CN110182346A - 一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统及方法，涉及电动船舶领域，包括电动机；人力发电装置，包括相互机械连接的人力装置和发电机；储能装置；直流电耦合装置，直流电耦合装置连接人力发电装置、电动机及储能装置。本发明的船用人力与电能直流电耦合驱动系统通过调节发电机电磁转矩控制人力装置做功的强度，发电机启动无最小力矩门槛限制；人力装置做功产生的电能与储能装置在直流母线上耦合，使得储能装置能够按照任意设定比例，通过直流电耦合母线向电动机传递差额能量。本发明实现了人力发电装置与储能装置共同驱动游乐船行驶的目的，使游客获得差异化的锻炼体验与船速体验。

Description

一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及电动船舶领域，具体涉及一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统及方法。

背景技术

随着科技的发展和生活水平的改善，运动休闲的方式日益丰富。休闲娱乐船舶是目前较受欢迎的一种休闲娱乐器材，除电力/内燃机驱动部件外，其通常设置有人力驱动装置，包括脚踏装置、手摇装置、跑步装置等，同时具有健身和娱乐功能。

在相关器材中，有技术人员想到将在运动休闲过程中人力装置做功进行收集，将人力做功的生物能并转化供负载使用，节约船舶能耗。已有技术人员通过发电装置与储能单元的设置，实现了运动能量的回收利用。例如，中国专利CN201065814Y公开了一种“将生物能转变为交流电的健身器”，其包括直流发电机、充电电路、控制面板、储能装置与直流变交流的电源转化器，该装置可以高效的将电能存储于储能装置中，再由储能装置给家用电器供电。相关装置对人体运动产生的能量进行转化与利用，不仅可以增加娱乐性，而且可以减少能源的浪费。

但现有系统中仍存在以下问题：

1、现有技术中人力做功产生的电能需要先存储在储能装置中，再控制逆变器将储能装置中存储的电能释放给用电负载。运动健身器材的发电与储能装置的放电不能同时运行，没有实现人力发电与电能的有机耦合，更无法实现二者能量输出的预设比例调节，难以实现电能输出功率依照人力输入功率的动态调整，实现类似人力驱动船舶的模拟效果。

2、人力装置产生的电能向储能装置传递时，需要添加充电装置，充电装置的启动门槛严重影响了人力发电机的发电门槛，使得人力发电机转矩的调节受到最小工作力矩与最大工作力矩的限制。

3、人力发电机转矩调节的目的是增加小体力者与降低大体力者的发电功率，达到提高运动健身器材的普适性与增加发电机可靠性的目的，这种转矩调节方式难以将输入功率与输出功率进行匹配，不具备娱乐性与竞速等竞技性基础。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统及方法，可实现人力发电与电能的有机耦合，实现二者能量输出的比例调节，使游客获得不同的锻炼体验与船速体验。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统，包括：

电动机、人力发电装置、储能装置以及直流电耦合装置；

所述人力发电装置包括相互机械连接的人力装置和发电机；

所述直流电耦合装置分别连接所述人力发电装置、电动机及储能装置；所述直流电耦合装置包括相互电连接的发电侧电能控制组件和电机侧电能控制组件，所述发电侧电能控制组件、电机侧电能控制组件、储能装置间通信连接；

人力发电装置工作输出的电流和储能装置提供电流通过直流电耦合装置耦合在电母线上，输送至电动机。

在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制组件连接至少一路人力发电装置，所述储能装置至少一路耦合在直流电母线上，电机侧电能控制组件连接至少一路电动机。

在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制组件用于将发电机发出的电能耦合在电母线上，以及识别发电机输出电压并控制发电机输出功率；所述电机侧电能控制组件用于在检测到人力发电装置发出电能时，调节人力发电装置与储能装置在电母线上的电能耦合比例，并将两者同时传递给电动机，以及调节电动机，控制电动机运行；所述储能装置用于按照电机侧电能控制组件设置的所述电能耦合比例，提供差额能量输入电母线。

在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制组件还用于：

在人力发电装置发电机为交流发电机时，将发电机发出的频率幅值变化的交流电转换成与直流耦合母线等幅值的直流电；在人力发电装置发电机为直流发电机时，将发电机发出的直流电转换成与直流耦合母线等幅值的直流电。

在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制组件还用于在人力装置带动发电机转动时，识别发电机电压，并根据电压大小控制发电机输出电流、发电机电磁转矩和输出功率，调节发电机人力做功力矩。

在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制组件包括负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器和故障闭锁单元，所述负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器依次连接，所述故障闭锁单元与所述驱动信号发生器连接；所述负荷评估单元用于根据预设的外部负荷期望和输入电压对负荷进行评估后，产生输入电流指令发送至电流控制器；所述电流控制器用于根据输入电流和输入电流指令，发出占空比指令至所述驱动信号发生器；所述故障闭锁单元用于根据采样输入的电压电流中故障保护信号判断是否发生故障，并在发生故障时发送故障闭锁信号至所述驱动信号发生器；所述驱动信号发生器用于根据接收的占空比指令发送驱动信号，以及在接收到故障闭锁信号时停止发送驱动信号。

在上述技术方案的基础上，所述电机侧电能控制组件用于在电动机为交流电机时，将直流电母线上的直流电能转换成幅值与频率可调交流电能，控制交流电机转动；以及在电动机为直流电机时，将直流电母线上的直流电能转换成幅值可调的直流电能，控制直流电机转动。

在上述技术方案的基础上，所述电机侧电能控制组件用于在检测到人力发电装置发出电能时，通过调节电动机电压幅值和/或频率的方式，按照预先设定的功率比例控制电动机运行。

在上述技术方案的基础上，所述储能装置用于自动补偿人力发电装置和电动机的差额能量，根据工况的不同自动进行充电或放电。

本发明还提供一种如上所述的船用人力与电能直流电耦合驱动方法，包括：

当人力装置带动发电机转动时，发电侧电能控制组件识别发电机电压；发电侧电能控制组件根据识别电压控制发电机输出电流；电机侧电能控制组件识别人力装置的输出功率，并按预设比例匹配储能装置的输出功率，当人力装置输出功率变化时，储能装置输出功率与人力装置输出功率的比例跟随发生变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的船用人力与电能直流电耦合驱动系统采用直流电耦合装置将人力发电装置、储能装置与电动机有机耦合在一起。其中，发电侧电能控制组件将人力发电装置与储能装置耦合在直流电母线上；电机侧电能控制组件调节人力与储能装置在电母线上的电能耦合比例，并将两者同时传递给电动机驱动电动机运行。人力产生的电能可无需经过储能装置直接传递给电动机，有机耦合使得电动机能够获得的最大电功率为人力与储能装置功率之和，使储能装置无需同时进行电能的输入和输出，提高了储能装置工作效率。

(2)本发明的船用人力与电能直流电耦合驱动系统包括发电侧电能控制组件，其通过控制输入电流、发电机电磁转矩，进而调节人力装置输入力矩，达到调节人力装置做功强度的目的；因此，发电侧电能控制组件能够根据人力装置使用者选择使用模式的不同，调节使用者的锻炼强度，达到不同的锻炼效果，获得不同的锻炼体验感。

(3)本发明的船用人力与电能直流电耦合驱动系统包括电机侧电能控制组件，其通过控制电动机输入电功率，控制螺旋桨转速，进而调节船速；电机侧电能控制组件控制电动机输入电功率的同时，间接控制了储能装置耦合在电母线上的功率，因此，电机侧电能控制组件能够根据人力发电功率的多少，按照预先设定的任意比例联动控制储能装置的输出功率，进而得到不同的船速体验感。

(4)本发明的船用人力与电能直流电耦合驱动系统通过调节发电机电磁转矩控制人力装置做功的强度，无需设置充电装置，发电机启动无最小力矩门槛限制；人力装置做功产生的电能与储能装置在直流母线上耦合在一起，这使得储能装置能够按照任意设定比例，通过直流电耦合母线向电动机传递差额能量。

附图说明

图1为本发明实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统的系统架构图；

图2为本发明实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统的发电侧控制逻辑图；

图3为本发明实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统的电机侧控制逻辑图；

图4为本发明一个实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统中AC/DC发电侧电路图；

图5为本发明一个实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统中DC/DC发电侧电路图；

图6为本发明一个实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统中DC/DC电机侧电路图；

图7为本发明一个实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统中DC/AC电机侧电路图；

图8为本发明一个实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统中发电侧控制流程图；

图9为本发明一个实施例中船用人力与电能直流电耦合驱动系统中电机侧控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供船用人力与电能直流电耦合驱动系统，包括：

电动机、人力发电装置、储能装置和直流电耦合装置。其中，人力发电装置，包括相互机械连接的人力装置和发电机。储能装置可由通用的可充电电池组组成加控制单元组成，一般在停泊时进行充电，在船工作过程中进行放电，可根据控制单元调控输出电流，用于自动补偿人力发电装置和电动机的差额能量。直流电耦合装置连接所述人力发电装置、电动机及储能装置。在本实施例中，所述直流电耦合装置包括相互电连接的发电侧电能控制组件和电机侧电能控制组件，所述发电侧电能控制组件、电机侧电能控制组件间通信连接。上述人力装置包括但不限于脚踏装置、手摇装置、跑步装置等，可将生物运动时释放的生物能转化为机械能传递至发电机。

在一个实施例中，所述发电侧电能控制组件连接至少一路人力发电装置，所述储能装置至少一路耦合在直流电母线上，电机侧电能控制组件连接至少一路电动机。所述发电侧电能控制组件用于将发电机发出的电能耦合在电母线上；以及控制输入电流电压，调节发电机电磁转矩、人力装置输入力矩和人力装置输出功率。

具体的，所述发电侧电能控制组件还用于在人力发电装置发电机为交流发电机时，将发电机发出的频率幅值变化的交流电转换成与直流耦合母线等幅值的直流电；以及在人力发电装置发电机为直流发电机时，将发电机发出的直流电转换成与直流耦合母线等幅值的直流电。发电侧电能控制组件还用于在人力装置带动发电机转动时，识别发电机电压，并根据电压大小控制发电机输出电流、发电机电磁转矩和输出功率，调节发电机人力做功力矩。

在一个实施例中发电侧电能控制组件架构及控制逻辑如图2所示，发电侧电能控制组件包括负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器和故障闭锁单元，所述负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器依次连接，所述故障闭锁单元与所述驱动信号发生器连接；所述负荷评估单元用于根据预设的外部负荷期望和输入电压对负荷进行评估后，产生输入电流指令发送至电流控制器；所述电流控制器用于根据输入电流和输入电流指令，发出占空比指令至所述驱动信号发生器；所述故障闭锁单元用于根据采样输入的电压电流中故障保护信号判断是否发生故障，并在发生故障时发送故障闭锁信号至所述驱动信号发生器；所述驱动信号发生器用于根据接收的占空比指令发送驱动信号，以及在接收到故障闭锁信号时停止发送驱动信号。

本发明中，电机侧电能控制组件用于在电动机为交流电机时，将直流电母线上的直流电能转换成幅值与频率可调交流电能，控制交流电机转动；以及在电动机为直流电机时，将直流电母线上的直流电能转换成幅值可调的直流电能，控制直流电机转动。

所述电机侧电能控制组件用于在检测到人力发电装置发出电能时，通过调节电动机电压幅值和/或频率的方式，按照预先设定的功率比例控制电动机运行；所述储能装置用于自动补偿人力发电装置和电动机的差额能量。一个具体的电机侧电能控制组件的架构及控制逻辑如图3所示。

相应的，上述发电侧电能控制组件、电机侧电能控制组件实现相应功能即可，其具体连接方式可根据实际情况选择，比如可以分别由多个单独的电能控制装置组成，最终通过电能耦合在一起；也可以是一个整体的多端口电能控制装置，装置内部各个功能模块电路通过电母线耦合在一起。

整个过程中，电连接关系为发电机-发电侧电能控制组件-电母线-电机侧电能控制组件-电动机，其中发电机可为直流发电机或交流发电机，电动机也可为直流电动机或交流电动机，相应的，发电侧电能控制组件发电侧转换电路可选择DC/DC电路或AC/DC电路；电机侧电能控制组件中电机侧转换电路可选择DC/DC电路或DC/AC电路。如图4所示出的一种可行的AC/DC发电侧电路图，三相交流输入电流通过整流二极管后。需要说明的是，图4-图7示出了本实施例中可行的相应电路的电路图，但可达到本发明效果的相应电路具体实施方式包括并不限于上述电路。

本发明中，各模块之间的控制逻辑和工作原理如下所示：

人力装置带动发电机转动，发电机转动产生电压，发电侧电能控制组件通过识别该电压来控制发电机的输出电流，控制人力装置的做功强度。电机侧电能控制组件通过识别人力装置的输出功率来以预设的一定比例匹配储能装置的输出功率，人力装置输出功率不同，储能装置输出功率与人力装置输出功率的比例不一样。电机侧电能控制组件通过调节该比例值来控制电动机的输出功率，进而控制螺旋桨转速，控制船速。

具体的，在一个实施例中，发电侧电能控制组件的控制流程如图8所示，包括：

发电侧电能控制组件在每个采样周期开始后获取输入、输出的电压和输入电流的采样值；与上述过程并行的是，负荷评估单元评估其接受外部负荷期望值是否正确，如正确转入下一步骤；如否发送维持电流指令幅值不变指令至电流控制器；

每个采样周期结束，负荷评估单元根据其接受的输入电压和外部负荷期望值对外部负荷进行评估，更新输入电流指令幅值，进而更新输出电流指令幅值；在电流控制器收到过维持电流指令幅值不变指令的前提下，优先保持电流不变。

另一方面，并网控制器采用输出压电流采样计算得到输出电流指令频率与相位，在电流控制器的作用下产生输出电流指令；电流控制器更新电压参考波发送至驱动信号发生器。驱动信号发生器根据获取的电压参考波产生驱动信号。

整个过程中，故障闭锁单元进行电压电流采样输入，并将故障闭锁信号发送至驱动信号发生器，当驱动信号发生器接收到故障闭锁信号时，表明装置出现故障，立即封锁驱动信号，装置故障闭锁并结束工作；当驱动信号发生器接收到无故障信号时，系统正常输出驱动信号。等待至下个采样周期开始重复上述过程。

在一个实施例中，电机侧电能控制组件的控制流程如图9所示，其与发电侧电能控制组件的控制流程基本一致，仅将对负荷的评估转化为对功率耦合状态的评估、将输入电流的调控转化为针对电机转速的调控、将输出的母线电压参考波转化为电机转速信号。

本发明中负荷评估单元、电流控制器、故障闭锁单元、驱动信号发生器、功率耦合评估单元为软件实现的功能模块，电机侧电路控制器为实体结构。

其中，负荷评估单元通过软件设计识别外部输入期望与输入电压，产生输入电流指令。输入电流指令可以直接设置为外部输入期望值，也可以联动输入电压而最终达到外部输入期望值。输入电流指令与输入电压的联动可以是线性联动，也可以是非线性联动。作为一种优选方案，输入电流指令与输入电压线性联动，骑行者脚蹬发电机转速增加意味着骑行者渴望增加锻炼强度，此时输入电压增加，输入电流指令线性增加，骑行者得到的锻炼强度线性增加。

电流控制器通过软件设计实现实际输入电流对输入电流指令的无差跟踪。电流控制器可以为滞环控制、滑模控制、比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制、比例谐振控制等常用电流控制方法。当发电侧电能控制组件采用图4、图5拓扑结构时，作为一种优选方案，采用比例积分控制法控制直流输入端的输入电流无差跟踪输入电流指令，产生占空比指令。

驱动信号发生器可以采用脉冲宽度调制、脉冲频率调制等常用的调制方法。作为一种优选方案，采用脉冲宽度调制将占空比指令转换成驱动信号，驱动信号作用于主电路功率开关，控制功率开关开通或关断，最终完成输入电流跟踪输入电流指令的功能。

故障闭锁单元对整套系统进行保护，可采用模拟电路、数字控制产生故障闭锁信号，故障闭锁信号进入驱动信号发生器后，可采用软件闭锁、硬件闭锁手段，封锁驱动信号输出，最终实现系统保护功能。作为一种优选方案，采用模拟比较电路产生故障闭锁信号，采用硬件与门电路闭锁驱动信号输出，系统保护响应及时、动作可靠。

功率耦合评估单元通过软件设计识别人力发电功率与外部功率放大比例期望，产生电动机转速给定指令。人力发电功率与储能装置输出功率的耦合比例通过调节电动机转速给定指令实现，转速给定指令的设置可以使得功率放大比例直接为外部功率放大比例期望设置，也可以联动人力发电功率而最终达到功率放大比例期望值。转速给定指令与人力发电功率的联动可以是线性联动，也可以是非线性联动。作为一种优选方案，转速给定指令的设置使得在人力发电功率较低时，转速维持恒定，功率放大比例跟随变化；在人力发电功率越过非线性门槛时，功率放大比例随着人力发电功率的增加线性增加；既实现了休闲模式下船速的稳定，又保证了高强度模式下船速的快速增加。

电机侧电路控制器采用市面上通用的电动机调速控制器，在电动机为永磁无刷直流电机时，采用通用永磁无刷直流电机控制器；在电动机为交流电机时，采用通用的DC/AC变频调速逆变器。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于，包括：

电动机、人力发电装置、储能装置以及直流电耦合装置；

所述人力发电装置包括相互机械连接的人力装置和发电机；

所述直流电耦合装置分别连接所述人力发电装置、电动机及储能装置；所述直流电耦合装置包括相互电连接的发电侧电能控制组件和电机侧电能控制组件，所述发电侧电能控制组件、电机侧电能控制组件、储能装置间通信连接；

人力发电装置工作输出的电流和储能装置提供电流通过直流电耦合装置耦合在电母线上，输送至电动机。

2.如权利要求1所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于：所述发电侧电能控制组件连接至少一路人力发电装置，所述储能装置至少一路耦合在直流电母线上，电机侧电能控制组件连接至少一路电动机。

3.如权利要求1所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于：

所述发电侧电能控制组件用于将发电机发出的电能耦合在电母线上，以及识别发电机输出电压并控制发电机输出功率；

所述电机侧电能控制组件用于在检测到人力发电装置发出电能时，调节人力发电装置与储能装置在电母线上的电能耦合比例，并将两者同时传递给电动机，以及调节电动机，控制电动机运行；

所述储能装置用于按照电机侧电能控制组件设置的所述电能耦合比例，提供差额能量输入电母线。

4.如权利要求1所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于，所述发电侧电能控制组件还用于：

在人力发电装置发电机为交流发电机时，将发电机发出的频率幅值变化的交流电转换成与直流耦合母线等幅值的直流电；

在人力发电装置发电机为直流发电机时，将发电机发出的直流电转换成与直流耦合母线等幅值的直流电。

5.如权利要求4所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于：所述发电侧电能控制组件还用于在人力装置带动发电机转动时，识别发电机电压，并根据电压大小控制发电机输出电流、发电机电磁转矩和输出功率，调节发电机人力做功力矩。

6.如权利要求1所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于：所述发电侧电能控制组件包括负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器和故障闭锁单元，所述负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器依次连接，所述故障闭锁单元与所述驱动信号发生器连接；所述负荷评估单元用于根据预设的外部负荷期望和输入电压对负荷进行评估后，产生输入电流指令发送至电流控制器；所述电流控制器用于根据输入电流和输入电流指令，发出占空比指令至所述驱动信号发生器；所述故障闭锁单元用于根据采样输入的电压电流中故障保护信号判断是否发生故障，并在发生故障时发送故障闭锁信号至所述驱动信号发生器；所述驱动信号发生器用于根据接收的占空比指令发送驱动信号，以及在接收到故障闭锁信号时停止发送驱动信号。

7.如权利要求1所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于：所述电机侧电能控制组件用于在电动机为交流电机时，将直流电母线上的直流电能转换成幅值与频率可调交流电能，控制交流电机转动；以及在电动机为直流电机时，将直流电母线上的直流电能转换成幅值可调的直流电能，控制直流电机转动。

8.如权利要求7所述的船用人力与电能直流电耦合驱动系统，其特征在于：所述电机侧电能控制组件用于在检测到人力发电装置发出电能时，通过调节电动机电压幅值和/或频率的方式，按照预先设定的功率比例控制电动机运行。

9.如权利要求1所述的船用人力与电能交流电耦合驱动系统，其特征在于：所述储能装置用于自动补偿人力发电装置和电动机的差额能量，根据工况的不同自动进行充电或放电。

10.一种如权利要求1所述的船用人力与电能直流电耦合驱动方法，其特征在于：

当人力装置带动发电机转动时，发电侧电能控制组件识别发电机电压；

发电侧电能控制组件根据识别电压控制发电机输出电流；

电机侧电能控制组件识别人力装置的输出功率，并按预设比例匹配储能装置的输出功率，当人力装置输出功率变化时，储能装置输出功率与人力装置输出功率的比例跟随发生变化。