缸10。线性交流发电机在其中形成，包括环形铁定子18和活塞12，铁定子18具有放置在其中的多个环形电线圈16。电线圈16相对于气缸10的纵轴线是环形的且沿该纵轴线间隔设置并与铁定子18结合。活塞12包括具有多个永磁体14的单个双端自由装置。活塞12插入到环状铁定子18和多个电线圈16中。气缸10的第一端用第一头部21封盖，第一头部21包括进气阀20、排气阀22和燃料喷射器24。气缸10的第二端用第二头部21’封盖，第二头部21’包括进气阀20’、排气阀22’和燃料喷射器24’。气缸10、活塞12和第一头部21形成第一可变排量燃烧室28。气缸10、活塞12和第二头部21’形成第二可变排量燃烧室28’。在一个实施例中，进气阀20、20’和排气阀22、22’是通过活塞12在单个气缸10中的移动来开启和关闭的孔隙阀。
每个FPLA 240燃烧所喷射的燃料以使用一个或多个燃烧过程使活塞12在单个气缸10中移动。在一个实施例中，每个FPLA 240配置成使用均质充气压缩点火燃烧模式以两冲程燃烧循环操作。每个FPLA 240可以在一定压缩比范围内操作，以适合各种燃料成分并实现优选热和燃料效率水平。
燃料可以包括汽油混合物和醇混合的烃燃料级别。乙醇混合的烃燃料可以包括较高的乙醇混合物(例如，E80、E85)和纯乙醇(E99)。替代地，可以使用包括一至五个碳原子的醇，包括甲醇、乙醇、n丙醇、异丙醇、n丁醇、仲丁醇、异丁醇、叔丁醇、n戊醇、仲戊醇、伯异戊醇、仲异戊醇、戊醇、叔戊醇及其轻乙醇混合物中的任一种是优选燃料；然而，在根据本发明的实施方式中，可以使用替代液体和气体燃料，例如纯甲醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整油、合成气等。
每个FPLA 240以发动机开启(ON)状态和发动机关闭(OFF)状态操作。每个FPLA 240具有与活塞12质量和气缸10长度相对应的至少一个共振操作速度，在该操作速度下，产生优选输出功率，例如最大输出功率或在最大效率点实现的输出功率。优选输出功率指的是在共振操作速度下的额定输出功率。在一个实施例中，每个FPLA240以共振速度和固定输出功率(例如，30kW的额定输出功率)操作。替代地，每个FPLA 240具有相同的额定输出功率(例如，30kW)且优选地在共振速度下以多个输出功率(例如，10kW、20kW和30kW)之一操作，输出功率通过控制每个燃烧循环喷射的燃料质量来控制。替代地，每个FPLA 240具有相同的额定输出功率(例如，30kW)且在从最小输出功率至额定输出功率(例如，在0kW和30kW的额定输出功率之间)的输出功率范围内操作，输出功率通过控制每个燃烧循环喷射的燃料质量来控制。在一个实施例中，每个FPLA 240以额定输出功率操作以产生相同量的功率，例如30kW，在使用四个FPLA 240时总计120kW输出功率。在一个实施例中，FPLA 240具有不同的额定输出功率，且在发动机开启状态产生不同(优选递增的)量的输出功率。FPLA 240可以配置成通过改变发动机设计因素来产生不同的额定输出功率，发动机设计因素包括气缸10的孔径和行程、活塞12的尺寸和质量以及其它因素。因而，在一个实施例中，第一FPLA 240A可以具有10kW的额定输出功率，第二FPLA 240B可以具有20kW的额定输出功率，第三FPLA 240C可以具有30kW的额定输出功率，第四FPLA 240D可以具有40kW的额定输出功率，FPLA 240A、240B、240C和240D结合操作的功率共计100kW的额定输出功率。FPLA 240产生的额定输出功率的数值是说明性的而不是限制性的。
排气后处理系统270配置成处理在与发动机配置和燃烧模式(例如，燃烧过程、潜在空气/燃料比操作工况和其它因素)一致的所有FPLA 240中燃烧期间产生的排气供应流。
在一个实施例中，变速器250包括差速齿轮装置和选择性地施用的扭矩传递离合器，以便以多个范围状态之一在扭矩机230和传动系300之间传输动力。来自于扭矩机230的机械功率可以传输给变速器250并经由输出构件64至传动系300，用作牵引动力。来自于传动系300的机械功率可以经由变速器250传输给扭矩机230。
扭矩机230、FPLA 240和变速器250均包括用于监测其操作的传感装置。扭矩机230、FPLA 240和变速器250均包括用于控制其操作的多个致动器。
在一个实施例中，图1所示的传动系300可以包括差速齿轮装置310，差速齿轮装置310机械地联接到车轴320或半轴，车轴320或半轴机械地联接到具有制动装置325的车轮330。差速齿轮装置310被联接到输出构件64。传动系300在混合动力变速器250和道路表面之间传输牵引动力。图2示出了混合动力系统200’的另一个实施例，混合动力系统200’包括多个FPLA 240、扭矩机230、功率电子模块260和电能存储装置210。扭矩机230经由输出构件64直接连接到传动系300以传输扭矩，而没有中间变速器装置。图3示出了混合动力系统200”的另一个实施例，混合动力系统200”包括多个FPLA 240、功率电子模块260和电能存储装置210。在该实施例中，每个扭矩机230’包括车轮马达，车轮马达直接连接到传动系300”，传动系300”包括多个具有制动装置325的车轮330之一。高功率电总线262用于响应于来自于控制模块120的控制信号在每个扭矩机230’和功率电子模块260之间传输电功率。
控制系统100包括控制模块120和操作者接口130。优选地，制动和牵引控制(Braking/TC)系统140配置成经由通信总线155传输传感器数据和控制信号形式的信息。操作者接口130包括多个人/机接口装置，车辆操作者通过人/机接口装置命令车辆10的操作，包括加速踏板、制动踏板和变速器范围选择器(PRNDL)，均未独立示出。操作者接口130优选与控制模块120以及制动和牵引控制系统140直接通信。车辆操作者通过加速踏板、制动踏板和变速器范围选择器传输指令，例如，输出扭矩指令，包括操作者扭矩请求、车辆行驶方向(即，向前或倒档)、以及变速器250的优选范围状态(在适用的情况下)。制动和牵引控制系统140包括例如偏航速率传感器、车轮速度传感器、车辆速度传感器和控制方案，以在操作期间管理和控制车辆制动、牵引控制和稳定性。
控制模块120被信号地连接到扭矩机230、变速器250和ESD 210中的每个的传感装置，以监测其操作并确定其参数状态。ESD 210的监测状态优选包括ESD 210的瞬时电流和温度。控制模块120确定ESD 210的参数状态，这些参数状态表示ESD 210将功率传输给扭矩机230的容量。ESD 210的参数状态包括电荷状态(SOC)、以及最大和最小功率极限。
在如此配备的实施例中，变速器250的监测状态优选包括旋转速度以及多个位置处的液压压力，据此可以确定包括具体扭矩传递离合器的施用的参数状态。扭矩机230的监测状态优选包括速度和功率流，例如电流，据此可以确定从扭矩机230输出的马达扭矩的参数状态。
控制模块120操作性地连接到扭矩机230和变速器250中的每个的致动器，以根据以算法和标定值形式存储的被执行控制方案来控制其操作。与变速器250相关的致动器包括螺线管装置，用于致动扭矩传递离合器以实现具体范围状态的操作。控制模块120操作性地连接到功率电子模块260的功率晶体管(例如，IGBT)，以控制通过其的电功率传输。
操作中，控制模块120执行算法代码，以响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械功率和电功率需求。控制模块120响应于机械功率需求命令扭矩机230和PEM 260的操作以产生输出扭矩。控制模块120信号地连接到第二控制模块(FPCM)125以响应于电功率需求控制FPLA 240的操作以产生电功率。第二控制模块(FPCM)125信号地和操作性地连接到FPLA 240A、240B、240C和240D中的每一个以监测其操作状态并控制其操作。FPLA 240的监测操作状态可包括发动机速度、负载或温度。与每个FPLA 240相关的致动器优选包括例如燃料喷射器、空气流量控制器和与控制FPLA240A、240B、240C和240D中的每个的操作(包括控制发动机状态为发动机开启状态和发动机关闭状态之一)相关的其它已知装置。优选的机械功率需求与操作者扭矩请求相关，并包括响应于操作者扭矩请求来自扭矩机230的优选扭矩输出。考虑到机械效率、电功率传输损失和其它因素，电功率需求与ESD 210的当前电荷状态(相对于ESD 210的优选电荷状态)和优选机械功率需求相关。
控制模块120优选包括一个或多个通用数字计算机，通用数字计算机每个包括微处理器或中央处理单元、存储介质(包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM))、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块120具有一组控制算法，所述控制算法包括存储在一个存储介质中且被执行提供期望功能的常驻程序指令和标定值。进出控制模块120的信息传输可以通过直接连接、局域网络总线和串行外围接口总线完成。控制方案的算法在预定回路循环期间被执行，以便每个算法在每个回路循环被执行至少一次。存储在非易失性存储装置中的算法由中央处理单元执行，以监测来自感测装置的输入以及执行控制和诊断程序从而用标定值控制与混合动力系统200的元件相关的致动器的操作。在持续进行的混合动力系统操作期间，回路循环通常以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。
控制模块120配置成执行多个功率管理方案中的至少一个，以在扭矩机230、电能存储装置(ESD)210和FPLA 240之间传输电功率，从而响应于操作者扭矩请求使用扭矩机230和传动系300产生牵引扭矩。功率管理方案包括监测输入并执行决策逻辑以控制致动器的可机器执行算法和标定值。
用于操作动力系统200以响应于操作者扭矩请求产生牵引扭矩以便实现瞬时功率需求的第一功率管理方案包括在从最小至最大输出功率的输出功率范围内操作每个FPLA 240，输出功率通过控制在每个燃烧循环期间喷射至每个FPLA的燃料质量来控制。在本文所述的动力系统200的一个实施例中，其中FPLA 240A、240B、240C和240D均具有30kW功率的额定输出功率，FPLA 240的输出功率从0kW至120kW连续地变化。因而，如参考图5所示，来自于FPLA 240的总输出功率(PFPLA)紧密地跟踪操作者扭矩请求(PDemand)，至车辆的输出功率(PVehicle)基于扭矩机230的效率调节。当动力系统200配置成主要使用第一功率管理方案操作时，由于大多数瞬时功率需求使用FPLA 240响应于其直接实现，ESD210可定尺寸为在对与充电和放电相关的过量电荷容量的需要最小的情况下的合适电荷容量(Ah)。
用于操作动力系统200以产生牵引扭矩以便实现响应于操作者扭矩请求的瞬时功率需求的第二功率管理方案包括在所有FPLA 240以发动机开启(ON)状态和发动机关闭(OFF)状态之一操作的情况下操作动力系统200。优选地，每个FPLA 240以其共振速度和其额定输出功率(在一个实施例中，例如30kW)操作。因而，FPLA 240在发动机开启状态产生最大电输出功率(例如，120kW)且在发动机关闭状态产生零输出功率。所产生的电功率给扭矩机230提供动力以产生牵引扭矩、给ESD210充电或者被消耗。第二功率管理方案可以与旨在用于里程扩展电动车辆操作或插电式混合动力车辆操作的车辆结合使用。ESD210可定尺寸为具有大电荷容量的合适电荷容量(Ah)，因为大多数瞬时功率需求使用ESD210实现。当ESD210的电荷状态达到最小电荷水平时，FPLA240提供备用功率。替代地，当车辆旨在主要以混合动力操作模式操作时，ESD210可定尺寸为具有小电荷容量的合适电荷容量(Ah)，因为瞬时功率需求使用FPLA 240实现。因而，如参考图6所示，来自于FPLA 240的总输出功率(PFPLA)并不跟踪操作者扭矩请求(PDemand)，传输至车辆的输出功率(PVehicle)基于扭矩机230的效率调节。
用于操作动力系统200以产生牵引扭矩以便实现响应于操作者扭矩请求的瞬时功率需求的第三功率管理方案包括以发动机开启(ON)状态和发动机关闭(OFF)状态之一操作动力系统200的每个FPLA240，其中，每个FPLA 240以其共振速度和其额定输出功率(在一个实施例中，例如30kW)操作。因而，在一个实施例中，FPLA 240A、240B、240C和240D中的每一个以发动机开启(ON)状态和发动机关闭(OFF)状态之一操作，且FPLA 240A、240B、240C和240D中的每个在操作时产生相同的额定输出功率，例如30kW。当所有FPLA
240都处于发动机关闭状态时，有0kW的对应输出功率，当FPLA 240中的一个处于发动机开启状态时，有30kW的对应输出功率，当FPLA
240中的两个处于发动机开启状态时，有60kW的对应输出功率，当FPLA 240中的三个处于发动机开启状态时，有90kW的对应输出功率，当所有FPLA 240都处于发动机开启状态时，有120kW的对应输出功率。
图7示出了使用第三功率管理方案的第一子组的动力系统200的操作，其中，处于发动机开启状态的FPLA 240的数量基于操作者扭矩请求(PDemand)来确定，从操作FPLA 240输出的总输出电功率(PFPLA)被控制为大于与操作者扭矩请求(PDemand)相关的所需机械功率，传输至车辆的输出功率(PVehicle)基于扭矩机230将电功率转换为机械功率的效率调节。操作FPLA 240产生的过多功率用于给ESD210充电或以其它方式消耗。
图8示出了使用第三功率管理方案的第二子组的动力系统200的操作，其中，处于发动机开启状态的FPLA 240的数量基于操作者扭矩请求(PDemand)来确定，从操作FPLA 240输出的总输出功率(PFPLA)被控制为小于与操作者扭矩请求(PDemand)相关的所需机械功率，传输至车辆的输出功率(PVehicle)基于扭矩机230将电功率转换为机械功率的效率调节。
用于操作动力系统200以产生牵引扭矩以便实现响应于操作者扭矩请求的瞬时功率需求的第三功率管理方案的第三子组包括以发动机开启(ON)状态和发动机关闭(OFF)状态之一操作动力系统200的每个FPLA 240，其中，每个FPLA 240以其共振速度和其额定输出功率操作。在一个实施例中，FPLA 240A、240B、240C和240D配置成产生不同的递增的额定输出功率量。因而，在一个实施例中，第一FPLA 240A具有10kW的额定输出功率，第二FPLA 240B具有20kW的额定输出功率，第三FPLA 240C具有30kW的额定输出功率，第四FPLA 240D具有40kW的额定输出功率，功率共计100kW的输出功率。来自于FPLA 240A、240B、240C和240D的输出功率可以通过其选择性的操作以10kW增量从零增加至100kW。因而，当所有FPLA240都处于发动机关闭状态时，有0kW的对应输出功率，当仅仅第一FPLA 240A处于发动机开启状态时，有10kW的对应输出功率，当仅仅第二FPLA 240B处于发动机开启状态时，有20kW的对应输出功率，当仅仅第三FPLA 240C处于发动机开启状态时，有30kW的对应输出功率，当仅仅第四FPLA 240D处于发动机开启状态时，有40kW的对应输出功率。通过选择性地操作FPLA 240A、240B、240C和240D中的一个或多个，输出功率以10kW的增量累增至100kW的输出功率。
用于操作动力系统200以产生牵引扭矩以便实现响应于操作者扭矩请求的瞬时功率需求的第三功率管理方案的第四子组包括以发动机开启(ON)状态和发动机关闭(OFF)状态之一操作动力系统200的每个FPLA 240，其中，每个FPLA 240以发动机开启状态操作以产生选定的离散水平的输出功率。所产生的可选择离散水平的输出功率各包括每个FPLA 240可以产生的预定输出功率。可选择离散水平的输出功率优选为额定输出功率的预定比例，例如额定输出功率的33％、66％和100％，在一个实施例中包括10kW、20kW和30kW。每个FPLA 240通过控制每个燃烧循环喷射的燃料质量来产生可选择的离散水平的输出功率且优选与FPLA 240的共振速度相关。因而，在一个实施例中，从FPLA 240A、240B、240C和240D产生的输出功率可以通过控制其发动机状态(即，发动机开启和发动机关闭之一)和控制从其输出的离散水平的输出功率而以10kW增量从零增加至120kW。因而，当所有FPLA 240都处于发动机关闭状态时，有0kW的对应输出功率，当仅仅第一FPLA 240A处于发动机开启状态且操作产生10kW的离散输出功率时，有10kW的对应输出功率，当第一FPLA240A处于发动机开启状态且操作产生20kW的离散输出功率时，有20kW的对应输出功率，当第一FPLA 240A处于发动机开启状态且操作产生30kW的离散输出功率时，有30kW的对应输出功率，等等。通过选择性地操作FPLA 240A、240B、240C和240D中的一个或多个并以10kW的增量控制从其产生的输出功率，所产生的输出功率以10kW的增量累增至120kW的输出功率。在以三个不同的离散功率水平操作时，FPLA 240A、240B、240C和240D具有不同的电效率水平。在一个实施例中，三个功率水平和对应电效率是10kW与92％效率，20kW与85％效率，以及30kW与80％效率。因而，控制方案优选选择性地操作FPLA 240A、240B、240C和240D以最大化效率和功率。该功率管理方案的一个实施例参考表1示出。
表1
Figure BSA00000199095300141
由FPLA 240A、240B、240C和240D产生的总输出功率可用于跟踪操作者扭矩请求，所产生的过量功率用于给ESD210充电。由于大多数瞬时功率需求使用FPLA 240A、240B、240C和240D直接实现，在对与充电和放电相关的过量电荷容量的需要最小的情况下，ESD210可以适当地定尺寸。
在操作中，混合动力控制器120监测ESD210相对于其放电和充电功率极限的SOC和瞬时功率需求。当蓄电池的放电功率极限值小于瞬时功率需求时，混合动力控制器120选择性地以发动机开启状态操作FPLA 240A、240B、240C和240D。当蓄电池达到SOC的下阈值(例如0.3)时，混合动力控制器120切换到充电模式，在充电模式期间，总功率由FPLA 240A、240B、240C和240D供应。所请求的来自于FPLA 240A、240B、240C和240D的总功率等于车辆功率需求和ESD210的瞬时充电功率极限值的总和，考虑了机械效率、电功率传输损失和其它因素。混合动力控制器120以充电模式操作，直到ESD210达到SOC上限，例如达到0.8。此时，所有功率由ESD210提供，且仅仅在蓄电池不能满足车辆功率需求或者再次达到SOC下限时接通FPLA 240A、240B、240C和240D。
本发明已经描述某些优选实施例及其变型。在阅读和理解说明书之后，可以想到进一步的变型和修改。因而，本发明并不旨在限于作为用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种混合动力系统，包括：
电能存储装置；
电驱动扭矩机，所述电驱动扭矩机配置成产生可传输给传动系的扭矩且反作用来自于所述传动系的扭矩；
多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成在处于发动机开启状态时产生电功率的线性交流发电机装置，每个往复式自由活塞内燃机配置成在以发动机开启状态在共振速度下操作时产生不同的递增额定输出功率量；
功率电子电路，所述功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率；以及
控制模块，所述控制模块配置成：
响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械和电功率需求，
命令扭矩机的操作以响应于机械功率需求产生输出扭矩，以及
命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括独立地命令每个往复式自由活塞内燃机在从最小电功率至最大电功率的输出功率范围内操作以响应于电功率需求产生电功率。
3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令所有往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一同时操作。
4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令每个往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一独立操作。
5.根据权利要求4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以额定输出功率独立操作。
6.根据权利要求4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以共振速度和额定输出功率独立操作。
7.根据权利要求4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以额定输出功率的预定比例独立操作。
8.根据权利要求4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括操作所述往复式自由活塞内燃机中的选定内燃机，以产生比与操作者扭矩请求相关的所需机械功率更大的总电功率。
9.根据权利要求4所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括操作所述往复式自由活塞内燃机中的选定内燃机，以产生比与操作者扭矩请求相关的所需机械功率更小的总电功率。
10.一种混合动力系统，包括：
电能存储装置；
多个电驱动扭矩机，所述电驱动扭矩机配置成产生机械扭矩且反作用机械扭矩；
多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成产生电功率的线性交流发电机装置，每个往复式自由活塞内燃机配置成在以发动机开启状态在共振速度下操作时产生不同的递增额定输出功率量；
功率电子电路，所述功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率；以及
控制模块，所述控制模块配置成：
响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定机械和电功率需求，
命令扭矩机的操作以响应于机械功率需求产生扭矩，以及
命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
11.一种混合动力系统，包括：
电能存储装置；
电驱动扭矩机，所述电驱动扭矩机配置成产生可传输给传动系的扭矩且反作用来自于传动系的扭矩；
多个往复式自由活塞内燃机，每个包括配置成产生电功率的线性交流发电机装置，每个往复式自由活塞内燃机配置成在以发动机开启状态在共振速度下操作时产生不同的递增额定输出功率量；
功率电子电路，所述功率电子电路配置成在每个线性交流发电机装置、电能存储装置和扭矩机之间传输电功率；以及
控制模块，所述控制模块配置成：
响应于操作者扭矩请求和电能存储装置的电荷状态来确定电功率需求，以及
命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率。
12.根据权利要求11所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括独立地命令每个往复式自由活塞内燃机在从最小电功率至最大电功率的输出功率范围内操作以响应于电功率需求产生电功率。
13.根据权利要求11所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令所有往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一同时操作。
14.根据权利要求11所述的混合动力系统，其中，命令往复式自由活塞内燃机的操作以响应于电功率需求产生电功率包括这样的功率管理方案：所述功率管理方案包括命令每个往复式自由活塞内燃机以发动机开启状态和发动机关闭状态之一独立操作。
15.根据权利要求14所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以额定输出功率独立操作。
16.根据权利要求14所述的混合动力系统，其中，每个往复式自由活塞内燃机的独立操作包括在发动机开启状态以共振速度和额定输出功率独立操作。
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