CN110529268B - 一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，所述复合式自由活塞发电机包括与发电机同轴连接的辅助电动机，所述方法包括启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力，通过控制辅助电动机的输入电压满足所述拖动力的要求；运行过程中，确定活塞在到达下一上止点位置时需要的电能，控制发电机或辅助电机的输入电压，满足所述电能需求。本发明辅助电机的协助，可保证自由活塞直线发电机稳定运行，同时发电机只需负责发电，不需要进行发电和电动模式的转换，解决现有自由活塞直线发电机中发电机工作模式转换响应时间长得问题。

Description

一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车增程器技术领域,具体地说是一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法。

背景技术

目前常见的自由活塞直线发电机(FPLG，free-piston linear generator)结构主要包括电机和发动机两部分，根据电机和发动机的布置和数量又分为单活塞式、对置双活塞式(简称对置式)和背置双活塞式(简称背置式)三种。由于FPLG减少了曲柄连杆机构，因此，其热效率较传统内燃机高，具有较好的应用前景。

PFLG在启动过程，电机作为电动机工作并提供动力，拖动活塞运动到指定位置，发动机点火燃烧，此时，电机从电动机模式转换为发电机模式，输出电能，进入正常工作过程。

由于发动机的燃烧循环变动，活塞每次到达上止点的位置都会产生差异，若压缩比不足，可能导致缸内燃烧状况极差甚至可能失火，此时，仅靠压缩气体产生的动力，活塞无法克服电磁阻力顺利运动到下一个指定位置，进而停机。目前常见的控制策略是，一旦监测到发动机失火或燃烧极差，将发电机转换为电动机，拖动活塞到达指定位置。但该方法存在电机工作转换时间长，电动机产生动力也需要一定的时间响应，因此，还是会产生FPLG运行不稳，无法长期持续工作的问题。

发明内容

本发明实施例中提供了一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，以解决现有技术中将发电机转换为电动机的响应时间长、造成FPLG运行不稳定的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明提供了一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，所述复合式自由活塞发电机包括与发电机同轴连接的辅助电动机，所述方法包括：

启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力，通过控制辅助电动机的输入电压满足所述拖动力的要求；

运行过程中，确定活塞在到达下一上止点位置时需要的电能，控制发电机或辅助电机的输入电压，满足所述电能需求。

进一步地，所述活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力具体为：

式中，P_压＝f(x)是关于活塞位移x的函数，A表示活塞的受力面积，x_max表示活塞有效行程的一半。

进一步地，所述通过控制辅助电动机的输入电压满足所述拖动力的要求具体为：

根据拖动力，计算辅助电动机在当前拖动力作用下，运动到下一上止点位置所做的功；

根据所述运动到下一上止点位置所做的功，确定辅助电动机的输入电压，控制所述输入电压满足做功要求。

进一步地，所述活塞在到达下一上止点位置时需要的电能通过活塞达到的最大加速度或最大速度来确定。

进一步地，所述最大加速度的计算具体为：

在最大加速度位置及前后分别设置位移采集点，获取至少3个位移及对应的时间，计算加速度，作为最大加速度，所述最大加速度的计算公式为：

式中，S₁、t₁表示测得的第一个位移和对应的时间，S₂、t₂表示测得的第二个位移和对应的时间，S₃、t₃表示测得的第三个位移和对应的时间。

进一步地，通过最大加速度确定活塞到达下一上止点位置时需要的电能具体为：

式中，x_max为活塞有效行程的一半，a_max为最大加速度，x₁为点火位置处的活塞位移，v₁为活塞能达到上止点处时，在点火位置处所需的最小速度，W_f为摩擦力所做的功，m为活塞运动件的质量，p_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

进一步地，所述最大速度的计算具体为：

在最大速度位置前、后设置位移采集点，获取至少2个位移及对应的时间，计算速度，作为最大速度，所述最大速度的计算公式为：

式中，s₁'、t₁'分别表示测得的第一位移和对应时间，s'₂、t₂'分别表示测得的第二位移和对应时间。

进一步地，通过最大速度确定活塞到达下一上止点位置时需要的电能具体为：

式中，v_max表示活塞运动的最大速度，x₂表示活塞运动到最大速度处对应的位移，p_vmax表示活塞运动到最大速度处对应的缸内压力，x₁表示点火位置处的活塞位移，v₁为活塞能达到上止点处时，在点火位置处所需的最小速度，W_f为摩擦力所做的功，m为活塞运动件的质量，p_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

进一步地，所述控制发电机或辅助电机的输入电压，满足所述电能需求的具体过程为：

判断所述活塞在到达下一上止点位置时所需电能的正负；

若为非负值，则通过控制发电机的输入电压，满足所述电能需求；

若为负值，则发电机停止工作，辅助电动机工作，并控制辅助电动机的输入电压产生驱动力，满足所述电能需求。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

在现有FPLG的结构基础上添加辅助电动机，并通过本发明的控制方法，在FPLG启动和运行过程中，利用该辅助电动机提供辅助活塞运动的拖动力，保证FPLG的稳定运行。本方法根据活塞运动的最大速度或最大加速度及后续运动过程中压缩气体所做的功、摩擦力所做的功、运动到上止点位置时剩余的能量之间的关系，确定正常运行工况活塞能达到指定位置时，需要提供的电能；并根据该电能值判断是辅助电动机工作还是发电机工作，运行过程中需要辅助电动机工作时，发电机停止工作，省却发电机切换为电动机的响应时间，保证FPLG的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述复合式自由活塞直线发电机的结构示意图；

图2是本发明所述方法的流程示意图；

图3是本发明所述位移采集点的分布示意图。

图中，1发电机、11发电机定子、12发电机动子、2辅助电动机、21辅助电动机定子、22辅助电动机动子、3活塞、4磁栅传感器、41磁栅尺、42磁头。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，在现有FPLG的基础上增加辅助电动机2，辅助电动机2与现有FPLG的发电机1同轴串联，辅助电动机定子21和电动机定子11连接，辅助电动机动子22和发电机定子12连接，实现两者的同轴串联。辅助电动机2配合发电机1工作，在启动过程以及出现失火或燃烧状况极差的情况下，辅助电动机2产生动力，辅助活塞3达到指定位置，而发电机1不需要进行模式转换，只作发电机用，这就可以解决原有FPLG电机工作模式转换时间长得问题，同时，在这种复合式自由活塞直线发电机结构的基础上，为了解决活塞上止点不稳定的问题，本发明提出根据活塞运动最大速度或最大加速度，调整每循环发电机输出电能的方法，实现活塞上止点的稳定。

如图2所示，本发明的稳定工作的方法包括：

S1,启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力，通过控制辅助电动机的输入电压满足所述拖动力的要求；

S2,运行过程中，确定活塞在到达下一上止点位置时需要的电能，控制发电机或辅助电机的输入电压，满足所述电能需求。

步骤S1中，启动过程中，辅助电动机拖动活塞运动到上止点位置，为了保证第一个工作循环即可实现活塞运动达到下一上止点位置，所需辅助电动机提供的拖动力为：

(1)式中，p_压＝f(x)是关于活塞位移x的函数，p_压表示压缩过程中的缸内压力，该力与活塞位移x有关，但在发动机一定时，p_压＝f(x)的函数关系即可确定；A表示活塞的受力面积，为常数；x_max表示活塞有效行程的一半，为常数。

根据(1)式计算的拖动力F，通过对活塞运动位移积分，得到在当前拖动力作用下，运动到下一上止点位置所做的功W，根据公式W＝UIt，并结合辅助电动机的做功效率，在确定时间t的情况下，通过控制输入电压，满足上述拖动力的要求，从而保证FPLG的稳定启动。

启动过程中，只要保证活塞到达点火位置，发动机控制器发出点火指令，发动机便可实现点火燃烧。

步骤S2中活塞在到达下一上止点位置时需要的电能通过活塞达到的最大加速度或最大速度来确定。

利用最大加速度来计算所需电能的具体过程为：

如图3所示，在最大加速度出现位置以及该位置前后1mm处布置位移采集点，即图2所示位移采集点A1、位移采集点A2和位移采集点A3，共布置3个位移采集点，并分别获取活塞经过三个位移采集点的时间，计算活塞运动的最大加速度为：

(2)式中，S₁、t₁表示第一个位移采集点A1测得的第一个位移和对应的时间，S₂、t₂表示位移采集点2测得的第二个位移和对应的时间，S₃、t₃表示位移采集点3测得的第三个位移和对应的时间。上述位移采集点以左侧气缸为例进行了说明，右侧气缸对应的位移采集点B1、B2和B3与A1、A2和A3依次对应。

其中位移采集点处可分别布置位移传感器进行位移数据的采集，需要对应布置位移传感器，如图1所示，也可布置1个磁栅传感器4，磁栅传感器4的磁栅尺41安装在动子轴上，磁头42固定在机壳上，动子带动磁栅尺41移动，磁头42读取磁栅位置信号并发送给控制器，从而控制器实现对动子位置精确控制。为了得到更准确的最大加速度值，可设置多个位移采集点，取最大值作为最大加速度。

确定活塞在到达下一上止点位置时需要的电量具体为：

(3)式中，x_max为活塞有效行程的一半，为常数；x₁为点火位置处的活塞位移，为常数；v₁为活塞能达到上止点处时，在点火位置处所需的最小速度，可通过实验或模拟得到，为常数；W_f为摩擦力所做的功，可通过模拟或实验测得，为常数；

k_eq为上止点处缸内气体的等效刚度，其表达式为：

(4)式中，m为活塞运动件的质量，为常数；

k₁为活塞位于点火位置处缸内气体的等效刚度，其表达是为：

(5)式中，P_压max为点火位置处的缸内压力，可通过实验或模拟测得，为常数；d为活塞直径，为常数。

基于以上公式(3)-(5)得到最大加速度与所需电能的关系为：

建立了活塞在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_max后，即可得到对应的电量W，根据电量与输入电压及工作效率的关系，即可通过控制输入电压，满足电量W的要求。

利用最大速度来计算所需电能的具体过程为：

如图3所示，在最大速度位置前、后分别设置至少两个位移采集点A4、A5，获取至少2个位移及对应的时间，计算速度，作为最大速度，最大速度的计算公式为：

(7)式中，s₁'、t₁'分别表示测得的第一位移和对应时间，s'₂、t₂'分别表示测得的第二位移和对应时间。

通过最大速度确定活塞到达下一上止点位置时需要的电能具体为：

(8)式建立了最大速度和所需电能的关系，其中v_max表示活塞运动的最大速度，x₂表示活塞运动到最大速度处对应的位移，p_vmax表示活塞运动到最大速度处对应的缸内压力，x₁表示点火位置处的活塞位移，v₁为活塞能达到上止点处时，在点火位置处所需的最小速度，W_f为摩擦力所做的功，m为活塞运动件的质量，p_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

在得到最大速度v_max后，即可得到对应的电量W，根据电量与输入电压及工作效率的关系，即可通过控制输入电压，满足电量W的要求。

在根据公式(6)或(8)得到W后，首先判断W的正负，若W非负，则代表发电机应发出相应电能，控制器通过调整发电机相关参数，调整发电机输出W相应的电能。若W为负，表明燃烧产生的能量不足以使活塞运行到另一侧上止点，此时，控制器控制发电机停止工作，而辅助电动机工作，并提供W相应的电能，拖动活塞到指定位置。

对于背置式FPLG，每个循环发动机燃烧两次，活塞往复运动过程中会出现2次速度峰值和2次加速度峰值，每个循环调整两次发电机输入电压。对于单活塞式FPLG和对置式FPLG，同样可采用上述方式达到FPLG的稳定运行。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述复合式自由活塞发电机包括与发电机同轴连接的辅助电动机，所述方法包括：

启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力，通过控制辅助电动机的输入电压满足所述拖动力的要求；

运行过程中，确定活塞在到达下一上止点位置时需要的电能，控制发电机或辅助电机的输入电压，满足所述电能需求。

2.根据权利要求1所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力具体为：

式中，P_压＝f(x)是关于活塞位移x的函数，A表示活塞的受力面积，x_max表示活塞有效行程的一半。

3.根据权利要求2所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述通过控制辅助电动机的输入电压满足所述拖动力的要求具体为：

根据拖动力，计算辅助电动机在当前拖动力作用下，运动到下一上止点位置所做的功；

根据所述运动到下一上止点位置所做的功，确定辅助电动机的输入电压，控制所述输入电压满足做功要求。

4.根据权利要求1所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述活塞在到达下一上止点位置时需要的电能通过活塞达到的最大加速度或最大速度来确定。

5.根据权利要求4所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述最大加速度的计算具体为：

在最大加速度位置及前后分别设置位移采集点，获取至少3个位移及对应的时间，计算加速度，作为最大加速度，所述最大加速度的计算公式为：

式中，S₁、t₁表示测得的第一个位移和对应的时间，S₂、t₂表示测得的第二个位移和对应的时间，S₃、t₃表示测得的第三个位移和对应的时间。

6.根据权利要求5所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，通过最大加速度确定活塞到达下一上止点位置时需要的电能具体为：

式中，x_max为活塞有效行程的一半，a_max为最大加速度，x₁为点火位置处的活塞位移，v₁为活塞能达到上止点处时，在点火位置处所需的最小速度，W_f为摩擦力所做的功，m为活塞运动件的质量，p_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

7.根据权利要求4所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述最大速度的计算具体为：

在最大速度位置前、后设置位移采集点，获取至少2个位移及对应的时间，计算速度，作为最大速度，所述最大速度的计算公式为：

式中，s’₁、t’₁分别表示测得的第一位移和对应时间，s'₂、t’₂分别表示测得的第二位移和对应时间。

8.根据权利要求7所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，通过最大速度确定活塞到达下一上止点位置时需要的电能具体为：

式中，v_max表示活塞运动的最大速度，x₂表示活塞运动到最大速度处对应的位移，p_vmax表示活塞运动到最大速度处对应的缸内压力，x₁表示点火位置处的活塞位移，v₁为活塞能达到上止点处时，在点火位置处所需的最小速度，W_f为摩擦力所做的功，m为活塞运动件的质量，p_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

9.根据权利要求6或8所述的复合式自由活塞直线发电机稳定工作的方法，其特征是，所述控制发电机或辅助电机的输入电压，满足所述电能需求的具体过程为：

判断所述活塞在到达下一上止点位置时所需电能的正负；

若为非负值，则通过控制发电机的输入电压，满足所述电能需求；

若为负值，则发电机停止工作，辅助电动机工作，并控制辅助电动机的输入电压产生驱动力，满足所述电能需求。

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