一种用于控制斯特林发动机的功率输出的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于控制斯特林发动机的功率输出的系统。本发明还涉及一种用于控制斯特林发动机的功率输出的方法。此外，本发明涉及一种用于控制斯特林发动机的功率输出的控制单元。

背景技术：

1、热能可以通过数种方式被转换成电能。一些系统使用斯特林发动机作为发电机，以将热能转换为电能。斯特林发动机是一种闭式循环发动机，其使用外部热源来使工作气体膨胀，从而驱动一个或多个活塞。

2、此外，斯特林发动机与热能储存器的组合可用于利用来自例如光伏发电厂和风力涡轮机的多余的电力。相对于当这种发电厂的输出电量超过电力需求时削减电量，这些多余的电力可以被用于例如对热能储存器进行充电，从而使得当电力需求超过来自这些间歇性可再生能源的可用输出时，再从该热能储存器中汲取能量变为可能。然后可以使用斯特林发动机将热能转换为电能。

3、斯特林发动机中的功率调制通常是通过改变工作气体的平均压力或通过改变活塞的频率来进行的。然而，简单地控制这两个参数可能不会产生足够精确的功率输出。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种至少部分地减轻现有技术的缺点的系统和方法。该发明目的和其他发明目的将在以下的论述中变得显而易见，并且通过如所附独立权利要求所述的系统和方法来实现。从属权利要求中提出了示例性的实施方式。

2、发明人已经认识到，除了内部工作气体压力和频率之外，斯特林发动机的热力学性质也对功率输出有影响。特别地，发明人已经认识到功率输出还取决于斯特林发动机的边界温度，即分别是高温热源和低温散热器的温度。通过使用在高温热源和低温散热器的已知温度下基于某些压力-频率组合的已知功率输出，然后通过基于高温热源和低温散热器的实际测量的当前温度进行重新调节/重新计算，在控制斯特林发动机的功率输出时可以实现更好的精确度。换言之，根据本发明，可以从基于已知温度条件的模板开始，然后基于当前温度条件对其进行重新计算。现在将在下文中更详细地论述这一点。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制斯特林发动机的功率输出的系统，该斯特林发动机包括高温热源和低温散热器，该系统包括：

4、-第一温度传感器，配置为测量高温热源的当前温度并且生成代表测量的高温热源当前温度的第一温度信号，

5、-第二温度传感器，配置为测量低温散热器的当前温度并且生成代表测量的低温散热器当前温度的第二温度信号，

6、-控制单元，配置为接收生成的第一温度信号和生成的第二温度信号，

7、-查找表，电子存储在控制单元中或者能够由控制单元访问，其中查找表提供表示功率输出的斯特林发动机的发动机平均压力pme与工作频率f的函数，其中，查找表中功率输出的值已经分别对于高温热源和低温散热器的预定义第一参考温度和预定义第二参考温度进行确定，其中，控制单元被配置为：

8、-基于接收的第一温度信号和第二温度信号，重新计算功率输出的值并用重新计算的值更新查找表，以及

9、-通过基于更新的查找表控制斯特林发动机的发动机平均压力pme和工作频率f来控制斯特林发动机的功率输出。

10、通过基于当前测量的温度重新计算功率输出的值，实现了对斯特林发动机的功率输出更精确的控制。

11、当随后取决于期望的输出值来控制斯特林发动机的功率输出时，控制单元可以基于更新的查找表选择或建议发动机平均压力pme和工作频率f。发动机平均压力pme是斯特林发动机的一个完整循环的工作压力的平均值。工作压力可以通过压力传感器进行测量。工作频率是衡量完整循环的速度的指标。

12、查找表可以存储在任何合适的存储介质上。这种存储介质还可以包括持久性存储器，其例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任何一个或组合。

13、控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程装置。控制单元还可以或替代性地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在其包括诸如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程装置的情况下，处理器还可以包括控制可编程装置运行的计算机可执行代码。控制单元可以通过接口例如与本文公开的传感器以及与诸如线性马达/发电机的斯特林发动机的其他元件(或与任何其他类型的马达，诸如设置有曲轴的马达和旋转发电机的马达)通信。因此，接口可以包括一个或多个发射器和接收器，其包括模拟和数字元件以及用于有线或无线通信的适当数量的端口。

14、根据至少一个示例性实施方式，控制单元被配置为基于以下等式重新计算查找表中功率输出的值：

15、

16、其中

17、-pout,ref是查找表中功率输出的当前值，

18、-pout,new是功率输出的重新计算的值，

19、-th,ref是第一参考温度，

20、-th,current是测量的高温热源当前温度，

21、-tc,current是测量的低温散热器当前温度，

22、-tc,ref是第二参考温度，

23、-bh是th,current、th,ref以及与pout,ref相关联的频率f和发动机平均压力pme的函数，

24、-bc是tc,current、tc,ref以及与pout,ref相关联的频率f和发动机平均压力pme的函数。

25、由于在当前查找表中每个功率输出pout,ref对于给定的参考温度th,ref和tc,ref具有相关联的频率f和相关联的发动机平均压力pme，并且由于现在已经测量了当前温度th,current和tc,current，除pout,new之外的所有变量都是已知的，从而现在可以通过使用上述等式计算pout,new。因此，通过对查找表当前形式中每个功率输出的当前值pout,ref使用上述等式，该功率输出pout,ref可以由新的各功率输出的重新计算的值pout,new代替，由此查找表通过更好地反映实际温度条件的更精确的数值进行更新。

26、根据至少一个示例性实施方式，函数bh和bc定义如下：

27、bh＝c0h+c1h·th,current/th,ref+c2h·n·pme

28、bc＝c0c+c1c·tc,current/tc,ref+c2c·n·pme，

29、其中c0h、c1h、c2h、c0c、c1c、c2c为常数。

30、各种常数的值可以通过最小二乘法适当地选择，例如基于来自测试或计算模型的数据。

31、根据至少一个示例性实施方式，控制单元被配置为接收代表斯特林发动机的期望功率输出的值的功率输出请求。这种功率请求可以来自操作人员的手动输入，或来自自动调节系统或以任何其他适当的方式。控制单元可以因此使用更新的查找表选择或建议与功率输出请求匹配的频率和发动机平均压力来控制功率输出。

32、在功率输出请求包括不存在于更新的查找表中的值的情况下，控制单元可以使用适应这种差异的合适的控制策略。

33、因此，根据至少一个示例性实施方式，控制单元被配置为接收代表斯特林发动机的期望功率输出的值的功率输出请求，其中如果上述期望功率输出的值不存在于更新的查找表中，则控制单元被配置为识别最近邻近值并且选择或建议与所识别的最近邻近值相关联的频率和发动机平均压力，以使斯特林发动机提供接近期望功率输出的功率输出。这是有利的，因为其提供了一种控制功率输出的简单方法。此外，尽管控制单元无法使用期望功率输出，而是使用接近期望功率输出的值，但是与传统现有技术的功率控制相比，由于更新的查找表，上述方法仍然提供了更精确的控制。然而，如果“最近邻”方案不被认为是完全令人满意的，则可以使用其他方案，诸如使用插值。上述至少部分地反映在以下示例性实施方式中。

34、因此，根据至少一个示例性实施方式，控制单元被配置为接收代表斯特林发动机的期望功率输出的值的功率输出请求，其中如果上述期望功率输出的值不存在于更新的查找表中，则控制单元被配置为基于更新的查找表中的可用值来执行插值，并且基于插值来选择或建议频率和发动机平均压力，以使斯特林发动机基本上提供期望功率输出。通过结合更新的查找表使用插值，可以实现甚至更精确的功率控制。

35、根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制斯特林发动机的功率输出的方法，该斯特林发动机包括高温热源和低温散热器，该方法包括：

36、-接收代表测量的高温热源当前温度的第一温度信号，

37、-接收代表测量的低温散热器当前温度的第二温度信号，

38、-访问电子存储的查找表，其中查找表提供表示功率输出的斯特林发动机的发动机平均压力pme和工作频率f的函数，其中查找表中的功率输出的值已经分别对于高温热源和低温散热器的预定义第一参考温度和预定义第二参考温度进行确定，

39、-基于接收的第一温度信号和第二温度信号重新计算功率输出的值，

40、-用重新计算的值更新查找表，以及

41、-通过基于更新的查找表控制斯特林发动机的发动机平均压力pme和工作频率f来控制斯特林发动机的功率输出。

42、第二方面的方法的优点在很大程度上对应于第一方面的系统的优点，包括其任何实施方式。此外，第二方面的方法适于在运行第一方面的系统时使用。

43、相反地，第一方面的系统适于在执行第二方面的方法时使用。下文将简要列出第二方面的方法的一些示例性实施方式。

44、根据该方法的至少一个示例性实施方式，上述重新计算的步骤包括基于以下等式重新计算查找表中功率输出的值：

45、

46、其中

47、-pout,ref是查找表中功率输出的当前值，

48、-pout,new是功率输出的重新计算的值，

49、-th,ref是第一参考温度，

50、-th,current是测量的高温热源当前温度，

51、-tc,current是测量的低温散热器当前温度，

52、-tc,ref是第二参考温度，

53、-bh是th,current、th,ref以及与pout,ref相关联的频率f和发动机平均压力pme的函数，

54、-bc是tc,current、tc,ref以及与pout,ref相关联的频率f和发动机平均压力pme的函数。

55、根据该方法的至少一个示例性实施方式，函数bh和bc定义如下：

56、bh＝c0h+c1h·th,current/th,ref+c2h·n·pme

57、bc＝c0c+c1c·tc,current/tc,ref+c2c·n·pme

58、其中c0h、c1h、c2h、c0c、c1c、c2c为常数。

59、根据至少一个示例性实施方式，该方法进一步包括：

60、-接收代表斯特林发动机的期望功率输出的值的功率输出请求，其中如果上述期望功率输出的值不存在于更新的查找表中，则识别最近邻近值，并且选择或建议与所识别的最近邻近值相关联的频率和发动机平均压力，以使斯特林发动机提供接近期望功率输出的功率输出。

61、根据至少一个示例性实施方式，该方法还包括：

62、-接收代表斯特林发动机的期望功率输出的值的功率输出请求，其中如果上述期望功率输出的值不存在于更新的查找表中，则基于更新的查找表中的可用值来执行插值，并且基于插值来选择或建议频率和发动机平均压力，以使斯特林发动机基本上提供期望功率输出。

63、根据本发明的第三方面，提供了一种用于控制斯特林发动机的功率输出的控制单元，该斯特林发动机包括高温热源和低温散热器，该控制单元被配置为执行根据第二方面所述的方法的步骤，包括其任何实施方式中的步骤。控制单元可以适当地为与第一方面的系统相关的所公开的控制单元。此外，第三方面的控制单元的优点在很大程度上类似于第一方面的系统以及第二方面的方法的优点，包括其任何实施方式。

64、当研究所附权利要求和以下说明书时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员应认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以构造除以下描述的实施方式之外的其他实施方式。