CN110550173A - 一种船用人力与电能机械耦合驱动系统及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用人力与电能机械耦合驱动系统及驱动方法，涉及电动船舶领域，包括人力驱动装置、传感器模块、电能驱动装置、控制模块和动力耦合装置，人力驱动装置用于通过人力输出动能至动力耦合装置；传感器模块用于检测人力驱动装置的输出转矩和输出转速；电能驱动装置用于向动力耦合装置输出动能；控制模块分别与传感器模块和电能驱动装置连接，并用于根据得到的输出功率，以预设比例调节电能驱动装置的输出动能；动力耦合装置与螺旋桨连接，且用于叠加人力驱动装置和电能驱动装置的输出动能，以作为螺旋桨转动的输入动能，本发明可实现人力与电能的有机耦合，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。

Description

一种船用人力与电能机械耦合驱动系统及驱动方法

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机械耦合驱动系统及驱动方法。

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，使其同时具有健身和娱乐的功能。

现有的技术人员为了在运动休闲过程中对人力装置的做功进行收集，并将人力做功的生物能并转化供负载使用，节约船舶能耗。主要是通过发电装置与储能单元的设置，实现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，该装置可以将电能存储于储能装置中，再由储能装置给家用电器供电。该装置将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，而且还可以减少能源的浪费；但该装置仍存在以下问题：

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机械耦合驱动系统及驱动方法，可实现人力与电能的有机耦合，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：

第一方面，提供一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，包括人力驱动装置、传感器模块、电能驱动装置、控制模块和动力耦合装置；

所述人力驱动装置用于通过人力输出动能至所述动力耦合装置；

所述传感器模块用于检测所述人力驱动装置的输出转矩和输出转速；

所述电能驱动装置用于向动力耦合装置输出动能；

所述控制模块分别与所述传感器模块和电能驱动装置信号连接，所述控制模块用于根据输出转矩和输出转速得到的输出功率，以预设比例调节所述电能驱动装置的输出动能；

所述动力耦合装置与螺旋桨连接，且用于叠加所述人力驱动装置和电能驱动装置的输出动能，以作为螺旋桨转动的输入动能。

在上述技术方案的基础上，所述动力耦合装置包括：

内齿圈，所述内齿圈与螺旋桨固定；

多个行星轮，多个所述行星轮均与所述内齿圈啮合，多个所述行星轮的转轴通过一行星架固定，所述行星架与所述人力驱动装置的输出端连接，且所述人力驱动装置用于驱动所述行星架绕所述内齿圈的轴心转动；

太阳轮，所述太阳轮与多个所述行星轮啮合，且所述太阳轮的与所述电能驱动装置的输出端连接。

在上述技术方案的基础上，所述人力驱动装置包括人力输入装置和人力输出装置，所述人力输入装置与所述人力输出装置传动连接，所述人力输出装置与所述动力耦合装置连接。

在上述技术方案的基础上，所述人力驱动装置还包括变速换档装置，所述变速换档装置用于分别调节所述人力输入装置和人力输出装置的转动半径。

在上述技术方案的基础上，所述人力输入装置为脚踏装置、手摇装置、跑步装置中的一种或多种。

在上述技术方案的基础上，所述电能驱动装置包括储能装置和电动机，所述储能装置用于向所述电动机输入电能，电动机用于向动力耦合装置输出动能。

在上述技术方案的基础上，所述控制模块包括信号处理模块和与所述信号处理模块信号连接的电能输出控制模块，所述信号处理模块与所述传感器模块信号连接，所述信号处理模块用于根据输出转矩和输出转速得到的输出功率，所述电能输出控制模块用于根据输出功率，以预设比例调节所述储能装置的输出电能。

在上述技术方案的基础上，所述控制模块还包括与所述电能输出控制模块信号连接的储能信息采集模块，所述储能信息采集模块用于检测所述储能装置的电流和电压，以得到所述储能装置的剩余电能。

第二方面，还提供一种采用如上述船用人力与电能机械耦合驱动系统的驱动方法，包括以下步骤：

所述人力驱动装置通过人力输出动能至所述动力耦合装置，所述传感器模块检测所述人力驱动装置的输出转矩和输出转速；

所述控制模块根据输出转矩和输出转速得到所述人力驱动装置的输出功率，并调节所述电能驱动装置以预设比例输出动能；

所述动力耦合装置叠加人力驱动装置和电能驱动装置的输出动能，并作为螺旋桨转动的输入动能。

在上述技术方案的基础上，当所述人力驱动装置的输出功率变化时，所述控制模块调节所述电能驱动装置以与所述输出功率对应的预设比例输出动能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，包括人力驱动装置、电能驱动装置和动力耦合装置，采用动力耦合装置将人力驱动装置与电动机有机耦合在一起；其中，人力驱动装置产生的机械能直接通过动力耦合装置传递至螺旋桨，人力产生的机械能无需进行发电产生电能并经过储能装置再传递给电动机，通过动力耦合装置的有机耦合使得螺旋桨能够获得的最大电功率为人力与储能装置功率之和；同时，能够通过控制模块完成对人力与电能的能量输出功率的比例调节，使游客获得不同的船速体验。

附图说明

图1为本发明实施例中船用人力与电能机械耦合驱动系统的系统架构图；

图2为本发明实施例中人力驱动装置第1档的结构示意图；

图3为本发明实施例中人力驱动装置第2档的结构示意图；

图4为本发明实施例中人力驱动装置第3档的结构示意图；

图5为本发明实施例中动力耦合装置的结构示意图。

图中：1-人力驱动装置，11-人力输入装置，12-人力输出装置，2-传感器模块，21-扭矩传感器，22-转速传感器，3-电能驱动装置，31-储能装置，32-电动机，4-控制模块，41-信号处理模块，42-电能输出控制模块，43-储能信息采集模块，5-动力耦合装置，51-内齿圈，52-行星轮，53-行星架，54-太阳轮，6-螺旋桨。

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，本发明实施例提供一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，包括人力驱动装置1、传感器模块2、电能驱动装置3、控制模块4和动力耦合装置5，人力驱动装置1用于通过人力输出动能至动力耦合装置5，传感器模块2用于检测人力驱动装置1的输出转矩和输出转速，电能驱动装置3用于向动力耦合装置5输出动能，优选地，电能驱动装置3包括储能装置31和电动机32，储能装置31用于向电动机32输入电能，电动机32用于向动力耦合装置5输出动能，控制模块4分别与传感器模块2和电能驱动装置3信号连接，控制模块4用于根据输出转矩和输出转速得到的输出功率，以预设比例调节电能驱动装置3的输出动能，动力耦合装置5与螺旋桨6连接，且用于叠加人力驱动装置1和电能驱动装置3的输出动能，以作为螺旋桨6转动的输入动能。

采用动力耦合装置5将人力驱动装置1与电能驱动装置3有机耦合在一起；其中，人力驱动装置1产生的机械能直接通过动力耦合装置5传递至螺旋桨6，人力作用于人力驱动装置1所产生的机械能无需进行发电产生电能并经过储能装置再传递给电动机，通过动力耦合装置5直接将人力驱动装置1所产生的机械能传递至螺旋桨6，其中，通过动力耦合装置5的有机耦合使得螺旋桨6能够获得的最大电功率为人力与电能驱动装置3的功率之和；同时，通过传感器模块2和控制模块4的配合作用，能够完成对人力与电能驱动装置3的能量输出功率的比例调节，通过对人力与电能驱动装置3的能量输出功率的比例调节，在保证船舶能够前行的前提下，人力产生不同机械能时，船舶具有不同的船速，从而使游客获得不同的船速体验，避免现有的船舶由人力发电之后进行供电的功率相同，导致船舶前进船速一致的情况，从而增加了游客的娱乐性，也能满足竞速的要求。

进一步的，人力驱动装置1和电能驱动装置3都可以单独做功，在人力驱动装置1单独做功时，人力驱动装置1单独为螺旋桨6提供动能，使螺旋桨6转动以驱动船舶前进，当电能驱动装置3单独做功时，完全由储能装置31提供电能，并由电动机32提供动能以驱动船舶前进，能够保证在不进行人力作用时，该船舶仍能够按照一定速度前进。

船用人力与电能机械耦合驱动系统通过直接将人力做功传递至螺旋桨6，无需设置充电装置和发电机，进而不存在发电机最小力矩门槛的限制；人力驱动装置1输出的机械能和电能驱动装置3输出的机械能在动力耦合装置5上耦合在一起，这使得储能装置能够按照任意设定比例，通过动力耦合装置5传递差额能量。

参见图1和图5所示，其中，动力耦合装置5包括内齿圈51、多个行星轮52、以及太阳轮54，内齿圈51与螺旋桨6固定，多个行星轮52均与内齿圈51啮合，多个行星轮52的转轴通过一行星架53固定，行星轮52的转轴与其本身可相对转动，行星架53与人力驱动装置1的输出端连接，且人力驱动装置1用于驱动行星架53绕内齿圈51的轴心转动，太阳轮54与多个行星轮52啮合，且太阳轮54与电能驱动装置3的输出端连接。

内齿圈51、多个行星轮52、以及太阳轮54的设置能够形成行星轮系，行星轮52和太阳轮54的扭矩可以自由组合，动力的扭矩和速度被解耦，可以有机耦合人力输出和电动机的转矩、转速，从而实现人力驱动装置1与电能驱动装置3的有机耦合。

人力驱动装置1包括人力输入装置11和人力输出装置12，优选地，人力输入装置11为脚踏装置、手摇装置、跑步装置中的一种或多种，其中，人力输入装置11与人力输出装置12传动连接，人力输出装置12与动力耦合装置5连接，通过人力输入装置11和人力输出装置12的设置，能够将人力输入装置11处输入的人力传动至人力输出装置12处输出，并使其作用于动力耦合装置5，以供动力耦合装置5完成对人力和电能的耦合。

参见图2至图3所示，进一步的，人力驱动装置1还包括变速换档装置，变速换档装置用于分别调节人力输入装置11和人力输出装置12的转动半径，通过设置的变速换档装置，能够实现适应不同力量的需求，本实施例中的变速换档装置以3个档位为例，设T₁为人力输入转矩，n₁为人力输入转速，T₂为通过变速换挡装置后的人力输出转矩，n₂为通过变速换挡装置后的人力输出转速，R₁为人力输入装置11作用时的转动半径，R₂为人力输出装置12作用时的转动半径，由于已知T₁·n₁＝T₂·n₂；

参见图2所示，变速换挡装置为第1档时，R₁＝R，R₂＝r，可知：R·n₁＝r·n₂，则T₁＝(n₂/n₁)·T₂＝(R/r)·T₂；

参见图3所示，变速换挡装置为第2档时，R₁＝R，R₂＝R，可知：R·n₁＝R·n₂，则T₁＝(n₂/n₁)·T₂＝(R/R)·T₂；

参见图4所示，变速换挡装置为第3档时，R₁＝r，R₂＝R，可知：r·n₁＝R·n₂，则T₁＝(n₂/n₁)·T₂＝(r/R)·T₂；

通过以上变速换挡装置3个档位的计算，能够得到当输出转矩T₂不变的时候，可以通过变速换挡装置调整人力输入装置11和人力输出装置12的半径大小及比例，使其输入不同的转矩T₁，实现适应不同力量的需求，即当船舶需要保持速度行驶，且需要改变锻炼强度(增大或减小人力输入功率)时，只需要通过变速换挡装置调节人力输入装置11和人力输出装置12的半径大小及比例，即可达到增大或减小锻炼强度的要求。

参见图1所示，控制模块4包括信号处理模块41和与信号处理模块41信号连接的电能输出控制模块42，信号处理模块41与传感器模块2信号连接，信号处理模块41用于根据输出转矩和输出转速得到的输出功率，电能输出控制模块42用于根据输出功率，以预设比例调节储能装置31的输出电能，通过信号处理模块41的作用，能够完成对人力驱动装置1的输出功率计算，设置的电能输出控制模块42能够根据信号处理模块41计算的输出功率，调节储能装置31的输出功率，最终使电动机32的输出功率与人力驱动装置1的输出功率为预定比例，进而保证了船舶具有不同的船速，从而使游客获得不同的船速体验。

进一步的，控制模块4还包括与电能输出控制模块42信号连接的储能信息采集模块43，储能信息采集模块43用于检测储能装置31的电流和电压，以得到储能装置31的剩余电能，通过储能信息采集模块43的设置，能够对储能装置31的状态进行监控，在储能装置31的电量不足时，能够给予维护人员提示充电操作。

参见图1所示，优选地，传感器模块2包括扭矩传感器21和转速传感器22，扭矩传感器21用于检测人力驱动装置1的输出转矩，转速传感器22用于检测人力驱动装置1的输出转速。

参见图1所示，一种采用上述船用人力与电能机械耦合驱动系统的驱动方法，包括以下步骤：

人力驱动装置1通过人力输出动能至动力耦合装置5，传感器模块2检测人力驱动装置1的输出转矩和输出转速；

控制模块4根据输出转矩和输出转速得到人力驱动装置1的输出功率，并调节电能驱动装置3以预设比例输出动能；

动力耦合装置5叠加人力驱动装置1和电能驱动装置3的输出动能，并作为螺旋桨6转动的输入动能。

其中，当人力驱动装置1的输出功率变化时，控制模块4调节电能驱动装置3以与输出功率对应的预设比例输出动能，即储能装置31的输出电能与人力驱动装置1的输出功率的比例跟随发生变化，控制模块4能够根据人力驱动装置1的输出功率多少，按照预先设定的任意比例联动控制储能装置31的输出功率，进而得到不同的船速体验感，也能满足竞速的要求。

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机械耦合驱动系统，其特征在于，包括人力驱动装置(1)、传感器模块(2)、电能驱动装置(3)、控制模块(4)和动力耦合装置(5)；

所述人力驱动装置(1)用于通过人力输出动能至所述动力耦合装置(5)；

所述传感器模块(2)用于检测所述人力驱动装置(1)的输出转矩和输出转速；

所述电能驱动装置(3)用于向动力耦合装置(5)输出动能；

所述控制模块(4)分别与所述传感器模块(2)和电能驱动装置(3)信号连接，所述控制模块(4)用于根据输出转矩和输出转速得到的输出功率，以预设比例调节所述电能驱动装置(3)的输出动能；

所述动力耦合装置(5)与螺旋桨(6)连接，且用于叠加所述人力驱动装置(1)和电能驱动装置(3)的输出动能，以作为螺旋桨(6)转动的输入动能。

2.如权利要求1所述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于，所述动力耦合装置(5)包括：

内齿圈(51)，所述内齿圈(51)与螺旋桨(6)固定；

多个行星轮(52)，多个所述行星轮(52)均与所述内齿圈(51)啮合，多个所述行星轮(52)的转轴通过一行星架(53)固定，所述行星架(53)与所述人力驱动装置(1)的输出端连接，且所述人力驱动装置(1)用于驱动所述行星架(53)绕所述内齿圈(51)的轴心转动；

太阳轮(54)，所述太阳轮(54)与多个所述行星轮(52)啮合，且所述太阳轮(54)的与所述电能驱动装置(3)的输出端连接。

3.如权利要求1所述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于：所述人力驱动装置(1)包括人力输入装置(11)和人力输出装置(12)，所述人力输入装置(11)与所述人力输出装置(12)传动连接，所述人力输出装置(12)与所述动力耦合装置(5)连接。

4.如权利要求3所述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于：所述人力驱动装置(1)还包括变速换档装置，所述变速换档装置用于分别调节所述人力输入装置(11)和人力输出装置(12)的转动半径。

5.如权利要求1所述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于：所述人力输入装置(11)为脚踏装置、手摇装置、跑步装置中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于：所述电能驱动装置(3)包括储能装置(31)和电动机(32)，所述储能装置(31)用于向所述电动机(32)输入电能，电动机(32)用于向动力耦合装置(5)输出动能。

7.如权利要求6述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于：所述控制模块(4)包括信号处理模块(41)和与所述信号处理模块(41)信号连接的电能输出控制模块(42)，所述信号处理模块(41)与所述传感器模块(2)信号连接，所述信号处理模块(41)用于根据输出转矩和输出转速得到的输出功率，所述电能输出控制模块(42)用于根据输出功率，以预设比例调节所述储能装置(31)的输出电能。

8.如权利要求7所述的一种船用人力与电能机械耦合驱动系统，其特征在于：所述控制模块(4)还包括与所述电能输出控制模块(42)信号连接的储能信息采集模块(43)，所述储能信息采集模块(43)用于检测所述储能装置(31)的电流和电压，以得到所述储能装置(31)的剩余电能。

9.一种采用如权利要求1～8任一项所述船用人力与电能机械耦合驱动系统的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述人力驱动装置(1)通过人力输出动能至所述动力耦合装置(5)，所述传感器模块(2)检测所述人力驱动装置(1)的输出转矩和输出转速；

所述控制模块(4)根据输出转矩和输出转速得到所述人力驱动装置(1)的输出功率，并调节所述电能驱动装置(3)以预设比例输出动能；

所述动力耦合装置(5)叠加人力驱动装置(1)和电能驱动装置(3)的输出动能，并作为螺旋桨(6)转动的输入动能。

10.如权利要求9所述的驱动方法，其特征在于：当所述人力驱动装置(1)的输出功率变化时，所述控制模块(4)调节所述电能驱动装置(3)以与所述输出功率对应的预设比例输出动能。