内燃-直线发电集成动力系统的性能分析与优化

摘要

自由活塞直线发电机是近20年伴随着能源与环境问题逐渐发展起来的一种新型汽车动力装置。它由自由活塞发动机与直线电机耦合而成，取消了常规发动机的曲柄连杆机构，而将燃料燃烧产生的化学能直接转化为电能输出，具有结构紧凑、燃料适应性好、能源利用率高等优点，逐渐成为车载发电系统领域的研究热点。本文以一种四冲程工作循环的自由活塞直线发电机为研究对象，对系统进行性能分析和优化研究，开展了以下几方面的理论和实验研究工作:
　　(1)针对内燃-直线发电集成动力系统的结构方案，对系统四冲程工作循环过程进行了规划，建立了多学科交叉的数学模型，并基于Matlab/Simulink软件和SimPowerSystems工具箱建立了系统的运动学和电路仿真模型，对系统工作过程进行了仿真研究，重点分析了自由活塞的位移、速度、缸内压力、进排气流量、直线电机电功率等各个参数的动态变化规律，揭示了系统的活塞运动规律特性，验证了整个系统结构方案的可行性及有效性，为进一步的系统性能优化提供理论基础。
　　(2)为提升系统的功率密度，对系统热力学循环过程进行了分析，在此基础上提出了一类独立压缩、进气热力学参数可控的工作循环方案。阐述该方案的工作原理并定义新的系统性能评价指标。通过热力学仿真研究，分析进气压力、进气温度、膨胀冲程终点等参数对系统性能的影响，并从能量守恒的角度分析系统的循环能量流动过程。利用有限时间热力学方法建立此工作循环的理想热力学模型，利用建立的热力循环模型分析内燃-直线发电集成动力系统的内、外部不可逆过程特性，研究压缩比、进气温度等因素对循环热效率的影响特征，验证了采用该工作循环方案的发动机相对于常规Otto循环发动机的热效率有显著提升。
　　(3)针对内燃-直线发电集成动力系统中活塞运动自由度大的优点，对活塞运动规律进行了优化研究。在以提升系统输出功为目标的前提下，设定相关约束条件，建立了活塞运动规律优化数学模型。基于系统工作过程中活塞分阶段运行的特性，采用高斯伪谱法将活塞运动规律优化问题离散化，并结合序列二次规划算法求解非线性规划问题，通过数值计算优化活塞运动轨迹，与燃烧放热规律、传热规律、点火正时规律等相结合，以提升系统性能。
　　(4)搭建了样机实验台架，并设计了基于DSP数字信号处理器的电控系统硬件电路，编制了控制系统软件程序。进行了增压进气管路搭建、点火系统调试、气密性检查等相关实验准备工作。开展了样机的实验研究工作，实现系统连续稳定运行，并对比分析了不同进气热力学参数工况下的实验数据，验证了采用独立压缩和进气热力学参数可控工作循环方案的高效性。此外，还通过控制电机电磁力，改变活塞运动轨迹，对比分析了不同活塞运动规律对系统工作特性的影响，验证了通过优化活塞运动规律来提升系统性能的可行性和有效性。
　　(5)为了将多缸内燃-直线发电集成动力系统应用于增程式电动汽车，提出了一种基于超级电容器和蓄电池的复合储能装置。对复合储能装置进行了结构设计与参数匹配研究，建立系统数学模型，通过对系统拓扑电路进行仿真分析，本文采用的控制策略实现了多缸直线电机的稳定工作且得到较高的能量存储效率，验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

目录

声明

摘要

图表目录

符号表

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 自由活塞直线发电机的基本工作原理与结构类型

1．2．1 基本工作原理

1．2．2 结构类型

1．3 自由活塞直线发电机的国内外研究现状

1．3．1 二冲程自由活塞直线发电机的研究现状

1．3．2 四冲程自由活塞直线发电机的研究现状

1．4 四冲程自由活塞直线发电机面临的主要问题

1．5 本文的主要研究内容与结构

2 内燃-直线发电集成动力系统结构及动态性能仿真研究

2．1 系统总体方案介绍

2．1．1 系统工作原理和性能特性

2．1．2 活塞组件四冲程往复运动规划

2．2 系统数学建模研究

2．2．1 自由活塞动力学模型

2．2．2 发动机子系统模型

2．2．3 永磁直线电机模型

2．2．4 主控电路数学模型

2．2．5 性能评价指标

2．3 系统动态特性的仿真分析

2．3．1 基本仿真参数

2．3．2 基于Simulink的仿真模型

2．3．3 动态特性仿真结果分析

2．3．4 模型有效性验证

2．4 本章小结

3 独立压缩和进气热力学参数可控的工作循环分析

3．1 独立压缩和进气热力学参数可控的工作循环方案提出

3．1．1 进气热力学参数对发动机性能的影响

3．1．2 独立压缩、进气热力学参数可控的工作循环方案

3．2 独立压缩和进气热力学参数可控工作循环的变参数仿真分析

3．2．1 进气压力对系统性能的影响

3．2．2 进气温度对系统性能的影响

3．2．3 膨胀冲程终点对系统性能的影响

3．2．4 点火位置对系统性能的影响

3．2．5 电流切换位置对系统性能的影响

3．2．6 循环过程的能量流动分析

3．3 独立压缩和进气热力学参数可控工作循环的有限时间热力学分析

3．3．1 有限时间热力学的简介

3．3．2 基于有限时间热力学的循环过程建模

3．3．3 基于有限时间热力学的新循环仿真结果分析

3．4 本章小结

4 自由活塞运动规律优化研究

4．1 活塞运动规律优化模型的建立

4．1．1 状态方程

4．1．2 边界约束与路径约束

4．1．3 性能优化指标

4．2 活塞运动规律优化算法

4．2．1 离散化过程

4．2．2 非线性规划问题的求解

4．3 活塞运动规律优化问题的求解过程

4．3．1 基于高斯伪谱法的离散化过程

4．3．2 基于序列二次规划算法的参数优化过程

4．3．3 活塞运动规律优化策略

4．4 活塞运动规律数值优化结果与分析

4．4．1 优化模型的基本仿真参数和评价指标

4．4．2 系统性能数值优化结果

4．4．3 标准工况下活塞运动规律优化的结果分析

4．4．4 不同情形下的活塞运动规律优化结果分析

4．5 本章小结

5 内燃-直线发电集成动力系统的样机实验研究

5．1 内燃-直线发电集成动力系统的样机介绍

5．1．1 样机电控系统的软硬件设计

5．1．2 实验台架及相关设备

5．2 样机实验研究的准备工作

5．2．1 进气增压管路的搭建

5．2．2 点火系统测试

5．2．3 电磁驱动气门调试

5．2．4 样机气密性检查

5．3 样机实验研究与结果分析

5．3．1 典型工况的样机实验研究与分析

5．3．2 独立压缩和进气热力学参数可控工作循环方案的样机实验研究

5．3．3 不同活塞运动规律的样机实验研究

5．4 本章小结

6 多缸内燃-直线发电集成动力系统储能装置的研究

6．1 储能装置总体方案的分析与设计

6．1．1 储能装置的工作要求与设计原则

6．1．2 复合储能装置方案的提出

6．1．3 复合储能装置的组成与参数匹配

6．1．4 半桥型双向DC／DC功率交换器的设计

6．2 复合储能装置数学建模

6．2．1 超级电容器模型

6．2．2 蓄电池模型

6．2．3 半桥型双向DC／DC功率变换器的数学模型

6．3 复合储能装置控制策略研究

6．3．1 复合储能装置综合控制策略

6．3．2 基于微分先行PID算法的H桥PWM变换器

6．3．3 半桥型DC／DC变换器的模糊控制

6．4 复合储能装置性能仿真分析

6．4．1 复合储能装置仿真模型的建立

6．4．2 仿真参数确定

6．4．3 仿真结果分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文结论

7．2 论文的创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研情况