CN110608104A - 一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，包括FPLG启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力，通过控制输入电压满足所述拖动力要求；FPLG运行过程中，根据活塞运行的最大加速度，确定活塞在到达下一上止点位置时发电机的做功量，通过控制输入电压，满足发电机的做功需求。FPLG启动和运行过程中，分别预测在达到下一上止点时，电机需要的拖动力和需要做的功，通过控制输入电压，满足电机的做功需求，进而保证活塞能够顺利运行的下一个上止点，实现上止点的稳定，从而保证FPLG的稳定运行。

Description

一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车增程器技术领域,具体地说是一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法。

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。单活塞式结构简单，容易控制，但存在不平衡问题，且需要回位装置；对置式平衡性好，但需要同步机构和返回装置；背置式具有较高的能量密度和较高的热效率。

和传统内燃机相比，FPLG减少了曲柄连杆机构，因此结构简单，摩擦力小，热效率提高，具有较好的应用前景，但FPLG存在活塞运动难以控制的难点。PFLG主要包括发动机和电机两个主要部件。一般情况下，FPLG中的电机在启动过程中提供动力，作为电动机拖动活塞运动，达到指定位置后，该电机从电动机模式转换为发电机模式，输出电能。运行过程中，FPLG中活塞的运动取决于发动机缸内燃烧压力、发电机电磁力以及摩擦力。由于FPLG运行频率稳定在某一数值附近，因此，摩擦力大小基本为常数，活塞运动主要取决于燃烧压力和发电机电磁力。

自由活塞直线发电机在运行过程中，若缸内燃烧状况较差，则可能导致燃烧气体力无法克服电磁阻力，活塞无法达到另一侧指定位置，进而导致停机，造成FPLG运行稳定性差。

发明内容

本发明实施例中提供了一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，以解决现有技术中FPLG运行稳定性差的问题。

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：

本发明提供了一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，所述方法包括：

FPLG启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的电机拖动力，通过控制输入电压满足所述拖动力要求；

FPLG运行过程中，根据活塞运行的最大加速度，确定活塞在到达下一上止点位置时电机的做功量，通过控制输入电压，满足发电机的做功需求。

进一步地，所述拖动力的计算具体为：

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，所述通过控制输入电压满足所述拖动力要求具体为：

根据拖动力，计算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，所述最大加速度的计算具体为：

在最大加速度出现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，所述位移采集点处设置位移传感器。

进一步地，所述位移传感器为磁栅传感器，所述磁栅传感器的磁栅尺安装在电机动子轴上，磁头固定设置在FPLG的机壳上。

进一步地，所述确定活塞在到达下一上止点位置时发电机的做功量具体为：

式中，x_max为活塞有效行程的一半，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；

k_eq为上止点处缸内气体的等效刚度，其表达式为：

式中，m为活塞运动件的质量；

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：

式中，P_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

进一步地，所述通过控制输入电压，满足发电机的做功需求的具体过程为：

判断所述做功量的正负；

若为非负值，则通过控制发电机的输入电压，满足做功要求；

若为负值，则控制发电机转换为电动机状态，并通过控制输入电压产生驱动力，满足做功要求。

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：

1、在FPLG启动时，根据所需的拖动力，通过控制输入电压保证FPLG在第一个工作循环就能实现活塞运动到下一上止点位置，确保FPLG启动的稳定性；在运行过程中，通过建立最大加速度与发电机做功的关系，预测在达到下一上止点时，发电机需要做的功，通过控制输入电压，满足发电机的做功需求，进而保证活塞在该最大加速度下能够顺利运行的下一个上止点，实现上止点的稳定，从而保证FPLG的稳定运行。

2、无论是在启动过程中还是运行过程中，对拖动力和做功需求的计算都是通过预判，这样就为改变电机的输入电压提供了足够的调整时间，尤其运行过程中，在需要发电机转换为电动机状态时，基于预判，为输入电压提供了足够的转换时间，不受响应时长的限制，进一步保证了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是本发明所述控制方法的流程示意图；

图2是本发明所述位移采集点的布置位置示意图。

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。

本发明以背置式FPLG进行说明。目前已有的背置式为电机芯轴两端均设置发动机，一般选用二冲程发动机对称设置，中间布置电机，电机同时具备电动机和发电机两种功能，由于发动机的燃烧循环变动以及电动和发电模式转换的响应时间，使得目前FPLG稳定运行存在很大难度。

如图1所示，本发明稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法包括：

S1,FPLG启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的拖动力，通过控制输入电压满足所述拖动力要求；

S2,FPLG运行过程中，根据活塞运行的最大加速度，确定活塞在到达下一上止点位置时发电机的做功量，通过控制输入电压，满足发电机的做功需求。

步骤S1中，启动过程中，电机作为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，所需电机提供的拖动力为：

(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，并结合电机作为电动机时的做功效率，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，同时要确定活塞是否达到点火位置，在发动机点火位置前布置一个位移采集点1，位移采集点1可设置在点火位置前1mm处，只要保证活塞从传感器位置到点火位置期间，能够完成信号传输以及控制即可。一旦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，点火后FPLG运行过程中，要确定活塞运行的最大加速度。活塞达到最大加速度的位置可通过测量或模拟获得，在最大加速度出现位置以及该位置前后1mm处布置两个位移采集点，即图2所示位移采集点1、位移采集点2和位移采集点3，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1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。

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，需要布置3个单点位移传感器，也可布置1个磁栅传感器，磁栅传感器的磁栅尺安装在动子轴上，磁头固定在机壳上，动子带动磁栅尺移动，磁头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。

确定活塞在到达下一上止点位置时发电机的做功量具体为：

(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)可见，建立了活塞在到达下一上止点位置时发电机的做功量与最大加速度的关系，在计算的最大加速度a_max后，即可得到对应的做功量W_e，根据做功量与输入电压及工作效率的关系，即可通过控制输入电压，满足做功量W_e的要求。

在根据公式(3)得到W_e后，首先判断W_e的正负，若W_e非负，则通过控制发电机电压的变化，实现做功量的调整，保证活塞能够顺利到达指定位置，依次循环。当W_e的值为负，则控制发电机转换为电动机状态，并输出W_e对应的输出电压，产生驱动力，辅助活塞达到指定位置，再进行下一循环的燃烧膨胀，根据W_e的值判断电动机是否可转换为发电机，并输出电能。依次类推，实现自由活塞直线发电机的稳定运行。

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 (8)

1.一种稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述方法包括：

FPLG启动时，计算活塞运动到下一上止点位置需要的电机拖动力，通过控制输入电压满足所述拖动力要求；

FPLG运行过程中，根据活塞运行的最大加速度，确定活塞在到达下一上止点位置时电机的做功量，通过控制输入电压，满足发电机的做功需求。

2.根据权利要求1所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述拖动力的计算具体为：

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所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述通过控制输入电压满足所述拖动力要求具体为：

根据拖动力，计算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所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述最大加速度的计算具体为：

在最大加速度出现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。

5.根据权利要求4所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述位移采集点处设置位移传感器。

6.根据权利要求5所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述位移传感器为磁栅传感器，所述磁栅传感器的磁栅尺安装在电机动子轴上，磁头固定设置在FPLG的机壳上。

7.根据权利要求4所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述确定活塞在到达下一上止点位置时发电机的做功量具体为：

式中，x_max为活塞有效行程的一半，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；

k_eq为上止点处缸内气体的等效刚度，其表达式为：

式中，m为活塞运动件的质量；

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：

式中，P_压max为点火位置处的缸内压力，d为活塞直径。

8.根据权利要求4所述的稳定自由活塞直线发电机上止点位置的控制方法，其特征是，所述通过控制输入电压，满足发电机的做功需求的具体过程为：

判断所述做功量的正负；

若为非负值，则通过控制发电机的输入电压，满足做功要求；

若为负值，则控制发电机转换为电动机状态，并通过控制输入电压产生驱动力，满足做功要求。