21世纪以来,能源问题和环境污染问题日益严重。电动汽车的研究开发不仅能够提升能源的利用率,且能够保护环境。受限于电池技术的发展,纯电动汽车的续航里程较短,混合动力电动车更具有可行性和实用性。混合动力电动车的发动机主要分为传统发动机和自由活塞发动机。自由活塞发动机相对于传统发动机取消了曲柄连杆机构,发动机的效率得到极大提高,体积和重量得以极大减小。首先,本文对内燃式自由活塞直线发电系统的起动过程和发电稳态过程进行了建模和仿真分析。针对系统的起动过程,进行了动力学分析并建模仿真。针对系统的发电稳态过程,建立了热力学模型和动力学模型并根据直线电机的电路模型推导出电机的电磁力与速度成正比。同时研究了运动件质量变化和负载变化对系统工作的影响,结果表明,运动件质量增加时,活塞的速度减小,行程增大;负载减小时,活塞的速度增大,行程也增大。其次,针对坐标变换带来的d-q轴耦合问题和电机直线往复运动带来的q轴电流的变化问题,建立了直线电机的复矢量模型并基于该模型设计了反馈解耦PI电流调节器和复矢量PI电流调节器。基于电机的d-q轴电压方程,设计了预测控制电流调节器。结果表明,电动状态时,三种电流调节器的调节性能几乎相同;发电状态时,复矢量PI电流调节器的速度跟随误差最小,三种调节器的d-q轴电流波动基本相同。在q轴电流的跟随快速性方面,预测控制电流调节器的跟随最快,其次是复矢量PI电流调节器,它们相对于传统的反馈解耦PI电流调节器都有很大提升。再次,本文基于直线电机的电磁推力与速度成正比关系,设计了PI速度调节器。由于速度曲线类似于正弦曲线,本文根据内模原理,设计了准比例谐振控制器。结果表明,准比例谐振速度调节器相对于PI速度调节器能够大幅度减小跟随误差,且电机d轴电流的波动也减小。同时,采用谐振控制器对速度环进行了补偿。结果表明,由于采用准比例谐振控制器时的误差已经很小,采用谐波补偿后,速度跟随误差几乎不变,但是d轴电流波动更小,q轴电流数值也更小,其中采用速度补偿和复矢量PI电流调节器的控制效果最好。最后,本文对基于两相交错级联双向DC-DC变换器的电池充放电控制系统进行了研究,分析了两相交错级联双向DC-DC变换器的工作原理,设计了变换器的滤波器参数进并对变换器进行了小信号建模和推导了相应的传递函数。Buck模式时,采用多段恒流再恒压的充电算法。Boost模式时,采用电压电流双闭环控制。结果表明,充电时,在多段恒流切换和恒流向恒压切换时,响应速度较快且电流未出现过充;放电时,电机母线电压波动很小。