Thermodynamic and electrical modeling of a Free Piston Linear Generator for power conversion control design

The Free Piston Linear Generator (FPLG) is a promising technology in the field of energy conversion, in particular it can be used in Hybrid Electric Vehicle (HEV) applications. FPLG consists of one or more combustion chambers, one or more gas or mechanical springs, a mover mechanically connected to a permanent magnets linear electric machine. The back-and-forth movement of the mover induces voltages on the linear electric machine stator windings, allowing the electrical energy generation. FPLG is a complex system that involves mechanical, thermodynamical and electrical aspects, whose modeling requires a multiphysical approach and a single simulation environment to investigate the interaction among the FPLG components. This thesis presents the development in Simulink environment of a FPLG comprehensive model with the aim to investigate the electromechanical power conversion and to explore the FPLG operation connected to a static power converter. The FPLG studied in this thesis is a spark ignition two-stroke single-cylinder with an internal combustion engine, a flat-type linear electric machine and a rebounded gas spring. Two different electrical loads have been considered: the linear electric machine has been initially connected to a three-phase resistive load, and then to a three-phase active rectifier to supply a DC load. The three-phase resistive load allows to examine the steady state operation of the whole system, that is the result of equilibrium of the average power flows at the mechanical and electrical ports. Both power flows are unconstrained, and the electromagnetic force behaves as a friction force. This is the configuration that can be found in the literature. The three-phase active rectifier and the DC load have been considered to replace the three-phase resistive load in order to represent a more realistic configuration, such as the FPLG that supplies the DC link of a HEV. The active rectifier converts the unregulated AC power into a controlled DC electric output. The control of the active rectifier is designed in the Park dq-frame, it is based on PI controllers and it is derived from the control of active rectifiers connected to rotating electrical machines. A mathematical and adaptive tuning of the PI controllers is considered to directly compute the PI coefficients, instead of adopting a trial and error method. The control is successful in maintaining the DC voltage to the reference value, but non-active power is still generated. The change in the electrical load connected to the linear generator terminals modifies the electromagnetic force that can be considered no longer as a friction force, thus the dynamics of the whole system is strongly different from the literature case. A fully-coupled mechanical, thermodynamical and electrical simulation of a FPLG connected to an active rectifier is a novel approach. The results obtained in this thesis represent an advance in the knowledge and the analysis of FPLG-based electric power generation systems.

Il generatore lineare Free Piston (FPLG) è una tecnologia molto promettente nel settore della conversione di energia, in particolare può essere usato nei veicoli a propulsione ibrida (HEV). Il FPLG è costituito da una o più camere di combustione, una o più molle meccaniche o a gas, un pistone meccanicamente connesso ad un generatore elettrico lineare a magneti permanenti. Il movimento del pistone induce delle tensioni negli avvolgimenti statorici del generatore lineare e produce energia elettrica. Il FPLG è un sistema complesso che comprende aspetti meccanici, termodinamici ed elettrici e lo studio dell’interazione tra i suoi componenti richiede un approccio multifisico e un unico ambiente di simulazione. Questa tesi presenta lo sviluppo in ambiente Simulink di un modello completo di FPLG, con l’obiettivo di indagare la conversione di potenza elettromeccanica e il funzionamento del FPLG connesso ad un convertitore di potenza statico. Il FPLG analizzato in questa tesi è un due tempi ad accensione comandata con una singola camera di combustione, un generatore elettrico lineare flat-type e una molla a gas. Due diversi carichi elettrici sono stati considerati: il generatore elettrico lineare è stato inizialmente connesso ad una terna di resistori e, successivamente, a un raddrizzatore trifase attivo per alimentare un carico in CC. La terna di resistori trifase permette di esaminare il funzionamento a regime dell’intero sistema, che è il risultato dell’equilibrio dei flussi di potenza medi alle porte meccaniche ed elettriche. Entrambi i flussi di potenza sono senza vincoli e la forza elettromagnetica si comporta come una forza di attrito. Questa configurazione può essere trovata in letteratura. Il raddrizzatore trifase attivo e il carico in CC sono stati successivamente considerati al posto della terna di resistori per rappresentare una configurazione più realistica, ovvero il FPLG che alimenta un DC link per applicazioni di HEV. Il raddrizzatore attivo converte la potenza elettrica in alternata e non regolata in una potenza elettrica in continua e controllata. Il controllo del raddrizzatore attivo è progettato nel riferimento di Park, è basato su controllori PI ed è derivato dal controllo di raddrizzatori attivi connessi a macchine elettriche rotanti. Invece di adottare un metodo per prove ed errori, si è considerato un metodo matematico di dimensionamento dei controllori PI allo scopo di calcolare direttamente i valori dei coefficienti. Il controllo riesce a mantenere la tensione in continua al valore di riferimento, ma potenza non-attiva è comunque generata. Il differente carico elettrico connesso al generatore lineare cambia la forza elettromagnetica che non può più essere considerata come una forza di attrito e, quindi, la dinamica dell’intero sistema è molto diversa dai casi in letteratura. Una simulazione di un FPLG connesso ad un raddrizzatore attivo in cui aspetti meccanici, termodinamici ed elettrici sono completamente accoppiati è un approccio innovativo. I risultati ottenuti in questa tesi rappresentano un avanzamento nella conoscenza e nell’analisi di sistemi di generazione di energia elettrica basati sul FPLG.