[發明專利]一種自由活塞發電機能量存儲一體化模塊及能量調控方法

在審

• 申請號: 202110405229.3
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113006936A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 馮慧華;吳禮民;張紫微;左正興;王嘉宇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F02B63/04
• 分類號: F02B63/04;F02B71/04
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種自由活塞發電機能量存儲一體化模塊，其特征在于：包括供電裝置、電機驅動器和儲能系統；供電裝置包括：火花塞、噴油器、掃氣口、直線電機、回彈活塞、回彈缸缸體、發動機缸體、發動機活塞、排氣口和回彈缸氣口；往復運動切割線圈產生電流；所述電流經過電機驅動器轉換成直流電存儲在儲能系統中；

所述儲能系統以及電機驅動器電能可雙向流動，以滿足系統從開機啟動到穩定運行各個階段對電能輸入輸出的需求；啟動階段需要儲能系統向電機提供電能，穩定運行階段除部分情況下儲能系統需要向電機提供電能外，都在進行電能存儲。

2.如權利要求1所述的自由活塞發電機能量存儲一體化模塊，其特征在于：所述儲能系統包括：第一DC/DC變換器、超級電容模組、直流充電機、電池模組和第二DC/DC變換器；電機驅動器轉換的直流電一次經過第一DC/DC變換器、超級電容模組和直流充電機后存儲在電池模組中；第二DC/DC變換器與電池模組和電機驅動器連接；

第一DC/DC變換器能量可以雙向流動，當供電裝置有電能輸出時，電能通過第一DC/DC變換器存入超級電容模組中；當供電裝置運行狀態不穩定以及在啟動過程中，電能通過DC/DC變換器共給供電裝置，使之恢復正常運行以及平穩啟動；

超級電容模組作為能量緩沖器，提供瞬時發電裝置的電能吸收以及釋放，以匹配整體系統能量流動的平順性、運行的穩定性以及發電的高效性；

直流充電機作為電池模組以及超級電容模組之間的紐帶，使該發電模塊的能量流形成閉環；當超級電容模組電能達到設定的閾值，啟動充電機，將超級電容模組多余的能量存儲到電池模組中；控制系統實時監測電池模組以及超級電容模組能量狀態，綜合判別充電機的開閉；

電池模組作為儲能系統主要儲能元件，電機發出的電能最終存儲與電池模組中；電池模組分為A和B兩組，避免電池模組在同一時間內同時沖放電，有效保證電池使用安全性以及提高使用壽命；同一組電池電能分為兩條線路單向流動；線路一：通過第二DC/DC變換器流入直流母線，確保母線電壓穩定在目標值，保證電機正常運行；線路二：電池端另外設置有外接設備供電接口，插入接頭即可向儲能系統取電；上述兩組電池模組充放電的判別以及分配均根據電池電能大小由上層控制系統控制；

第二DC/DC變換器與電池模組和直流母線連接，儲能系統運行后一直處于運行狀態，確保母線電壓穩定在目標值，是電機正常運行。

3.采用多個如權利要求1所述的模塊組裝成能量包，其特征在于：通過所述儲能系統將多個模塊并聯，作為混合動力源；并聯個數可根據具體功率需求配置，以達到目標性能，即所述儲能系統的模塊化應用。

4.調控如權利要求1所述模塊的能量的方法，其特征在于：

在啟動初始階段，打開儲能控制器，向電池側功率變換器下發啟動命令，電池經由功率變換器向外輸出電能，維持母線電壓在要求的穩定值，電機驅動器上電運行，繼而使電機啟動，推動電機動子做直線往復運動，使發動機缸內達到點火所需的壓縮比；

當發動機缸內壓縮比達到目標值，進入切換過程；ECU隨即發出噴油和點火的命令，缸內工質開始燃燒，燃燒初期由于氣流組織不完善以及電機力的作用，燃燒容易發生波動，電機動子運動容易失穩，從而影響直流母線電壓；此時，儲能系統通過直流功率變換器調節儲能系統電能的流向以及大小，使直流母線電壓重新趨于穩定；在此過程中，在電機驅動器的管控下，電機力逐漸撤出，發動機缸內燃燒產生的能量逐漸起主導作用；

當電機力完全撤出，電機動子運動狀態完全由發動機缸內做功決定，此時電機工作狀態切換為發電模式，向外輸出電能；此時，兩個直流功率變換器重新調節直流母線電壓，使之維持穩定電壓，并且調整能量流動方向，使能量向儲能系統流動；在電機發電過程中，電機動子運動速度在一個周期內波動較大，導致發出的電能也有較大波動，考慮到超級電容能夠承受瞬態較大電流的沖擊，為了減小電流波動對電池壽命的影響，能量先經由超級電容側的雙向直流功率變換器存入超級電容中，經過超級電容緩沖后的電能再經由充電機恒流充入電池中；超級電容具備短時頻繁充放電的能力，其壽命幾乎不受影響，而電池在充放電過程中要求電流盡量平緩，不宜在短期內頻繁充放電；經由上述配置以及能量流調控方法，可充分利用超級電容與電池的優勢，使電能合理存儲，避免電池的過充和過放，從而達到提高系統效率，延長系統壽命的目的；此階段進行的是發電過程。