[发明专利]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

权利要求书

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分配均根据电池电能大小由上层控制系统控制；

第二DC/DC变换器与电池模组和直流母线连接，储能系统运行后一直处于运行状态，确保母线电压稳定在目标值，是电机正常运行。

3.采用多个如权利要求1所述的模块组装成能量包，其特征在于：通过所述储能系统将多个模块并联，作为混合动力源；并联个数可根据具体功率需求配置，以达到目标性能，即所述储能系统的模块化应用。

4.调控如权利要求1所述模块的能量的方法，其特征在于：

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。