CN107021191A - 一种平衡船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡船，包括船舱和船体，还包括设于船舱内的飞轮储能系统以及陀螺仪；所述飞轮储能系统包括动力传动装置，电力变换装置和蓄电池；所述陀螺仪与动力传动装置连接；所述动力传动装置通过电力变换装置与蓄电池连接。在航行过程中，由于飞轮储能系统带动陀螺仪旋转具有自平衡功能，可以保证船只自行平衡，保证了人员生命财产安全，即使船只在发生航行事故或者遇上恶劣天气，也可以保证船只自身平衡，使船只不倾倒；在日常航行过程中，飞轮储能系统为蓄电池提供能量，保证船只日常供电。

Description

一种平衡船

技术领域

本发明涉及船舶，特别是涉及一种平衡船。

背景技术

船只是不可缺少的交通工具之一，随着社会经济的发展，货运船只与客运船只航运流量日益增大，传统客货运船凭借自身船体来保持平衡，如遇上特殊天气或在航行中发生碰撞事故时，不易保持平衡，将对生命及财产造成巨大的威胁。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种使用飞轮储能系统带动陀螺仪保持船体平衡的平衡船。

技术方案：本发明的一种平衡船，包括船舱和船体，还包括设于船舱内的飞轮储能系统以及陀螺仪；所述飞轮储能系统包括动力传动装置、电力变换装置和蓄电池；所述陀螺仪与动力传动装置连接；所述动力传动装置通过电力变换装置与蓄电池连接。

其中，所述动力传动装置为电机。

再者，所述飞轮储能系统的电路包括电机回路、半桥驱动电路、电力变换装置回路、蓄电池回路以及能量回馈电路。

所述电机回路通过半桥驱动电路与电力变换装置连接，电力变换装置另一端与蓄电池回路连接，能量回馈电路从电机回路与半桥驱动电路连接点引出，反馈至蓄电池回路。

进一步的，飞轮储能系统包括储能模式、释能模式和待机模式，其中，所述电力变换装置回路为双向Buck-Boost变换电路。

当飞轮储能系统工作在储能模式时，半桥驱动电路工作在电动状态，驱动电机运行，双向Buck-Boost变换电路工作在Buck降压模式，用于调节飞轮电机的输入电压，实现飞轮电机恒转矩或恒功率启动及加速进行，从而带动陀螺仪旋转；同时一部分能量经能量回馈电路流回蓄电池回路。

另外，当飞轮储能系统工作在释能模式时，半桥驱动电路工作在半波整流模式，电机工作在发电状态；双向Buck-Boost变换电路工作在Boost升压状态，能量由发电机经电力变换装置流向蓄电池，此时能量回馈电路不工作。

当飞轮储能系统工作在待机模式时，半桥驱动电路所有开关管均关断，电机工作在空转待机状态；电机与蓄电池之间没有能量交换，由于存在损耗，电机转速会逐渐下降；当转速达到空载转速设定的下限时，飞轮储能系统切换到储能模式，电机升速；当转速达到空载转速设定的上限时，飞轮电机进入空转待机状态，周而复始。

优选的，所述飞轮储能系统和陀螺仪均为两组，分别设置于船头和船尾。

优选的，所述陀螺仪为电子式陀螺仪。

另外，该平衡船还包括控制器，该控制器包括数据采集模块，数据处理模块以及控制模块。

所述数据采集模块采集的数据包括陀螺仪的旋转角速度和加速度。

所述数据处理模块将采集的陀螺仪的各项数据加以融合得出船体倾斜角度值、倾斜角速度值以及行船速度等。

所述控制模块根据处理得到的数据，计算保持平衡需要的行船速度和加速度或者转弯所需要的左右电机速度变化值，向半桥驱动电路发送控制指令，调制陀螺仪旋转角度，以调整船只的姿态保持平衡。

有益效果：与现有技术相比，本发明的平衡船飞轮电机与蓄电池之间采用电力变换装置能够实现飞轮储能系统能量的双向流动，并能够实现高速飞轮电机的四象限运行；采用能量回馈电路，大大提高了能量的利用率，提高飞轮储能系统的效率；采用的电路结构简单可靠，且不存在直通短路的危险，提高了高速飞轮电机运行的安全性；该新型平衡船在航行过程中，如果遇到特殊情况，飞轮储能系统带动陀螺仪旋转随时保持船只平衡，减少航运事故，保证人员生命财产安全；另外，在平常航行过程中，飞轮储能系统能够为蓄电池充电，保证船只的日常供电。该平衡船制造成本低，适合行业推广及应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是陀螺仪三维结构示意图；

图4是飞轮储能系统电路原理图；

图5是储能模式下控制原理图；

图6是释能模式下控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方式对本发明技术方案作进一步解释说明。

如图1和图2所示的平衡船，包括船舱1和船体2，船舱内设有两组飞轮储能系统，其中一组位于船头，另一组位于船尾；所述飞轮储能系统包括飞轮电机3，电力变换装置4以及蓄电池5；所述飞轮电机通过电力变换装置与蓄电池连接。

平衡船还包括陀螺仪，如图3所示，陀螺仪采用对称式结构，通过低阻尼轴承与飞轮电机输出轴连接；飞轮电机带动陀螺仪高速旋转；所述陀螺仪选用电子式陀螺仪。

由于飞轮储能系统有储能模式、释能模式和待机模式，船航行过程中，如果遇到特殊情况，飞轮储能系统工作在储能模式能够保持船只平衡不倒，保证人身安全，减少财产损失。

如图4所示为本发明平衡船的飞轮储能系统电路原理图，该飞轮储能系统包括电机回路，半桥驱动电路，电力变换装置回路，蓄电池回路，以及能量回馈电路。

飞轮电机为无刷直流电机(BLDCM)，包括并联的a，b和c三相，每一相包括定子绕组的电阻，电感以及反电动势。

半桥驱动电路包括三个分别与电机三相串联的开关管Ta，Tb，和Tc，以及三个分别与三个开关管反并联的二极管Da，Db和Dc，三个开关管共集电极连接。

电力变换装置回路为双向Buck-Boost变换电路，包括一端与半桥驱动电路连接的电感L2；发射结与电感L2另一端连接的开关管T1；一端与开关管T1的集电极相连的电感L1；一端与电感L1的另一端通过开关S2连接，另一端与电机定子绕组连接的电阻R；一端与电感L1和电阻R连接点相连，另一端与电机定子绕组连接的的电容C1；一端与电感T1集电极连接，另一端与电机定子绕组相连的电容C2；集电极与开关管T1发射极连接，发射极与电机定子绕组连接的开关管T2；一端与半桥驱动电路和电感L2的连接点相连，另一端与电机定子绕组连接的电容C3；所述开关管T1和T2上分别反并联有二极管D1和D2。

蓄电池回路包括蓄电池U，所述蓄电池U的正极通过开关S1与电感L1和电阻R的连接点相连，负极与电阻R和电机定子绕组的连接点相连。

能量回馈电路包括分别由开关管Ta，Tb和Tc的发射极引出的二极管D4，D5和D6；发射极与二极管D4，D5和D6共阴极端连接的开关管Tr；阴极与开关管Tr的集电极连接，阳极与电机定子绕组连接的二极管D3；初级线圈与二极管D3并联，次级线圈与电容C1并联的T；两端分别与二极管D4，D5和D6共阴极端和电机定子绕组连接的电容C0。

其中，当船只需要平衡时，飞轮储能系统处于储能模式，飞轮电机将加速旋转，能量由蓄电池电流源流向飞轮储能系统。工作原理为：半桥驱动电路根据PWM换相信号工作在电动状态，驱动飞轮电机(BLDCM)运行，双向Buck-Boost变换电路工作在Buck降压模式，用于调节飞轮电机的输入电压；实现飞轮电机恒转矩或恒功率启动及加速进行，带动陀螺仪旋转，同时一部分能量经能量回馈电路流回蓄电池回路。

当飞轮储能系统工作在释能模式时，能量由飞轮电机流向负载，半桥驱动电路工作在半波整流模式，即Ta，Tb，Tc全部锁死，开关管上反并联的二极管Da，Db，Dc组成半波整流电路；随着飞轮转速的降低，电机输出电压也降低，为了维持输出电压稳定，双向Buck-Boost变换电路工作在Boost升压状态，即T2工作在PWM状态、T1锁死；能量回馈电路此时不工作，即Tr锁死。另外在平常航行过程中，飞轮储能系统能够作为备用电源，为船只负载充电保证船只的日常供电。

当飞轮储能系统工作在待机模式时，电机与蓄电池之间没有能量交换，此时，半桥驱动电路所有开关管均关断，飞轮电机进入空转待机状态，由于存在着损耗，飞轮系统的转速会逐渐的下降，当转速到达空载转速设定下限时，飞轮储能系统切换到储能模式，飞轮电机升速；当飞轮转速到达空载转速设定上限时，飞轮电机又进入空转待机状态，周而复始。

飞轮储能原理：

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。飞轮储能系统中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。

如图5和图6所示分别为本发明平衡船的飞轮储能系统储能模式下控制原理图和释能模式下控制原理图。该控制器包括数据采集模块，数据处理模块以及控制模块。

数据采集模块采集的数据包括陀螺仪的旋转角速度和加速度。

数据处理模块将采集的陀螺仪的各项数据加以融合得出船体倾斜角度值、倾斜角速度值以及行船速度等。

控制模块根据处理得到的数据，计算保持平衡需要的行船速度和加速度或者转弯所需要的左右电机速度变化值，向半桥驱动电路发送控制指令，调制陀螺仪旋转角度，以调整船只的姿态保持平衡。

在飞轮电机带动陀螺仪旋转过程中，要保证陀螺仪速度达到稳定值，就需要采取适当的控制策略，为保证系统稳定运行。本发明还包括控制器，当船只遇到恶劣天气时，所述陀螺仪会根据船只的摆动位姿，来矫正船只的平衡，但是陀螺仪矫正的过程中会存在矫正误差，随着时间的推移矫正误差会越来越大；所述控制器采集陀螺仪的矫正误差，进行处理，并将信号反馈给陀螺仪对陀螺仪的误差进行矫正，保证恶劣天气下船只始终处于平衡状态。

控制系统工作原理：

飞轮系统处于储能状态时，此时，系统采用单闭环的控制结构，在启动初期，飞轮电机输入功率较低，PI调节器输出值超过限幅调节器的阀值，限幅环节进入饱和状态，母线电流控制输出值始终为限幅调节器的阀值，飞轮电机进入恒转矩控制模式。随着储能过程的深入，飞轮电机的转速逐渐升高，PI调节器输出逐渐减小，当限幅环节退出饱和时，飞轮电机自动转入到恒功率控制模式。当飞轮电机进入调速阶段时，为了兼顾控制的精度和响应的速度，可以根据控制要求切换到转速闭环控制，此时，系统采用双闭环控制结构，外环为转速环，用于进行飞轮电机的转速调节；内环为电流环，用于控制飞轮电机的充电电流。转储电容电压的控制采用电压单闭环控制结构，斩波开关Tr采用固定PWM占空比并结合滞环控制可较好地减小储能电容电压和电机电流脉动，有利于改善系统性能。

当飞轮系统处于释能状态时，前级双向变换器工作在Boost模式，采用双闭环控制控制，外环维持直流母线电压稳定，内环控制飞轮储能系统放电电流，用于调节输出功率。在飞轮释能控制过程中，同时还需要时时监测飞轮的转速，根据上层控制器的指令信号及当前飞轮的转速确定电机的输出电流的大小。当飞轮的转速超过最高转速或低于最低转速时，飞轮储能系统进入待机状态。

Claims (7)

1.一种平衡船，包括船舱和船体，其特征在于：还包括设于船舱内的飞轮储能系统以及陀螺仪；所述飞轮储能系统包括动力传动装置、电力变换装置和蓄电池；所述陀螺仪与动力传动装置连接；所述动力传动装置通过电力变换装置与蓄电池连接。

2.根据权利要求1所述的一种平衡船，其特征在于：所述动力传动装置为电机。

3.根据权利要求2所述的一种平衡船，其特征在于：所述飞轮储能系统的电路包括电机回路、半桥驱动电路、电力变换装置回路、蓄电池回路以及能量回馈电路；

所述电机回路通过半桥驱动电路与电力变换装置连接，电力变换装置另一端与蓄电池回路连接，能量回馈电路从电机回路与半桥驱动电路连接点引出，反馈至蓄电池回路。

4.根据权利要求3所述的一种平衡船，其特征在于：飞轮储能系统包括储能模式、释能模式和待机模式，其中，所述电力变换装置回路为双向Buck-Boost变换电路；

当飞轮储能系统工作在储能模式时，半桥驱动电路工作在电动状态，驱动电机运行，双向Buck-Boost变换电路工作在Buck降压模式，用于调节飞轮电机的输入电压，实现飞轮电机恒转矩或恒功率启动及加速进行，从而带动陀螺仪旋转；同时一部分能量经能量回馈电路流回蓄电池回路；

当飞轮储能系统工作在释能模式时，半桥驱动电路工作在半波整流模式，电机工作在发电状态；双向Buck-Boost变换电路工作在Boost升压状态，能量由发电机经电力变换装置流向蓄电池，此时能量回馈电路不工作；

当飞轮储能系统工作在待机模式时，半桥驱动电路所有开关管均关断，电机工作在空转待机状态；电机与蓄电池之间没有能量交换，由于存在损耗，电机转速会逐渐下降；当转速达到空载转速设定的下限时，飞轮储能系统切换到储能模式，电机升速；当转速达到空载转速设定的上限时，飞轮电机进入空转待机状态，周而复始。

5.根据权利要求1所述的一种平衡船，其特征在于：所述飞轮储能系统和陀螺仪均为两组，分别设置于船头和船尾。

6.根据权利要求1所述的一种平衡船，其特征在于：所述陀螺仪为电子式陀螺仪。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种平衡船，其特征在于：该平衡船还包括控制器，该控制器包括数据采集模块，数据处理模块以及控制模块；

所述数据采集模块采集的数据包括陀螺仪的旋转角速度和加速度；

所述数据处理模块将采集的陀螺仪的各项数据加以融合得出船体倾斜角度值、倾斜角速度值以及行船速度等；

所述控制模块根据处理得到的数据，计算保持平衡需要的行船速度和加速度或者转弯所需要的左右电机速度变化值，向半桥驱动电路发送控制指令，调制陀螺仪旋转角度，以调整船只的姿态保持平衡。