自由活塞直线发电机(Free-piston engine linear generator,以下简称FPLG)是一种将发动机和直线电机直接耦合的新型能量转换装置。在节能和环保的双重压力下,FPLG因其具有结构简单、功率密度与能量转换效率高、可多模块并行运行等众多潜在优势而备受关注。目前对于FPLG的研究尚处原理探索阶段。所以,对其相关机理研究和技术研发过程均存在诸多问题。鉴于此,本文从建立FPLG各个子系统精确模型入手,深入分析各个子系统参数对动子动态特性和FPLG性能的影响规律。然后根据FPLG运行机理,设计制定适用于FPLG各个工作过程的控制策略。在完善和优化FPLG物理样机的基础上,从实验的角度对比分析不同工作过程动子动态特性和FPLG性能,并对发电过程的发动机放热规律和燃烧循环变动展开研究。最后,利用FPLG可多模块并行运行优势,进行多模块FPLG应用于实车的动力特性研究。论文的主要研究工作和结论如下:(1)根据直线电机工作原理,采用将直线电机模型等效为旋转电机模型的模型等效方法建立较为详细且精确的直线电机模型。并通过对润滑区域内流体粘性剪应力和摩擦剪切力分析计算,得到能较好体现实际特征的摩擦力模型。然后对比缸内气体压力和单相电压的仿真结果与实验结果以验证模型的精确性。并在此基础上,分析FPLG各个子系统参数对动子动态特性和FPLG性能的影响规律。(2)根据FPLG工作原理,将其工作过程划分成启动过程、切换过程和发电过程。利用FPLG自身的电机运行特性及其控制原理,结合机械系统共振原理,设计制定振荡启动控制策略。结果表明该控制策略可顺利实现其启动。同时,仿真结果表明随着电动机推力增大,缸内气体压力和压缩比均呈现非线性增长,且达到着火条件时FPLG所需的循环次数减少。(3)对FPLG切换过程中的切换策略、切换时刻和响应时间展开研究。针对切换策略,对比分析所设计的“硬切换”策略和“软切换”策略两种切换策略,结果表明,相比“硬切换”策略,应用“软切换”策略时动子的位移和速度均是逐步减小。针对切换时刻,对比分析FPLG切换过程中电机力在止点位置时刻、中点位置时刻和其他位置时刻进行变化的影响,结果表明在止点位置时刻变化电机力对FPLG运行特性影响最小,在中点位置时刻变化电机力对FPLG运行特性影响最大。针对切换响应时间,结果表明切换响应时间远小于FPLG运行周期,可忽略不计。同时发现,不管采用哪种策略或者切换位置时刻,切换之后相应动子的止点位置和速度峰值皆不相同,并且均小于切换之前动子的止点位置和速度峰值。(4)在FPLG发电过程中,设定调整电机子系统控制方案为FPLG“维稳”方案。根据电机矢量控制原理,可采用位移环-速度环-电流环和SVPWM算法控制策略调整电机力。在此基础上,设计FPLG定轨迹运行控制策略。结果证明所设定轨迹运行控制策略对维持FPLG运行连续性和稳定性效果均较好,从而证明了所设定轨迹运行控制策略的可行性。(5)在理论分析基础上,对物理样机的进行完善与优化,在此基础上对比分析不同工作过程的动子动态特性和FPLG性能。实验结果表明,发电过程中的动子止点位置、速度峰值和运行频率等参数值均小于拖动燃烧过程中的对应参数值,但是远远大于振荡启动过程中的对应参数值。同时,发电过程发动机子系统各项指示参数值均小于拖动燃烧过程的各项参数值。而且,FPLG发动机在燃烧过程中存在较为严重的后燃现象。(6)在将多模块FPLG应用于实车研究过程中,采用多模块FPLG匹配蓄电池的混合驱动形式,并结合汽车结构参数、性能参数计算出相应部件的性能参数。在能量管理方案中采用模糊逻辑控制策略建立多模块FPLG输出功率和蓄电池输出功率的能量分配关系。仿真结果表明多模块FPLG匹配蓄电池的动力源形式能够满足汽车行驶过程中的功率需求。并且,汽车行驶过程中在确保蓄电池浅度充放电的前提下,蓄电池能很好的起到了“削峰填谷”作用。