自由活塞发电系统具有能源利用率高和燃料适应性好等优点,是近年来新能源汽车的研究热点之一。在课题组原有四冲程自由活塞发电系统的基础上,本文完成了一台二冲程自由活塞发电系统的样机设计与试验研究,具体包括以下几个方面的工作:(1)确定了二冲程自由活塞发电系统的总体方案,完成了燃烧子系统、电机子系统、功率变换器等各个子系统的选型和设计。对自由活塞发电系统的工作过程和活塞运动规律进行了规划,分析了系统能量的循环流动过程。(2)建立了各个子系统的数学描述,在MATLAB中建立了自由活塞发电系统的仿真模型,对系统进行了仿真研究。分析了自由活塞发电系统的基本性能参数和工作特性,研究了燃烧持续时间、燃烧品质因数和活塞质量对发电系统动态特性的影响。(3)分析了自由活塞发电系统启动过程和稳态阶段中的典型工况,提出了基于缸内循环指示功的启动过程控制策略,对稳态阶段的不同冲程分别提出了迭代学习控制策略和基于燃烧峰值压力的控制策略,对上述控制策略进行了仿真研究。(4)完成了一台二冲程自由活塞发电系统的样机研制,该样机缸径为48 mm、活塞行程为36 mm。对样机进行了启动过程和稳态阶段的试验研究,对典型工况的热力学性能参数进行了回归分析,并分析了试验数据与仿真数据差异的主要原因。结果表明:本文所研制自由活塞发电系统样机可以实现连续稳定运行,样机指示功率约1500W,指示热效率约38%,上换向点控制误差小于±0.2mm,下换向点误差小于±0.5mm。