CN107956578B - 一种自由活塞式内燃直线发电储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由活塞式内燃直线发电储能系统，包括由内燃机活塞连杆直接驱动直线电机动子进行发电的内燃直线发电机装置和用于储存内燃直线发电机装置输出电能的储能装置；内燃直线发电机装置连接有用于发电驱动和电能输出管理的控制及驱动装置，具有高效、高功率密度、低排放、多种清洁燃料灵活适应性以及电动和发电一体化的优点。将该自由活塞式内燃直线发电储能系统作为混合动力汽车的增程器应用，不仅可继承延续传统混合汽车的全部优势，还可使其性能取得跨越式和革命性发展，对于进一步提高燃烧效率和燃油利用率，以及在发展清洁能源混合动力汽车技术方面具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机发电技术领域，具体地说是一种自由活塞式内燃直线发电储能系统。
背景技术
目前，新能源汽车发展趋势日益迅猛。从长期来看，包括燃料电池技术在内的纯电驱动将是新能源汽车的主要技术方向。然而，目前纯电驱动的新能源汽车发展依然面临诸多瓶颈因素限制。从短期来看，发展混合动力汽车无疑是介于传统燃油汽车及纯电动汽车之间的重要过渡路线。但是，目前混合动力汽车依然使用传统内燃旋转发电机作为主要驱动电力来源，在许多方面亟待进一步提升：1、燃烧效率、燃油利用率、排放性能有待进一步优化；2、多种燃料适应性差，无法进一步满足清洁能源汽车发展的需求；3、需要额外的启动电机，集成结构庞杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术现状，而提供一种自由活塞式内燃直线发电储能系统，简化机电能量转换结构，提高机电能量转换效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种自由活塞式内燃直线发电储能系统，包括由内燃机活塞连杆直接驱动直线电机动子进行发电的内燃直线发电机装置和用于储存内燃直线发电机装置输出电能的储能装置；内燃直线发电机装置连接有用于发电驱动和电能输出管理的控制及驱动装置。
上述的内燃直线发电机装置包括内燃机装置、直线电机装置和回弹装置；内燃机装置中的活塞连杆与直线发电机中的动子直接相连，驱动动子往复运动切割磁力线发电。
上述的内燃机装置包括一个缸体模块、一个缸头模块、一个加燃料模块和一个水冷模块。
上述的缸体模块制有用于燃料燃烧爆炸的活塞腔，活塞腔内设有与活塞连杆相连接的活塞。
上述的缸头模块设有与活塞腔相连接的燃料口、进气口、排气口以及用于控制开闭的电磁阀和用于点火的火花塞。
上述的加燃料模块包括燃料箱、动力电池和供电开关；燃料箱向燃料口提供燃料；动力电池的供电电压输出到控制及驱动装置，当供电电压降低到预先设定的电压下限阈值时，控制及驱动装置报警，关闭供电开关，并开始控制直线电机装置缓慢停车；当电动力电池的供电输出电压恢复时，控制及驱动装置报警解除报警，打开供电开关。
上述的水冷模块包括带开关控制器的水箱、水冷却管和温度传感器；水冷却管布置在内燃机装置上，温度传感器检测内燃机装置的工作温度，并将检测信号发送给控制及驱动装置，控制及驱动装置通过开关控制器控制内燃机装置的水冷却循环。
上述的直线电机装置包括用于发电的直线电机和用于检测直线电机的动子位置信息的位置传感器模块。
上述的直线电机是三相交流永磁直线电机。
上述的位置传感器模块采集直线电机动子的实际位置信息，并发送给控制及驱动装置。
上述的回弹装置可以是气体弹簧、液压弹簧或机械弹簧，在内燃机周期性点火燃烧膨胀做功后推动直线发电机的动子回弹以切割磁力线发电，并驱动活塞压缩内燃机装置中的气体。
上述的回弹装置还可以是向直线发电机施加电驱动以使动子回复并驱动活塞压缩内燃机装置中气体的电驱动控制模块。
上述的储能装置包括双向DC-DC能量转换模块和用于储存电能的电池组模块。
上述的双向DC-DC能量转换模块具有将电池组模块的输出电压转换为直线电机启动电压的第一转换模块，以及将直线电机的发电输出电压转换为电池组模块输入电压的第二转换模块。
上述的控制及驱动装置包括用于计算控制指令的控制器和用于执行驱动指令的驱动器。
上述的控制器收集位置传感器模块的反馈位置信息，在控制器内部进行位置环的控制算法，并向驱动器输出速度或转矩给定值；并控制缸头进气口和排气口的开闭、火花塞的点火以及加燃料口的开闭；以及收集温度传感器的反馈温度信息，控制直线电机装置的水冷模块水循环的开关，收集动力电池的供电电压，控制加燃料模块的开闭和直线电机的停机。
上述的驱动器接收控制器下发的各种控制指令、速度或转矩给定值，在驱动器内部进行速度或转矩环的控制算法运行，并输出U、V、W三相交流电以驱动直线电机；直线电机装置工作在发电状态时通过驱动器把电能传输给双向DC-DC能量转换模块。
上述的控制器是由硬件和软件组成，硬件主要包括模拟电路和数字电路，数字电路的微处理器部分采用DSP、MCU、CPLD、FPGA、集成IC等器件，软件采用计算机语言设计开发而成。
上述的驱动器是由硬件和软件组成，硬件主要包括模拟电路和数字电路，数字电路的微处理器部分采用DSP、MCU、CPLD、FPGA、集成IC等器件，软件采用计算机语言设计开发而成。
本发明的自由活塞式内燃直线发电储能系统相比于传统内燃旋转发电机具有一系列优点：无需改装内燃机，通过调节压缩比即可适应多种燃料；通过控制直线电机使压缩比精确可控，可实现最优压缩比提高燃烧效率，降低排放；取消了曲柄连杆机构等传动机构，降低了机械摩擦损耗，具有更高的机电能量转换效率，有利于延长系统的寿命和降低噪声；将启动电机和发电机一体化设计，通过控制直线电机适时工作于电动或发电状态，即可完成内燃机启动、停止等一系列运行要求，省去了额外的启动电机，集成结构紧凑，功率密度高，更适合于混合动力装置应用。因此，具有高效、高功率密度、低排放、多种清洁燃料灵活适应性以及电动发电一体化等特点。将该自由活塞式内燃直线发电储能系统作为混合动力汽车的增程器应用，不仅可继承延续传统混合汽车的全部优势，还可使其性能取得跨越式和革命性发展，对于进一步提高燃烧效率和燃油利用率，以及发展清洁能源混合动力汽车技术方面具有重要意义。
附图说明
图1为发明装置的整体组成模块图。
图2为内燃直线发电机装置的组成示意图。
图3为内燃机装置的组成示意图。
图4为加燃料模块的组成示意图。
图5为水冷模块的组成示意图。
图6为直线电机装置的结构示意图。
图7为控制和驱动装置的组成示意图。
图8为储能装置的组成示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种自由活塞式内燃直线发电储能系统包括由内燃机活塞连杆直接驱动直线电机动子进行发电的内燃直线发电机装置和用于储存内燃直线发电机装置输出电能的储能装置，内燃直线发电机装置连接有用于发电驱动和电能输出管理的控制及驱动装置。
内燃直线发电机装置包括内燃机装置、直线电机装置和回弹装置；内燃机装置中的活塞连杆与直线发电机中的动子直接相连，驱动动子往复运动切割磁力线发电。
如图2所示，内燃机装置将活塞连杆与直线发电机动子直接相连，通过内燃机周期性点火燃烧膨胀做功，配合回弹装置作用，可推动直线电机动子往复运动切割磁力线发电。
如图3所示，内燃机装置包括一个缸体模块、一个缸头模块、一个加燃料模块和一个水冷模块。
缸体模块制有用于燃料燃烧爆炸的活塞腔，活塞腔内设有与活塞连杆相连接的活塞。活塞腔是在内燃机周期性点火燃烧膨胀做功时，提供燃烧爆炸的封闭空间，推动直线发电机动子向回弹装置移动，以及打开进排气口。在压缩发电过程中，关闭进排气口，为压缩气体提供封闭空间。
缸头模块主要是作为控制器控制内燃机工作的接口模块。缸头模块设有与活塞腔相连接的燃料口、进气口、排气口以及用于控制开闭的电磁阀和用于点火的火花塞。控制开闭的电磁阀、加燃料口和火花塞通过控制器有序的控制，使得内燃机工作。
如图4所示的加燃料模块，包括燃料箱、动力电池和供电开关，主要是为内燃机装置提供点火爆炸时的燃料。动力电池的供电电压会上传给控制器，当供电电压降低到预先设定的电压下限阈值时，控制器会报警，关闭供电开关，并开始控制直线电机装置缓慢停车，当电池电压又恢复时，打开供电开关，控制器解除报警，通知用户可以正常运行。燃料箱中的燃料可以是汽油、柴油、天然气、甲烷、甲醇、氢气等。
如图5所示，水冷模块包括带开关控制器的水箱、水冷却管和温度传感器，主要是为了防止内燃机温度过高，用于冷却内燃机的缸头模块和缸体模块。在内燃机装置上布置水冷却管，温度传感器安装在内燃机装置的缸头模块上，并检测实际的电机温度并将温度信息上传到控制器。，当控制器监测到温度高于预先设定温度阈值时，会控制水箱的开关开启，水冷却管开始水循环对内燃机进行冷却；当控制器监测到温度低于预先设定温度阈值时，会控制水箱的开关关闭，水冷却管停止水循环。温度传感器可以是热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器等。
如图6所示，直线电机装置包括用于发电的直线电机和用于检测直线电机的动子位置信息的位置传感器模块。
直线电机是自由活塞式内燃直线发电储能系统实现机电能量转换的核心部件，同时又是可进行电动运动控制的对象。本发明的直线电机优选是三相交流永磁直线电机。
位置传感器模块是为了采集直线电机动子的实际位置信息，然后上传至控制器。在启动过程和停止过程中的电动控制时需要用到该位置信息。位置传感器可以是激光位移传感器、超声波测距传感器、光栅位移传感器或磁栅位移传感器等。
回弹装置是气体弹簧、液压弹簧或机械弹簧，在内燃机周期性点火燃烧膨胀做功后，推动直线发电机动子回弹切割磁力线发电，并压缩内燃机缸体模块内的气体。回弹装置也可以是向直线发电机施加电驱动以使动子回复并驱动活塞压缩内燃机装置中气体的电驱动控制模块。
如图7所示，控制及驱动装置控制及驱动装置包括用于计算控制指令的控制器和用于执行驱动指令的驱动器，主要是控制内燃直线发电机装置的电动状态下的动子移动、发电状态下的电机端能量向储能装置输出、进气、排气、以及点火和水冷的工作。
控制器是内燃直线发电机整个系统工作时的控制中心，贯穿整个系统的全周期运行过程的三个阶段。其主要用于向驱动器下发各种控制指令，比如开始工作，停止工作等；收集直线电机装置的位置传感器模块的反馈位置信息，在控制器内部进行位置环的控制算法，然后向驱动器输出速度或转矩给定值，以及控制内燃机装置缸头的进排气口的开闭，火花塞的点火，加燃料口的开闭；收集直线电机装置的温度传感器模块的反馈温度信息，来控制直线电机装置的水冷模块水循环的开和关；收集内燃机装置的加燃料模块的动力电池的供电电压，来控制加燃料模块的供电开关的开闭，以及直线电机的停机。
驱动器主要是为了接收控制器下发的各种控制指令，速度或转矩给定值；在驱动器内部进行速度或转矩环的控制算法运行，并输出U、V、W三相交流电给直线电机装置来驱动直线电机。在直线电机装置工作在发电状态时把电能传输给储能装置的双向DC-DC能量转换模块。
如图8所示，储能装置包括双向DC-DC能量转换模块和用于储存电能的电池组模块。
双向DC-DC能量转换模块是当电机电动需要能量时，由双向DC-DC能量转换模块将电池组的电压由V1变为V2，其中V2为电机电动需要的电压，并将电池上的能量传送到驱动器侧。当电机发电需要释放能量时，由双向DC-DC能量转换模块将驱动器上的电压V3转换为电池组的电压V1，其中V3可以等于V2，也可以不等于V2，并将直线电机发出来的能量传送到电池组中。该双向DC-DC能量转换模块可以采用专利号为201410815469.0的现有技术。
本发明电池组模块，用于存储内燃直线发电机装置发电产生的能量，并可作为电源向其他设备供电。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (7)
1.一种自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：包括由内燃机活塞连杆直接驱动直线电机动子进行发电的内燃直线发电机装置和用于储存内燃直线发电机装置输出电能的储能装置；所述的内燃直线发电机装置连接有用于发电驱动和电能输出管理的控制及驱动装置；
所述的内燃直线发电机装置包括内燃机装置、直线电机装置和回弹装置；所述内燃机装置中的活塞连杆与直线发电机中的动子直接相连，驱动所述动子往复运动切割磁力线发电；
所述的内燃机装置包括一个缸体模块、一个缸头模块、一个加燃料模块和一个水冷模块；
所述的直线电机装置包括用于发电的直线电机和用于检测直线电机的动子位置信息的位置传感器模块；
所述的直线电机是三相交流永磁直线电机；
所述的位置传感器模块采集直线电机动子的实际位置信息，并发送给控制及驱动装置；
所述的储能装置包括双向DC-DC能量转换模块和用于储存电能的电池组模块；
所述的双向DC-DC能量转换模块具有将电池组模块的输出电压转换为直线电机启动电压的第一转换模块，以及将直线电机的发电输出电压转换为电池组模块输入电压的第二转换模块；
所述的加燃料模块包括燃料箱、动力电池和供电开关；所述的燃料箱向所述的燃料口提供燃料；所述动力电池的供电电压输出到控制及驱动装置，当供电电压降低到预先设定的电压下限阈值时，控制及驱动装置报警，关闭供电开关，并开始控制直线电机装置缓慢停车；当电动力电池的供电输出电压恢复时，控制及驱动装置报警解除报警，打开供电开关；
所述的水冷模块包括带开关控制器的水箱、水冷却管和温度传感器；所述的水冷却管布置在内燃机装置上，所述的温度传感器检测内燃机装置的工作温度，并将检测信号发送给控制及驱动装置，所述的控制及驱动装置通过开关控制器控制内燃机装置的水冷却循环；
所述的控制及驱动装置包括用于计算控制指令的控制器和用于执行驱动指令的驱动器；
所述的控制器收集所述位置传感器模块的反馈位置信息，在控制器内部进行位置环的控制算法，并向所述驱动器输出速度或转矩给定值；并控制所述缸头进气口和排气口的开闭、火花塞的点火以及加燃料口的开闭；以及收集所述温度传感器的反馈温度信息，控制直线电机装置的水冷模块水循环的开关，收集所述动力电池的供电电压，控制加燃料模块的开闭和所述直线电机的停机；
所述的驱动器接收控制器下发的各种控制指令、速度或转矩给定值，在驱动器内部进行速度或转矩环的控制算法运行，并输出U、V、W三相交流电以驱动所述直线电机；所述直线电机装置工作在发电状态时通过驱动器把电能传输给所述的双向DC-DC能量转换模块。
2.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：所述的缸体模块制有用于燃料燃烧爆炸的活塞腔，所述的活塞腔内设有与活塞连杆相连接的活塞。
3.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：所述的缸头模块设有与活塞腔相连接的燃料口、进气口、排气口以及用于控制开闭的电磁阀和用于点火的火花塞。
4.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：所述的回弹装置是气体弹簧、液压弹簧或机械弹簧，在内燃机周期性点火燃烧膨胀做功后推动直线发电机的动子回弹以切割磁力线发电，并驱动活塞压缩内燃机装置中的气体。
5.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：所述的回弹装置是向直线发电机施加电驱动以使动子回复并驱动活塞压缩内燃机装置中气体的电驱动控制模块。
6.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：所述的控制器是由硬件和软件组成，所述的硬件主要包括模拟电路和数字电路，数字电路的微处理器部分采用DSP、MCU、CPLD、FPGA、集成IC器件，所述的软件采用计算机语言设计开发而成。
7.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃直线发电储能系统，其特征是：所述的驱动器是由硬件和软件组成，所述的硬件主要包括模拟电路和数字电路，数字电路的微处理器部分采用DSP、MCU、CPLD、FPGA、集成IC器件，所述的软件采用计算机语言设计开发而成。
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- 2017-11-16 CN CN201711139937.7A patent/CN107956578B/zh active Active
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