CN112968511B - 船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器 - Google Patents

船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器。该方法包括：船舶行进过程中，获取电机的转速以及反充电功率；调节转速的大小，获取在转速下对应的反充电功率，基于反充电功率的变化过程，查找反充电功率相对于转速的功率极值点；基于功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电。本公开实施例提供的技术方案，通过电机的转速以及反充电功率之间的关联关系，确定航速在预设范围内波动时，反充电功率相对于转速的功率极值点，并保持该转速行进，以使得电池在功率极值点充电，从而实现较高的充电效率的同时，不必设置单独的传感器检测螺旋桨转速，从而有利于简化结构，降低成本；此外，还简化了控制方案，提升了控制过程的稳定性。

Description

船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器
技术领域
本公开涉及船舶技术领域，尤其涉及一种船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器。
背景技术
电机反充电技术通常应用于电动车领域，当电机被输入机械能，如被拖曳转动时，电机会将机械能转化为电能输出，电机绕组切割磁场产生电动势并通过输出级桥臂短接形成电流，在输出级桥臂作“脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)”调制时，由于电感电流不能突变，被切断的电流回路势必产生感应高压以维护电流通路，即产生反电动势，输出电能。
在船舶领域，船用推进设备常利用螺旋桨及电机实现对船体的驱动，当螺旋桨被水流冲刷反转时，电机会随之产生反电动势，通过控制器控制回收反电动势形成电流，给船上的蓄能器充电或给其它船用电子设备供电。
相关技术中，运用反向充电技术时，利用传感器确定驱动装置与水之间的相对流速从而确定最大反充电功率点，结构较复杂，成本较高。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器，以实现功率极值点的简单快速查找。
第一方面，本公开提供了一种船用推进器充电控制方法，该方法包括：
船舶行进过程中，获取反充电功率和电机的转速；
调节所述转速的大小，获取在所述转速下对应的所述反充电功率，基于所述反充电功率的变化过程，查找所述反充电功率相对于所述转速的功率极值点；
基于所述功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电。
在一些实施例中，获取所述转速包括：
获取电机的反电动势和/或角速度；
基于所述反电动势与所述转速的转换关系和/或所述角速度与所述转速的转换关系，确定所述转速。
在一些实施例中，所述调节所述转速的大小，获取在所述转速下对应的所述反充电功率，基于所述反充电功率的变化过程，查找所述调节过程中，所述反充电功率相对于所述转速的功率极值点，包括：
获取所述转速和所述反充电功率；
通过直接或间接调节电机的电流或转矩减小所述转速，获取在所述转速下的所述反充电功率；
比较前后两次获取的所述反充电功率的相对大小；
若在前的所述反充电功率大于在后的所述反充电功率，则确定在前的所述反充电功率为所述功率极值点；否则，将原在后的所述反充电功率赋值为新的在前的所述反充电功率，重复查找过程。
在一些实施例中，所述基于所述功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电前，包括：
判断所述转速是否大于预设值，若是，则启动反充电功能。
在一些实施例中，该方法还包括：
基于所述功率极值点，确定转速理论值与转矩理论值的对应关系；
基于所述对应关系，在实际转速与转速理论值相等的情况下，若实际转矩与所述转速理论值对应的所述转矩理论值的差值大于预设差值，则重新确定功率极值点。
在一些实施例中，所述重新确定功率极值点，包括：
若所述实际转矩大于所述转矩理论值，则通过直接或间接调节电机的电流或转矩逐步增大所述转速；获取在所述转速下的所述反充电功率；比较前后两次获取的所述反充电功率的相对大小；若在前的所述反充电功率大于在后的所述反充电功率，则确定在前的所述反充电功率为所述功率极值点；否则，将原在后的所述反充电功率赋值为新的在前的所述反充电功率，重复查找过程；
若所述实际转矩小于所述转矩理论值，则通过直接或间接调节电机的电流或转矩逐步减小所述转速，获取在所述转速下的所述反充电功率；比较前后两次获取的所述反充电功率的相对大小；若在前的所述反充电功率大于在后的所述反充电功率，则确定在前的所述反充电功率为所述功率极值点；否则，将原在后的所述反充电功率赋值为新的在前的所述反充电功率，重复查找过程。
在一些实施例中，所述预设差值小于或等于所述转矩理论值的50％。
第二方面，本公开还提供了一种船用推进器充电控制系统，该系统包括：
参数获取模块，用于在船舶行进过程中，获取电机的反充电功率和电机的转速；
极值确定模块，用于调节所述转速的大小，获取在所述转速下对应的所述反充电功率，基于所述反充电功率的变化过程，查找所述调节过程中，所述反充电功率相对于所述转速的功率极值点；
控制模块，用于基于所述功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电。
在一些实施例中，该系统还包括：
过流保护模块，用于在反向充电过程中，泄放至少部分能量，以限制母线电流。
在一些实施例中，所述开关器件包括MOS管，所述MOS管的输入输出端分别连接电阻和接地。
第三方面，本公开实施例还提供了一种船用推进器，该船用推进器包括螺旋桨、电机、控制器，所述控制器执行上述第一方面中的任一种方法，所述船用推进器包括或外接有蓄能器。
在一些实施例中，所述螺旋桨为折叠螺旋桨。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开实施例提供的船用推进器充电控制方法，无需得知航速，可以通过调节船舶推进器的电机的转速，查找反充电功率相对于转速的功率极值点，并保持船舶在该对应转速下行进，以使得电池在功率极值点充电，从而实现较高的充电效率的同时，不必设置单独的传感器检测航速、螺旋桨转速，从而有利于简化结构，降低成本，同时查找速度快，控制方案简单，有利于提升控制过程的稳定性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种船用推进器充电控制方法的流程示意图；
图2为本公开实施例提供的一种航速、转速与反充电功率之间的关联关系示意图；
图3为本公开实施例提供的另一种船用推进器充电控制方法的流程示意图；
图4为本公开实施例提供的另一种船用推进器充电控制方法的流程示意图；
图5为本公开实施例提供的又一种船用推进器充电控制方法的流程示意图；
图6为本公开实施例提供的一种船用推进器充电控制系统的结构示意图；
图7为本公开实施例提供的另一种船用推进器充电控制系统的结构示意图；
图8为本公开实施例提供的一种过流保护模块的结构示意图；
图9为本公开实施例提供的一种反向充电控制原理框图；
图10为本公开实施例提供的另一种反向充电控制原理框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
本公开实施例提供的船用推进器充电控制方法，可利用水流冲刷螺旋桨实现动能到电能的转化，为电池或其他船用负载供电；同时，可通过调整电机转速以及检测对应的反充电功率变化进行功率极值点的查找调节，实现保持电池处于极大效率时进行充电；而无需设置各种传感器获取相关参数，降低了制造成本，易于产品化。
其中，电机转速与螺旋桨转速完全相同，或二者呈线性变化，并由一比例系数关联，由此，可利用电机转速代替螺旋桨转速，表征转速与反充电功率以及航速之间的关联关系。充电效率与充电功率在数值上呈正相关的关系，当电池在功率极值点充电时，电池处于最优充电效率，即可理解为电池在极大效率充电。
下面结合图1-图10，对本公开实施例提供的船用推进器充电控制方法、系统和船用推进器进行示例性说明。
示例性地，船用推进器可包括船外机(舷外机)、船内机(舷内机)、挂桨机、拖曳马达、吊舱推进器等水上推进设备，在此不限定。
示例性地，图1为本公开实施例提供的一种船用推进器充电控制方法的流程示意图。参照图1，该方法可包括：
S110、船舶行进过程中，获取电机的转速以及对应的反充电功率。
其中，船用推进器包括电池、电机和螺旋桨，电池用于提供电源。在螺旋桨受到外界作用力或者扭矩使船用推进器的螺旋桨转动时，螺旋桨会带动电机发电，从而给电池充电，此时由电机输出给电池的充电功率即为反充电功率。
其中，反充电功率可为电池在反向充电状态下的充电功率，可为电机输出至电池的功率，其与电机吸收功率、控制器输出功率均呈正相关关系。其中，电机的吸收功率为水流推动螺旋桨使电机转动的功率，即电机的输入功率；电机向电池输出功率的过程中，存在功率损耗，因此，反充电功率与电机的吸收功率之间可由一比例系数关联。
示例性地，反充电功率可以通过检测母线电压与电流，并计算其乘积得到，进一步传输至参数获取模块。
其中，电机的转速可等同于或用于表征螺旋桨的转速，可基于电机状态观测器监测得到，并传输至参数获取模块。
在其他实施方式中，转速以及反充电功率还可采用本领域技术人员可知的其他方式得到，本公开实施例不限定。
S120、调节转速的大小，获取在转速下对应的反充电功率，基于反充电功率的变化过程，查找反充电功率相对于转速的功率极值点。
其中，反向充电原理为：船舶行进过程中，螺旋桨被水流带动旋转，螺旋桨的旋转带动电机旋转，电机在旋转的状态下产生反电动势(或称“感应电动势”)，控制器通过对电路的控制，可实现对反电动势对应的电流的大小的控制，即控制电机产生的反电动势形成反向电流，回收，给电池充电。
反向充电过程满足电压平衡方程，如下：
Ua＝Ra×Ia+La×dIa/dt+Ea 公式(1)
式中，Ua为控制器输出的相电压，Ra、Ia、La分别为A相电阻、电流、电感，Ea为A相产生的反电动势；由上式可知，当Ua<Ea时，则Ia为负，通过调整控制器输出的Ua可产生负向电流。
在船体(即船舶)航行(即行进过程)中，航速、转速、电机吸收功率之间存在一定的关联关系，如下式：
P＝2πρD5n3×[-K1V5/(n5D5)+K2V4/(n4D4)–K3V3/(n3D3)+K4V2/(n2D2)–K5V/(nD)+K6]公式(2)
式中，P为电机吸收功率，ρ为水体密度，D为螺旋桨直径，n为螺旋桨转速，可等于电机转速w，V为航速，K1-K6为与螺旋桨除直径以外的其他几何特性有关的参量，如螺距、叶数等，属于可变量。
以上公式(1)和公式(2)适用于永磁同步电机以及无刷直流电机。在其他实施方式中，当应用于其他类型的电机时，还可采用其他公式确定电机吸收功率，在此不赘述也不限定。
根据电机吸收功率与电机反充电功率的正相关性，可以得到航速、转速、电机吸收功率(或反充电功率)之间的关系如图2所示。其中，横坐标代表转速，单位为rpm；纵坐标代表电机吸收功率(或反充电功率)，单位为W；L01、L02和L03分别代表不同航速下的变化趋势曲线，且航速依次增大；示例性地，L01、L02和L03对应的航速分别为5km/h、15km/h和35km/h。参照图2，在不同的航速下，转速与吸收功率的曲线类似于抛物线，每条曲线分别存在一个电机吸收功率极值点，即功率极值点，或称功率极大值点，图2中以P01示出曲线L01的功率极值点。
由此，我们可以得知，在调节转速的过程中，反充电功率随转速变化，并存在极值点，该极值点即为功率极值点。由此，根据转速和功率的关联关系，查找可确定转速调节过程中，反充电功率相对于转速的功率极值点。具体地，在任意航速下，从电机空载转速开始，通过调整螺旋桨转速，即调节电机的转速，均可确定电机反充电功率极值点。即基于图2，通过调整螺旋桨转速，查找任意航速下的最大反充电功率点，使船体在航行时转速始终保持在最大反充电功率点上进行反向充电，提高充电效率，后文中结合图4示例性地说明该查找过程。
需要说明的是，图2中仅示例性地示出了三种不同航速下的功率随转速变化的曲线，仅用于说明航速、转速与反充电功率的关联关系，并不构成对本公开实施例的限定。
S130、基于功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电。
具体地，通过S120的查找，找到功率极值点，保持与该功率极值对应的转速，打开控制器开关器件，实现对电池反向充电。
其中，对转速的调节和保持可基于对电流或转矩的调节和保持实现，在此不赘述也不限定。
在一些实施例中，在图1的基础上，S110中获取转速可包括：
获取电机的反电动势和/或角速度；
基于反电动势与转速的转换关系和/或角速度与转速的转换关系，确定转速。
具体地，反电动势与转速之间的转换关系可由下式表示：
e＝Ke×w
其中，e代表反电动势，Ke代表反电动势系数，w代表转速。由此，通过获取反电动势，即可计算得到转速。
角速度与转速之间的转换关系可由下式表示：
n＝w×pn/60
其中，n代表角速度，w代表转速，pn代表电机磁极对数，为常数。由此，通过获取角速度，即可计算得到转速。
基于此，可通过电机状态观测器得到电机的反电动势和角速度；电机滑行状态下，可以通过电机反电动势来获得电机转速；电机驱动状态下，可以通过角速度来获得电机转速。
在其他实施方式中，电机状态观测器还可用于得到电机的其他状态参量，例如转速、磁链、角度、力矩、转矩等参数，在此不限定。
在一些实施例中，在图1的基础上，S120可包括：
通过增大与水流方向相反的转矩来降低转速，当反馈转速与给定转速相等时，获取该转速下的反充电功率；
基于前后两个反充电功率，确定反充电功率差值；
在相邻两个反充电功率差值中，若前一反充电功率差值大于0，后一反充电功率差值小于0，则确定中间的反充电功率为功率极值点。
具体地，电机处于自由状态时，可获取到电机的空载转速；在获取到电机空载转速后，判断所述转速是否大于预设值，若是，则连接电池电路的开关器件打开，启动反充电功能，开始通过控制模块降低螺旋桨的转速，电机转矩会增大，即通过逐步加大与水流方向相反的转矩实现，每降低一次转速，检测一次反充电功率，通过对比前后两次的反充电功率，来找到电机反充电功率极值点，如图2中，曲线L01上的箭头方向所示。
示例性地，转矩的变化是基于q轴电流Iq和d轴电流Id值确定的，q轴电流Iq值是基于三相电流变化确定的。具体地：
Te＝(3/2)×pn×Iq×[Id×(Ld-Lq)+ψf]
可简化为：Te＝(3/2)×pn×Iq×ψf；
且-Iq＝(wψf-Uq)/R
J(dw/dt)＝Te-Tl-Bw
式中，Te代表电磁转矩，Tl代表负载转矩，Iq代表q轴电流，Id代表d轴电流，Ld代表d轴电感，Lq代表q轴电感，pn代表电机磁极对数，ψf代表永磁体磁链，J代表转动惯量，B代表阻尼系数，Uq代表q轴电压，反充电功率通过电流与电压乘积得到。需要说明的是，除部分通用公式以外，其他公式均适用于永磁同步电机以及无刷直流电机。
上述功率极值点查找过程中，电流调节对应转矩调节，转矩调节又对应转速调节，转速调节的每次变化由预设定转速变化量决定，即转速每次变化的变化量为在已有转速上减去预设定转速变化量。示例性地，预设定转速变化量根据电机特性以及螺旋桨吸收效率设置，在本实施例中，基于功率的检测精度，通常以功率10W的梯度变化进行设定，作为一个优选实施例，本申请中转速调节的预设定转速变化量范围可选为30-50rpm。需要说明的是，这里也可以是预设定电流或转矩变化量，通过检测功率的变化进行调整。
在其他实施方式中，还可以直接通过比较前后两次获取的反充电功率的相对大小，确定功率极值点。示例性地，该过程可包括如下步骤：
通过直接或间接调节电机的电流或转矩减小转速，获取在对应转速下的反充电功率；
比较前后两次获取的反充电功率的相对大小；
若在前的反充电功率大于在后的反充电功率，则确定在前的反充电功率为功率极值点；否则，将原在后的反充电功率赋值为新的在前的反充电功率，重复查找过程。
具体地，在转速减小的过程中，反充电功率呈现先增大后减小的趋势。基于此，若调节转速前对应的反充电功率小于调节转速后对应的反充电功率，则表明未查找到功率极值点；此时，将调节后对应的反充电功率作为参考功率(即新的在前反充电功率)，继续调节转速，并进行反充电功率的比较。直至调节转速前对应的反充电功率大于调节转速后对应的反充电功率，则表明调节前对应的反充电功率即为所要查找的功率极值点。
由此，基于转速调节和反充电功率的比较，完成对反充电功率的查找过程。
示例性地，对于前后两次获取的反充电功率的大小的比较，可通过差值或比值的方式实现；例如差值与0进行比较，或者比值与1进行比较实现，在此不限定。
示例性地，以转速和功率的对比计算为例，说明一种功率极值点的查找过程。参照图3，该功率极值点查找过程可包括如下步骤。
S201、获取电机空载转速w0。
该步骤可为获取螺旋桨空载时的电机转速。
其中，空载转速即电机自由旋转时的转速，此时控制器输出的油门值为0，即未给电机任何输入功率，控制器未控制电机的运转，电机仅因水流推动螺旋桨、带动电机旋转时的转速。而当用户推动油门，使油门偏离零位，即控制器输出的油门值不为0，则反充电功能关闭。
S202、增加与水流方向相反的转矩，降低螺旋桨转速，得到w1。
S203、检测并记录反充电功率p1；
其中反充电功率值等于母线电压与电流的乘积，即Ubus×Ibus；
S204、再次增加与水流方向相反的转矩，降低螺旋桨转速，得到w2。
S205、检测并记录反充电功率p2。
S206、判断是否满足极值条件。
即判断是否满足p1>p2；具体可以通过p1-p2>0或p1/p2>1的方式进行判断；
若是(Y)，则找到了功率极值点，执行后续S207；
若否(N)，则把p2的值赋给p1，返回到步骤S204，继续执行，直至满足S206设定条件为止。
S207、螺旋桨维持w1的转速进行反向充电。
示例性地，提供另一种功率极值点的查找过程。参照图4，该功率极值点查找过程可包括如下步骤。
S201’、获取螺旋桨空载转速w1’。
其中，空载转速即电机自由旋转时的转速，此为没推油门无加载，即未给电机任何输入功率，由水流推动螺旋桨、带动电机旋转时的转速。该步骤可为获取螺旋桨空载时的电机转速w’。
S202’、检测反充电功率p1’。
S203’、增加与水流方向相反的转矩，降低螺旋桨转速，得到w2’。
S204’、检测反充电功率p2’。
S205’、计算p2’与p1’的差值。
S206’、再次增加转矩，降低螺旋桨转速，得到w3’。
S207’、检测反充电功率p3’。
S208’、计算p3’与p2’的差值。
S209’、判断是否满足极值条件，即是否满足p2’-p1’>0。
若是(Y)，则执行后续S210’；若否(N)，则螺旋桨维持p1’对应的w1’进行反向充电。
S210’、判断是否满足极值条件，即是否满足p3’-p2’<0.
若是(Y)，则执行后续S211；若否(N)，则将w3’的值赋予w1’,返回到步骤S202，继续执行，直至得到保持一稳定转速进行反向充电结果为止。
S211’、螺旋桨维持w2’的转速进行反向充电。
上述过程中，计算步骤还可均执行于检测步骤之后，例如S205’可在S207’之后执行，在此不限定。
上述功率极值点的查找步骤是基于航速不会突变的情况实现的，即反充电功率最高效率点寻找速度必然快于其航速突变速度。在查找过程中，航速的变化量未超过一定阈值，视为同一航速。
当找到最大电机功率吸收点(或功率极值点)后，保持该转速不变，以实现对电池最优效率反向充电。在此基础上，若航速发生了改变，则重复上述过程重新查找新的功率极值点。
示例性地，可以通过比较当前电机转矩与功率极值点时的转矩，来判断航速是否发生改变。当然，在其他实施例中，若不考虑经济成本，也可以通过传感器直接获知是否发生航速变化。
在一些实施例中，该方法还可包括：
基于功率极值点，确定转速理论值与转矩理论值的对应关系；
基于对应关系，在实际转速与转速理论值相等的情况下，若实际转矩与转速理论值对应的转矩理论值的差值大于预设差值，则重新确定功率极值点。
其中，为进一步保证查找的准确度以及根据航速变化适应性调整，在查找完功率极值点后，可以对查找结果增加上述反向验证步骤，判断是否存在较大偏差；并在偏差较大时，适应性调整或重新查找。
示例性地，在最大充电功率下，基于电机特性与吸收功率计算，可得到转速与转矩的对应关系。
基于理论计算，在功率极值点工况时，特定转速(w)对应一特定转矩(t)，即w0对应一t0，w1对应一t1，w2对应一t2，……；当在一特定转速ws下，实际转矩与转速ws对应的转矩理论值ts偏差较大时，超过了预设差值，则认为可能是由于航速发生明显变化或其他误差情况出现导致功率极值点查找发生偏差。此时，需要重新确定功率极值点。
其中，在该方法的实现过程中，即船舶在海上行驶时，若因航速的些微改变而频繁进行反充电查找过程，可能会影响用户的舒适性和体验度，故可通过设置一转矩变化阈值(即预设差值)，预先判断转矩变化是否在预定范围(即预设差值限定的范围)内，若实际转矩与转矩理论值的差值超过该阈值，即重新进入反充电功率最高效率点查找模式，对功率极值点进行查找。
在一些实施例中，预设差值可小于等于转矩理论值的50％。
本实施例中，预设差值可小于等于转矩理论值的50％。即，实际转矩跟转矩理论值的差值在转矩理论值的50％以上时，触发重新查找步骤。针对某些功率较大的船用推进器。可根据精度需要自行设定。
如此，有利于确保船舶行进过程中，确保用户的舒适性和体验度。
在上述实施方式的基础上，可基于实际转矩与转矩理论值的相对大小关系，对转矩进行调整，以重新确定功率极值点。
在一些实施例中，重新确定功率极值点，包括：
若实际转矩大于转矩理论值，则逐步增大转速，并重新查找功率极值点；
若实际转矩小于转矩理论值，则逐步减小转速，并重新查找功率极值点。
其中，若实际转矩大于转矩理论值，则通过直接或间接调节电机的电流或转矩逐步增大转速；获取在转速下的反充电功率；比较前后两次获取的反充电功率的相对大小；若在前的反充电功率大于在后的反充电功率，则确定在前的反充电功率为功率极值点；否则，将原在后的反充电功率赋值为新的在前的反充电功率，重复查找过程；
若实际转矩小于转矩理论值，则通过直接或间接调节电机的电流或转矩逐步减小转速，获取在转速下的反充电功率；比较前后两次获取的反充电功率的相对大小；若在前的反充电功率大于在后的反充电功率，则确定在前的反充电功率为功率极值点；否则，将原在后的反充电功率赋值为新的在前的反充电功率，重复查找过程。
具体地，若实际转矩大于理论转矩值，则减小与水流方向相反的转矩，对应的，实现在原有转速基础上增加一个预设定转速变化量，并将增大后的转速作为起始转速重新开始查找功率极值点；若实际转矩小于理论转矩值，则逐步增大与水流方向相反的转矩，对应的，实现在原有转速基础上减少一个预设定转速变化量，并将减小后的转速作为起始转速重新开始查找功率极值点。
如此，可提高功率极值点的查找速率，提高查找有效性。
示例性地，图5以与设定转速变化量为50rpm为例，示出了包括航速波动超过预设范围时，功率极值点的查找过程的船用推进器充电控制方法。示例性地，参见图5，该方法可包括如下步骤。
开始。
判断电机是否处于自由状态下。
若否(N)，返回执行该判断步骤；若是(Y)，继续执行后续步骤。
判断电机滑行转速是否大于400rpm，并维持3s。
若否(N)，返回执行该判断步骤；若是(Y)，继续执行后续步骤。
获取当前转速。
在当前转速基础上减少50rpm。
记录减速后的功率Pb。
继续在当前转速基础上减少50rpm。
记录继续减速后的功率Pf。
至此，功率Pb和功率Pf分别第一次减速及第二次减速后的反充电功率。基于此，执行判断步骤。
判断是否满足Pf>Pb。
即判断减速后对应的反充电功率是否大于减速前对应的反充电功率。若是(Y)，则表明反充电功率在继续增加，将减速后对应的反充电功率作为新的在前的反充电功率，并继续减速，再次比较。
直至上述判断结果为否(N)，则表明反充电功率不再继续增加，此时查找到了功率极值点。
此时，将当前速度增加50rpm作为最优充电效率对应的速度。
其后，基于对转矩的监测，实现对航速波动较大时的转速的进一步调节，即执行后续步骤。
记录当前时刻的转矩Iqmax。
读取运行时的转矩Iq。
判断是否满足Iq-Iqmax>设计阈值并维持1s。
即判断转矩是否向上波动过大，若是(Y)，执行后续重新查找和调节步骤；否(N)则，判断转矩是否向下波动过大，即：
判断是否满足Iqmax-Iq>设计阈值并维持1s。
若是(Y)，则表明转矩向下波动过大，执行后续重新查找和调节步骤；否(N)则，返回对转矩的实时监控步骤，即返回执行读取运行时的转矩Iq。
若满足Iq-Iqmax>设计阈值并维持1s，则执行如下步骤。
判断为航速增加，重新查找功率极值点。
记录当前的功率Pb。
在当前转速基础上增加50rpm。
记录增加后的功率Pf。
此时，功率Pb和功率Pf分别为加速前后的反充电功率。基于此，执行判断步骤。
判断是否满足Pf>Pb。
即判断加速后对应的反充电功率是否大于加速前对应的反充电功率。若是(Y)，则表明反充电功率在继续增加，将加速后对应的反充电功率作为新的在前的反充电功率，并继续加速，再次比较。
直至上述判断结果为否(N)，则表明反充电功率不再继续增加，此时查找到了功率极值点。
此时，将当前转速减小50rpm作为功率极值点对应的速度，并返回执行记录当前时刻的转矩Iqmax。
若满足Iqmax-Iq>设计阈值并维持1s，则执行如下步骤。
判断为航速减小，重新查找功率极值点。
记录当前的功率Pb。
在当前转速基础上减小50rpm。
记录减小后的功率Pf。
此时，功率Pb和功率Pf分别为减速前后的反充电功率。基于此，执行判断步骤。
判断是否满足Pf>Pb。
即判断减速后对应的反充电功率是否大于减速前对应的反充电功率。若是(Y)，则表明反充电功率在继续增加，将减速后对应的反充电功率作为新的在前的反充电功率，并继续减速，再次比较。
直至上述判断结果为否(N)，则表明反充电功率不再继续增加，此时查找到了功率极值点。
此时，将当前转速增加50rpm作为功率极值点对应的速度，并返回执行记录当前时刻的转矩Iqmax。
至此，完成了功率极值点的查找过程，以及航速波动超过预设范围时的功率极值点的重新查找过程。
其中，设计阈值的大小可基于航速波动的预设范围大小确定，在此不限定。
在上述实施方式中，在图1的基础上，S130可包括：
判断电机转速是否大于预设值，若是，则打开连接电池电路的开关器件，开始对电池进行反向充电。
其中，该步骤为一预判步骤，该步骤判断为是，则进行后续步骤。
示例性地，预设值可为400rpm或选择为其他数值，在此不限定。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种船用推进器充电控制系统，该系统可用于执行上述任一种方法的步骤，实现对应的有益效果，相同之处可参照上文理解，下文中不再赘述。
示例性地，图6为本公开实施例提供的一种船用推进器充电控制系统的结构示意图。参照图6，该系统包括：参数获取模块310，用于在船舶行进过程中，获取反充电功率以及电机的转速；极值确定模块320，用于调节转速的大小，获取在转速下对应的反充电功率，基于反充电功率的变化过程，查找调节过程中，反充电功率相对于转速的功率极值点；控制模块330，用于基于功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电。可理解的是，控制模块330可为控制器中的虚拟模块，其可设置为控制器中可执行的程序。
其中，电机转速与螺旋桨转速完全相同，或二者呈线性变化，并由一比例系数关联，由此，可利用电机转速代替螺旋桨转速，表征转速与反充电功率之间的关联关系。
基于此，该系统中，反充电功率最高效率点查找模块(即极值确定模块320)基于参数获取模块310获取到转速以及反充电功率查找功率极值点，即得到最大电机吸收功率极值点；控制模块330基于功率极值点，确定与之对应的转速以及关联的转矩，并保持转速实现对电池反向充电，从而可保持电池处于极大效率时进行充电；而无需设置各种传感器获取相关参数，降低了制造成本，易于产品化。
在一些实施例中，控制模块330还可实现对转速的调节，在航速一定的状态下，通过速度环，改变给定转速，当给定转速与反馈速度相等时，进行功率检测，并传输至极值确定模块320，极值确定模块320将转速调节过程中的连续的至少三次转速对应的功率进行计算比较，以实现功率极值点的查找。
在一些实施例中，可基于转矩调节实现转速调节。
在一些实施例中，图7为本公开实施例提供的另一种船用推进器充电控制系统的结构示意图。在图6的基础上，参照图7，该系统还包括：过流保护模块340，用于在反向充电过程中，泄放至少部分能量，以限制母线电流。
其中，电机在被拖动或者电机减速过程中，电机中的能量，会对驱动器母线电压或电流冲击，甚至持续高压，当电流高于驱动电流承受能力时，驱动电路将损坏。通过设置过流保护模块340，可防止在航速较高时，反向充电过程中电流过大，超过电流阈值从而导致电池及其他电子元件被烧毁，从而有利于确保反向充电过程安全。
在一些实施例中，图8为本公开实施例提供的一种过流保护模块的结构示意图，在图7的基础上，参照图8，过流保护模块340包括限流器件342(以S7示出)和电阻341(以R1示出)；限流器件342的一端连接电机驱动电路351的一端、一电容352的一端，并接地；限流器件342的另一端连接电阻341的第一端，电阻341的第二端连接电机驱动电路351的另一端、电容352的另一端，并连接电源端。
其中，电容352以C示出；电机驱动电路351包括三相控制电路，每个单相控制电路均包括两个开关器件，图8中分别以S1、S2、S3、S4、S5和S6示出。
其中，当电机运行在高速拖动状态或急减速时，母线电流被反冲变高；可设置电流阀值(对应电流阈值)，当实际电流高于该电流阀值时，关闭电池电路(图中未示出)，防止电池充电；同时，CPU可控制开关器件(包括S1-S6)闭合，限流器件342闭合，经过电阻R1和限流器件S7形成回路，泻放该部分能量，从而控制母线电流，实现电路保护。
在一些实施例中，开关器件和限流器件均可包括MOS管，限流器件中的MOS管的输入输出端分别连接电阻和接地。在其他实施例中此处的开关器件也可以选择IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管。
其中，通过设置过流保护模块340包括MOS管和电阻R1，当电机运行在高速拖动状态或急减速时，母线电流被反冲变高；可设置一电流阀值，当实际电流高于该电流阀值时，关闭电池电路，防止电池充电；同时，CPU控制限流器件342闭合，经过电阻R1和限流器件342形成回路，泻放该部分能量，从而控制母线电流。进一步地，限流器件342采用MOS管时，其可持续闭合，持续泻放能量；也可间歇打开，调整MOS管的占空比，即可调整泻放回来的有效电流，从而控制泻放回路的能量，起到限制母线电流的目的。
在上述实施方式的基础上，反充电功率值可等于母线电压与电流的乘积，即Ubus×Ibus；在其他的实施例中，也可以通过检测控制器输出功率P”＝3/2(IdUd+IqUq)；P”＝3/2(IαUα+IβUβ)进一步计算，进一步节约成本。
在上述实施方式的基础上，示例性地，图9为本公开实施例提供的一种反向充电控制原理框图。参照图9，q轴电流采用开环调节，反充电功率最高效率点(即效率极值点)查找模块(后文中可简称为“查找模块”)直接输出Vq值，将磁链电流Id给定值设为0(即Idref＝0)，此处也可以根据自身需要，将磁链电流Id设为任一给定值。基于此，进行d轴电流PI环调节，输出一Vd给定值(即Vdref)，再与转矩电压Vqref一起经反PARK变换，输出Vα和Vβ，并经后续转换后，控制电机(MOT)转动。
图9示出的控制原理中，查找模块直接反馈Vq值，或者也可以采用间接查找的方式，先反馈速度再进一步得到Vq值，如图10所示，如此可使控制速度更加平稳。
示例性地，图10为本公开实施例提供的另一种反向充电控制原理框图。参照图10，检测到的定子三相电流Ia、Ib、Ic以及三相电压Va、Vb、Vc，经过Clark变换后，作为电机状态观测器的输入参数进行处理，输出电机角度以及速度反馈参数；功率以及速度反馈作为反充电功率最高效率点查找模块的输入参数与给定的速度做偏差，经速度环PI控制器调节得到电流转矩分量和电流励磁分量给定值。
检测到的定子三相电流Ia、Ib、Ic在经过Clark变换和Park变换后，得到电流检测反馈信号，电流转矩分量和电流励磁分量反馈值分别与得到的电流转矩分量和电流励磁分量给定值Id、Iq相比较，然后经过电流环PI控制器，输出交直流电压值Vq、Vd之后，结合电机状态观测器输出的电机角度值经过反PARK坐标变换，生成α-β坐标系的电压值Vα和Vβ。再经过空间电压矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)模块后，合成为转矩分量Ta、Tb、Tc，其作为三相逆变器驱动控制信号，控制推进电机。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种船用推进器，所述船用推进器包括包括螺旋桨、电机、控制器，所述控制器用于执行上述任一种船用推进器充电控制方法，所述船用推进器可包括或外接有蓄能器(通常为电池)，从而，所述船用推进器可实现上述任一种船用推进器充电控制方法。在一些实施例中，所述螺旋桨可以为折叠螺旋桨，采用折叠螺旋桨可以在充电或运行状态展开螺旋桨；折在电池不需要充电的时候折叠螺旋桨，以减少船舶在水中运行的阻力。
作为一种优选实施例，所述船用推进器包括压水板，通过压水板的设置可以提高船用推进器的反充电效率。
作为一种优选实施例，所述船用推进器还包括显示装置，所述显示装置实时显示反充电功率或充电电流或电池充满电所需要的时间，提供良好的用户交互功能。同时，船用推进器还可以包括其他动力装置，该其他动力装置可借助于柴油汽油等燃油运行，即船用推进器可以是电机驱动也可以是混合式驱动。除此之外，船用推进器也可以由其他方式供能，如，风能、潮汐能等。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种船用推进器充电控制方法，其特征在于，包括：
船舶行进过程中，获取电机的反充电功率和转速；
调节所述转速的大小，获取在所述转速下对应的所述反充电功率，基于所述反充电功率的变化过程，查找所述反充电功率相对于所述转速的功率极值点；
基于所述功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电；
其中，电机的转速代替船舶的螺旋桨转速，表征转速与所述反充电功率以及航速之间的关联关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述转速包括：
获取电机的反电动势和/或角速度；
基于所述反电动势与所述转速的转换关系和/或所述角速度与所述转速的转换关系，确定所述转速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节所述转速的大小，获取在所述转速下对应的所述反充电功率，基于所述反充电功率的变化过程，查找所述调节过程中，所述反充电功率相对于所述转速的功率极值点，包括：
获取所述转速和所述反充电功率；
通过直接或间接调节电机的电流或转矩减小所述转速，获取在所述转速下的所述反充电功率；
比较前后两次获取的所述反充电功率的相对大小；
若在前的所述反充电功率大于在后的所述反充电功率，则确定在前的所述反充电功率为所述功率极值点；否则，将原在后的所述反充电功率赋值为新的在前的所述反充电功率，重复查找过程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电前，包括：
判断所述转速是否大于预设值，若是，则启动反充电功能。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述功率极值点，确定转速理论值与转矩理论值的对应关系；
基于所述对应关系，在实际转速与转速理论值相等的情况下，若实际转矩与所述转速理论值对应的所述转矩理论值的差值大于预设差值，则重新确定功率极值点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述重新确定功率极值点，包括：
若所述实际转矩大于所述转矩理论值，则通过直接或间接调节电机的电流或转矩逐步增大所述转速；获取在所述转速下的所述反充电功率；比较前后两次获取的所述反充电功率的相对大小；若在前的所述反充电功率大于在后的所述反充电功率，则确定在前的所述反充电功率为所述功率极值点；否则，将原在后的所述反充电功率赋值为新的在前的所述反充电功率，重复查找过程；
若所述实际转矩小于所述转矩理论值，则通过直接或间接调节电机的电流或转矩逐步减小所述转速，获取在所述转速下的所述反充电功率；比较前后两次获取的所述反充电功率的相对大小；若在前的所述反充电功率大于在后的所述反充电功率，则确定在前的所述反充电功率为所述功率极值点；否则，将原在后的所述反充电功率赋值为新的在前的所述反充电功率，重复查找过程。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设差值小于或等于所述转矩理论值的50％。
8.一种船用推进器充电控制系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于在船舶行进过程中，获取电机的反充电功率和转速；
极值确定模块，用于调节所述转速的大小，获取在所述转速下对应的所述反充电功率，基于所述反充电功率的变化过程，查找所述调节过程中，所述反充电功率相对于所述转速的功率极值点；
控制模块，用于基于所述功率极值点，保持对应转速实现对电池反向充电；
其中，电机的转速代替船舶的螺旋桨转速，表征转速与所述反充电功率以及航速之间的关联关系。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：
过流保护模块，用于在反向充电过程中，泄放至少部分能量，以限制母线电流。
10.一种船用推进器，其特征在于，所述船用推进器，包括螺旋桨、电机、控制器，所述控制器执行上述权利要求1-7中任一项所述的方法，所述船用推进器包括或外接有蓄能器。
11.根据权利要求10所述的船用推进器，其特征在于，所述螺旋桨为折叠螺旋桨。
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