自由活塞发电机热-机-电多场耦合动力学特性与协调机制研究

As a new automotive extended range power generating system, free-piston generator has the advantages of simple, high efficiency and good fuel adaptability, but the system dynamics process is highly complex and the stable operation is still not fully realized. The main reasons are: 1) the dynamics process is coupled with multi-physical process, and coupling mechanism is not clear; 2) the multi-field coupled dynamics model of the entire system is not established, and the system dynamics characteristic is not fully disclosed; 3) based on the system dynamics characteristic, multi-physical process coordination mechanism needs to be established. A single-piston two-stroke free-piston generator will be studied in this project. Based on the prototype test, the steady running process and the parameter uncertainty will be researched. Based on the three-dimensional simulation, the thermal-mechanical-electric coupling relationship between the multi-physical processes in the system will be deeply studied, and the dynamics mathematical model with comprehensive coupling relationships in the system will be established. Static, transient and dynamic stability of the system will be studied. The dynamics characteristic of the system will be deeply revealed. Based on the parameter uncertainty and the hierarchical game theory, the coordination mechanism of the multi-physical process in the system will be presented. This project will provide a theoretical basis for the stable operation problem of free-piston generator.

自由活塞发电机作为一种新型车载增程发电系统，具有结构简单、发电效率高和燃料适应性好等优点，但自由活塞高速往复运动的动力学过程异常复杂，稳定运行仍未能完全实现。主因有：1)动力学过程与多物理过程强烈耦合而机制未明确；2)多场耦合的全系统动力学模型未建立，动力学特性未全面揭示；3)基于动力学特性的多物理过程协调机制亟需建立。本项目以一类单活塞式两冲程自由活塞发电机作为研究对象，开展基于样机系统试验的连续运行过程与参数不确定性研究。结合三维物理仿真揭示热-机-电多场耦合机制，建立多场耦合的全系统动力学模型。从静态、暂态和动态三方面开展系统动力学特性研究，揭示燃烧波动等随机干扰因素的影响规律，确定行程发电量等系统输入的调节作用。提取若干可观测特征参数作为评价指标，从参数不确定性和分层博弈理论出发，建立系统基于动力学特性的热-机-电多物理过程协调机制。为自由活塞发电机突破稳定运行难题提供理论支撑。

自由活塞发电机是新能源汽车未来较为理想的车载动力装置之一。本项目针对自由活塞发电机目前普遍存在的稳定运行障碍问题，以适合车载应用的对置自由活塞发电机作为研究对象，开展了多物理过程耦合动力学特性、稳定运行协调机制与稳定运行控制方法研究。主要研究内容包括：1）建立了系统的热机电多场耦合的动力学仿真分析模型，揭示了系统的热机电多场耦合机制，实现了对系统长时间连续运行过程的模拟与预测。2）揭示了自由活塞发电机启动过程与稳定运行过程的动力学特性，揭示了自由活塞起始位置、燃烧循环波动等干扰因素对系统稳定运行的影响，确定了行程长度和行程发电量等变量的作用关系。3）建立了系统运行过程中活塞运动、缸内燃烧与电机发电的协调机制，实现了系统的连续稳定运行，解决了自由活塞发电机的稳定运行障碍问题，推动了自由活塞发电机相关技术的发展与实用化。主要结论包括：1）基于指示功和缸内峰值压力迭代学习的活塞运动控制策略是可行的，其控制精度可以达到±0.5mm。2）磁钢内置动线圈直线电机和全桥功率变换器能够满足系统对电机子系统的性能要求。3）通过将活塞运动轨迹转化为等效曲轴转角，传统发动机CFD软件能够用于精确分析自由活塞发电机的缸内燃烧过程。4）通过合理的燃烧室设计和燃烧控制，汽油自由活塞发电机的指示热效率可达到40%以上。5）针对自由活塞发电机应用，优化设计的扁平动磁铁直线发电机的发电效率可以达到95%以上。6）基于位置跟随的主从电机同步控制策略和基于人工神经网络的内止点控制策略的控制效果更优，其控制精度可以达到±0.2mm，能够保证自由活塞发电机的连续稳定运行。7）双闭环燃烧控制策略的控制效果优于单闭环燃烧控制策略，有利于提高系统的运行稳定性。8）所研制5kW对置自由活塞发电机样机具有良好的运行稳定性，并且指示热效率可达到40%以上。9）相对于液体燃料，对置自由活塞发电机使用气体燃料更易于实现近零排放。