一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法技术

本发明专利技术涉及一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法，属于能源动力领域。本发明专利技术的目的是为了解决自由活塞发电机启动过程能量稳定供给，中间发电切换过程能量调节，稳定发电过程能量高效储存和动子运动特性实时调控，延长储能单元使用寿命以及自由活塞内燃发电系统模块化应用的问题，提出一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法。本发明专利技术利用两个直流功率变换器将超级电容模组，充电机，电池模组依次串联，形成闭合回路，通过直流母线与自由活塞发电机子系统耦合。

【技术实现步骤摘要】
一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法
本专利技术涉及一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法，属于能源动力领域。
技术介绍
自由活塞发电机属于一种新型动力装置。将自由活塞内燃机与直线电机耦合，内燃机做功推动电机动子做切割磁感线运动，定子线圈产生感应电动势，从而向外输出电能。具有高效环保，振声特性优良等优势。其中，设计合理的混合储能系统拓扑结构和能量调控方法，辅助自由活塞发电机平稳启动，以及保证系统稳定运行，并使输出电能高效存储是目前领域内亟待解决的问题。如何将自由活塞发电机与能量存储单元耦合成为一个能量单元，作为可移植的能量包，作为混合动力汽车增程器使用，根据功率需求自行配置单元个数，具有较大的应用前景。增程式混合动力汽车具有噪声小，启动扭矩大，续航时间不受电池功率密度限制，有加油站的地方就能为汽车补充能量，综合自由活塞发电机优势，将自由活塞发电机与增程式电动汽车结合，具有广阔的发展前景。自由活塞发电机启动过程中，直线电机工作在电动模式，需要储能系统向电机供电，推动电机动子做往复直线运动，推动活塞运动，直至发动机达到点火所需压缩比，此阶段储能系统向外输出稳定的能量。自由活塞发电机从启动状态过渡到稳定发电的过程中，直线电机依然工作于电动模式，并且发动机缸内工质开始燃烧做功，推动活塞运动，与直线电机之间存在动态匹配过程，该阶段，储能系统能量输出随着发动机缸内燃烧状态的变化而波动，以确保活塞运行在设计的行程之内。自由活塞发电机稳定运行过程中，内燃机缸内燃烧做功推动电机动子做切割磁感线运动，电机处于发电模式，向外输出电能，该阶段，储能系统在确保电能高效存储的同时，需时刻保证能提供给电机充足的能量，以便在发动机运行发生较大波动时调节动子的运动特性。综合考虑自由活塞发电机的工作过程与特点，提出一种由单向充电机、电池模组、超级电容模组以及功率变换器构成的混合储能系统。该储能系统综合考虑能量流动与存储要求，以及系统的可实现性与可操作性，具有可靠性强，结构简单，调节方便，便于模块化应用。在功率变换器的调控下，既可保证自由活塞发电机顺利启动，还能实现能量可靠高效地存储与能量流调节。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决自由活塞发电机启动过程能量稳定供给，中间发电切换过程能量调节，稳定发电过程能量高效储存和动子运动特性实时调控，延长储能单元使用寿命以及自由活塞内燃发电系统模块化应用的问题，提出一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法，主要包括两个双向直流功率变换器，一个超级电容模组，一个充电机，一个电池模组，一个储能控制器。上述部件的连接关系为：其中第一个双向直流功率变换器并联于直流母线上，后面依次串联超级电容模组，充电机，电池模组，最后利用第二个双向直流功率变换器将电池模组与直流母线并联，各部件之间连接形成一闭合回路。储能系统各部件通过CAN总线与储能控制器之间进行状态信息和命令的交互。本专利技术的一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法，工作过程分为启动过程，切换过程，发电过程。在启动初始阶段，打开储能控制器，向电池侧功率变换器下发启动命令，电池经由功率变换器向外输出电能，维持母线电压在要求的稳定值，电机驱动器上电运行，继而使电机启动，推动电机动子做直线往复运动，使发动机缸内达到点火所需的压缩比。当发动机缸内压缩比达到目标值，进入切换过程。ECU随即发出喷油和点火的命令，缸内工质开始燃烧，燃烧初期由于气流组织不完善以及电机力的作用，燃烧容易发生波动，电机动子运动容易失稳，从而影响直流母线电压。此时，储能系统通过直流功率变换器调节储能系统电能的流向以及大小，使直流母线电压重新趋于稳定。在此过程中，在电机驱动器的管控下，电机力逐渐撤出，发动机缸内燃烧产生的能量逐渐起主导作用。当电机力完全撤出，电机动子运动状态完全由发动机缸内做功决定，此时电机工作状态切换为发电模式，向外输出电能。此时，两个直流功率变换器重新调节直流母线电压，使之维持稳定电压，并且调整能量流动方向，使能量向储能系统流动。在电机发电过程中，电机动子运动速度在一个周期内波动较大，导致发出的电能也有较大波动，考虑到超级电容能够承受瞬态较大电流的冲击，为了减小电流波动对电池寿命的影响，能量先经由超级电容侧的双向直流功率变换器存入超级电容中，经过超级电容缓冲后的电能再经由充电机恒流充入电池中。超级电容具备短时频繁充放电的能力，其寿命几乎不受影响，而电池在充放电过程中要求电流尽量平缓，不宜在短期内频繁充放电。经由上述配置以及能量流调控方法，可充分利用超级电容与电池的优势，使电能合理存储，避免电池的过充和过放，从而达到提高系统效率，延长系统寿命的目的。此阶段进行的是发电过程。有益效果本专利技术的一种自由活塞发电机能量存储一体化模块及能量调控方法，利用两个直流功率变换器将超级电容模组，充电机，电池模组依次串联，形成闭合回路，通过直流母线与自由活塞发电机子系统耦合。在切换过程中，功率流会发生比较剧烈的波动，需要超级电容介入，并在功率变换器的调控下提供峰值功率，而电池在功率变换器的管控下一直保持恒定的功率流输出；在发电阶段，燃烧波动不可避免，加之电机动子运行速度变化较大，势必造成输出能量波动，此时需利用超级电容可进行频繁充放电的特性，进行“削峰填谷”的缓冲作用，保证直流母线电压维持在恒定值，继而保证电机正常运行；流入超级电容的能量经过缓冲后通过充电机向电池充电，充电机充电与否由储能控制器根据超级电容和电池当前的能量状态进行控制，避免了电池的过充和过放，确保系统内电力电子器件在额定电流下运行，减小了系统损耗，从而延长了系统内各部件的使用寿命，提高了系统效率。储能系统整体结构简单，可实现性强，操作简便，整体系统便于模块化应用，可根据实际应用中的功率需求自行配置模块数量。超级电容具有功率密度大，能量密度小的特点，而电池系统能量密度大，功率密度小，而由电池系统与超级电容系统形成回路的储能系统恰好充分利用了二者的优点，避开二者的缺点。通过利用充电机与直流功率变换器，将超级电容系统与电池系统有机结合起来，并且实现功率流的实时调控，相较于其它研究者提出的将超级电容系统与电池系统分别并联于直流母线上的方案，本方案能更好的将二者结合，且控制简单，系统易于实现，能有效延长系统的使用寿命，提高系统可靠性，并且结构极为简化。附图说明图1为自由活塞发电机能量存储一体化模块示意图；图2为自由活塞发电机整体能量转换以及流动示意图；图3为自由活塞发电机能量存储一体化模块在启动过程的能量流调控示意图；图4为自由活塞发电机能量存储一体化模块在切换过程的能量流调控示意图；图5为自由活塞发电机能量存储一体化模块在发电过程的能量流调控示意图。其中：1-火花塞；2-喷油器；3-扫气口；4-直线电机；5-回弹活塞；6-回弹缸缸体；7-发动机缸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由活塞发电机能量存储一体化模块，其特征在于：包括供电装置、电机驱动器和储能系统；供电装置包括：火花塞、喷油器、扫气口、直线电机、回弹活塞、回弹缸缸体、发动机缸体、发动机活塞、排气口和回弹缸气口；往复运动切割线圈产生电流；所述电流经过电机驱动器转换成直流电存储在储能系统中；/n所述储能系统以及电机驱动器电能可双向流动，以满足系统从开机启动到稳定运行各个阶段对电能输入输出的需求；启动阶段需要储能系统向电机提供电能，稳定运行阶段除部分情况下储能系统需要向电机提供电能外，都在进行电能存储。/n

【技术特征摘要】
1.一种自由活塞发电机能量存储一体化模块，其特征在于：包括供电装置、电机驱动器和储能系统；供电装置包括：火花塞、喷油器、扫气口、直线电机、回弹活塞、回弹缸缸体、发动机缸体、发动机活塞、排气口和回弹缸气口；往复运动切割线圈产生电流；所述电流经过电机驱动器转换成直流电存储在储能系统中；
所述储能系统以及电机驱动器电能可双向流动，以满足系统从开机启动到稳定运行各个阶段对电能输入输出的需求；启动阶段需要储能系统向电机提供电能，稳定运行阶段除部分情况下储能系统需要向电机提供电能外，都在进行电能存储。


2.如权利要求1所述的自由活塞发电机能量存储一体化模块，其特征在于：所述储能系统包括：第一DC/DC变换器、超级电容模组、直流充电机、电池模组和第二DC/DC变换器；电机驱动器转换的直流电一次经过第一DC/DC变换器、超级电容模组和直流充电机后存储在电池模组中；第二DC/DC变换器与电池模组和电机驱动器连接；
第一DC/DC变换器能量可以双向流动，当供电装置有电能输出时，电能通过第一DC/DC变换器存入超级电容模组中；当供电装置运行状态不稳定以及在启动过程中，电能通过DC/DC变换器共给供电装置，使之恢复正常运行以及平稳启动；
超级电容模组作为能量缓冲器，提供瞬时发电装置的电能吸收以及释放，以匹配整体系统能量流动的平顺性、运行的稳定性以及发电的高效性；
直流充电机作为电池模组以及超级电容模组之间的纽带，使该发电模块的能量流形成闭环；当超级电容模组电能达到设定的阈值，启动充电机，将超级电容模组多余的能量存储到电池模组中；控制系统实时监测电池模组以及超级电容模组能量状态，综合判别充电机的开闭；
电池模组作为储能系统主要储能元件，电机发出的电能最终存储与电池模组中；电池模组分为A和B两组，避免电池模组在同一时间内同时冲放电，有效保证电池使用安全性以及提高使用寿命；同一组电池电能分为两条线路单向流动；线路一：通过第二DC/DC变换器流入直流母线，确保母线电压稳定在目标值，保证电机正常运行；线路二：电池端另外设置有外接设备供电接口，插入接头即可向储能系统取电；上述两组电池模组充放电的判别以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯慧华，吴礼民，张紫微，左正兴，王嘉宇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11