串联式混合动力/人力驱动车辆及固定式健身器械的制作方法

本公开涉及由人力和电力辅助操作的车辆和健身器械，更具体地，涉及用于人力驱动车辆和固定式健身器械的串联式混合动力系统，以改善踩踏体验。

背景技术：

1、人力可以通过纯机械方式有效用于个人推进，或者可以利用车载电源（诸如电池、电容器或太阳能电池板）提供的电能进行补充。应用可以包括轻型陆地、水上和空中交通工具，其中人力可以提供所需推进功率的相当大一部分，从而有助于增加车辆续航里程和提高效率。

2、采集人体能量的最常见方式是采用踏板曲柄，其将腿部的线性作用力转换为旋转扭矩，并直接或通过传动装置连接至电动机器。通过增加手臂动力可以获得更高的效率，但由于其机械复杂性，这种方式可能较少采用。由于自行车的普及，几乎每个人都有操作自行车的经验，踩踏方式也因此受益。

3、自行车可能是混合人力驱动车辆最常见的应用，并将在以下描述中用作主要的非限制性示例，但相同的概念可以适用于任何通过踩踏或类似布置采集人体能量的车辆。

4、当人力与电力结合时，通常可以采用两种布置：i）并联式混合动力系统，其中机械驱动和电驱动并行用于推动车辆；以及ii）串联式混合动力系统，其中仅电驱动可以推动车辆，而人力在供应至电驱动之前被转换为电能。

5、与并联式混合动力系统相比，串联式混合动力系统可以提供若干益处，包括：消除机械传动损失；提高车辆设计和布局的灵活性；减少磨损和维护；降低机械复杂性和成本；以及无需传动装置即可在一定范围的车辆速度内以舒适速度操作。

6、在另一方面中，对于自行车应用来说，并联式混合动力系统由于以下两个主要优点而已几乎普遍采用：由于转换损失较低而具有更高的传动效率；以及由于其感觉和响应与纯机械驱动相似而具有更直观的操作体验。

技术实现思路

1、在一个方面中，本公开提供了一种串联式混合动力/人力驱动车辆，包括：发电机；曲柄组，该曲柄组与发电机可旋转地联接，该曲柄组包括脚踏板或手踏板；一个或多个电机，该一个或多个电机与发电机电联接，并且与车辆的一个或多个车轮机械联接；用户输入阻力装置，该用户输入阻力装置与曲柄组联接，并且能够操作以向曲柄组提供补充反扭矩；以及控制器，包括处理器和存储器，该存储器上编码有能够由处理器执行的指令，以：（a）确定针对用户的踩踏踏频和扭矩的最佳范围；（b）确定发电机在所确定的最佳踩踏踏频下产生的发电机反扭矩，发电机反扭矩和补充反扭矩构成总反扭矩；以及（c）设定用户输入阻力装置，使得总反扭矩在最佳踩踏踏频下处于踩踏扭矩的最佳范围内。

2、根据一些实施例，可以根据由用户选择的或根据用户特定的校准数据得出的踩踏扭矩曲线来确定用户的踩踏踏频和扭矩的最佳范围。

3、根据一些实施例，用户输入阻力装置可以是与发电机联接的双向逆变器。

4、根据一些实施例，控制器可以被配置为，当踩踏踏频低于预定的充电阈值时，操作用户输入阻力装置以使电流流经发电机，从而产生补充反扭矩。

5、根据一些实施例，控制器可以被配置为，当踩踏踏频超过预定的调节阈值和/或储能装置无法接受过量电流时，将由发电机产生的电流的至少一部分分流至补充储能装置或耗散负载。

6、根据一些实施例，控制器可以被配置为，当车辆处于动态平衡状态时，在最佳踩踏踏频下将总反扭矩维持于踩踏扭矩的最佳范围内，其中，动态平衡表示这样的状态：在该状态下，车辆以最佳踩踏踏频运行，同时车辆负载和/或踩踏输入的变化保持低于预定的平衡阈值。

7、根据一些实施例，控制器还可以被配置为，通过调节总反扭矩，在车辆负载和/或踩踏输入发生破坏动态平衡的瞬时变化时，在更新后的最佳踩踏踏频下建立新的动态平衡。

8、根据一些实施例，可以通过施加预定扭矩曲线来维持总反扭矩，所述预定扭矩曲线与由角度传感器或位置传感器提供的曲柄组的旋转位置同步，以补偿踩踏过程中的人体扭矩脉动。

9、根据一些实施例，最佳踩踏踏频可以被确定为用户的输出功率达到用户特定的扭矩-速度曲线上的预定最大值时的踏频。

10、根据一些实施例，控制器可以被配置为，通过分析用户的踩踏扭矩和踩踏踏频来执行校准过程，并存储所得的扭矩-速度数据，以限定用户特定的特性曲线。

11、根据一些实施例，用户特定的特性曲线可以限定与用户相关的踩踏用力、功率、扭矩和踏频之间的关系。

12、根据一些实施例，控制器可以被配置为，基于由在运行过程中监测用户的生理传感器所采集的生理数据，动态地更新用户特定的特性曲线。

13、根据一些实施例，生理数据可以包括以下至少一项：心率、呼吸频率、血氧水平、乳酸水平、肌电图数据；踏板力/扭矩、身体姿势、体温以及面部表情。

14、根据一些实施例，控制器可以被配置为，当用户从基本静止状态启动车辆或加速踏板以发出所需的车辆加速信号时，操作用户输入阻力装置，以在起始曲柄角度处施加阻力，从而模拟机械惯性。

15、根据一些实施例，一个或多个电机能够被断开或断电，使得车辆用作固定式健身器械。

16、在另一方面中，本公开提供了一种固定式健身器械，包括：发电机；曲柄组，该曲柄组与发电机可旋转地联接，该曲柄组包括脚踏板或手踏板；用户输入阻力装置，该用户输入阻力装置与曲柄组联接，并且能够操作以向曲柄组提供补充反扭矩；以及控制器，包括处理器和存储器，该存储器上编码有能够由处理器执行的指令，以：（a）确定针对用户的踩踏踏频和扭矩的最佳范围；（b）确定由发电机在所确定的最佳踩踏踏频下产生的发电机反扭矩，发电机反扭矩和补充反扭矩构成总反扭矩；以及（c）设定用户输入阻力装置，使得总反扭矩处于最佳踩踏踏频下的最佳踩踏扭矩范围内。

17、根据一些实施例，可以根据由用户选择的或根据用户特定的校准数据得出的踩踏扭矩曲线来确定用户的踩踏踏频和扭矩的最佳范围。

18、根据一些实施例，用户输入阻力装置可以是与发电机联接的双向逆变器。

19、根据一些实施例，控制器可以被配置为，当踩踏踏频低于预定的充电阈值时，操作用户输入阻力装置以使电流流经发电机，从而产生补充反扭矩。

20、根据一些实施例，控制器可以被配置为，当踩踏踏频超过预定的调节阈值和/或储能装置无法接受过量电流时，将由发电机产生的电流的至少一部分分流至补充储能装置或耗散负载。

21、提供了一种本文所述的系统，其可以克服人力驱动应用中的串联式混合动力驱动系统的两方面限制，同时保留其优点。具体地，本文公开了（并旨在提出）一种改进的用于人力驱动车辆的发电机控制系统，以及包括该发电机控制系统的人力驱动车辆和与其相关的各种方法。

22、因此，根据一个方面，提供了一种用于人力驱动车辆的发电方法。该方法包括：通过控制系统确定车辆是否处于预定阈值内的动态平衡状态。如果是，则该方法包括调节车辆的发电机的平均目标反扭矩，以促进恒定的踩踏速度，从而使人体功率输出和/或车辆续航里程最大化。

23、还根据另一方面提供了一种用于人力驱动车辆的发电方法。该方法包括：通过控制系统评估车辆的瞬时踏板输入，从而确定用户的瞬时用力水平。该方法包括：将瞬时用力水平与瞬时扭矩/速度曲线相匹配。该方法包括：通过控制系统，沿瞬时扭矩/速度曲线调节发电机的平均目标反扭矩，使其达到或趋向于这样的踩踏速度：对于瞬时扭矩/速度曲线，该踩踏速度使人体功率输出和/或车辆续航里程最大化。

24、还根据另一方面提供了一种用于人力驱动车辆的发电方法。该方法包括：通过控制系统评估车辆的瞬时踏板输入，从而确定用户的瞬时用力水平，以此估计/确定/获得：i）瞬时和/或期望扭矩和/或ii）瞬时踩踏速度。该方法包括：将如此确定的瞬时扭矩/速度与瞬时扭矩/速度曲线相匹配。该方法包括：通过控制系统，沿瞬时扭矩/速度曲线调节发电机的平均目标反扭矩，使其达到或趋向于这样的踩踏速度：对于瞬时扭矩/速度曲线，该踩踏速度使人体功率输出和/或车辆续航里程最大化。

25、还根据另一方面提供了一种操作人力驱动车辆的方法。该方法包括：确定、估计和/或获取单个用户的用力轮廓和扭矩脉动特性的性质和范围。该方法包括：响应于环境因素、用户因素和/或其他因素的变化，通过控制系统来监测和更新用力特性曲线。该方法包括：通过控制系统响应于车辆负载变化和来自用户的输入来促进准确的速度控制。该方法包括：通过控制系统确定车辆的发电机的瞬时反扭矩，并对其进行调节，以提供用户反馈，同时尽可能频繁地促进/保持峰值效率运行。

26、还根据另一方面提供了一种用于人力驱动车辆的发电方法。该方法包括：通过控制系统实时评估踏板输入。该方法包括：通过控制系统，基于踏板输入的变化是否超过预定阈值来确定是否需要改变车辆速度，并且如果需要，则使车辆速度与踏板输入的变化成比例地改变。该方法包括：确定车辆是否处于预定阈值内的动态平衡状态，并且如果是，则通过控制系统逐步地调节车辆的发电机的目标平均反扭矩，使其趋向于人体峰值功率输出。

27、还提供了一种用于人力驱动车辆的控制系统，其被配置为根据上述方法中的任一种进行操作。

28、还根据另一方面提供了一种用于人力驱动车辆的控制系统。该控制系统被配置为确定车辆是否处于预定阈值内的动态平衡状态，并且如果是，则调节发电机的反扭矩，以促进恒定的踩踏速度，从而使人体功率输出和/或车辆续航里程最大化。

29、还根据另一方面提供了一种用于人力驱动车辆的控制系统。该控制系统被配置为确定、估计和/或获取单个用户的用力轮廓和扭矩脉动特性的性质和范围。该控制系统被配置为响应于环境因素、用户因素和/或其他因素的变化来监测和更新用力特性曲线。该控制系统被配置为通过响应车辆负载变化和来自用户的输入来促进准确的速度控制。该控制系统被配置为确定车辆的发电机的瞬时反扭矩，并对其进行调节，以提供用户反馈，同时尽可能频繁地保持/促进峰值效率运行。

30、还根据另一方面提供了一种用于人力驱动车辆的控制系统。该控制系统被配置为评估车辆的瞬时踏板输入，从而获得瞬时用力水平。该控制系统被配置为将瞬时用力水平与瞬时扭矩/速度曲线相匹配。该控制系统被配置为沿瞬时扭矩/速度曲线调节车辆的发电机的平均目标反扭矩，以促进达到或趋向于这样的踩踏速度：该踩踏速度使人体功率输出和/或车辆续航里程最大化和/或优化人体用力，以实现期望的健身目标。

31、还提供了一种人力驱动车辆，其包括上述任一种控制系统和/或被配置为根据上述任一种方法进行操作。

32、还根据另一方面提供了一种人力驱动车辆。该人力驱动车辆包括发电机组件。发电机组件包括安装在车架上的踏板以及与踏板联接的发电机。发电机被配置为将人体功率转换为电能，其中，发电机的旋转产生反扭矩。人力驱动车辆包括控制系统。该控制系统被配置为：i）评估踏板输入；ii）基于踏板输入调节车辆速度和反扭矩；iii）确定车辆是否处于预定阈值内的动态平衡状态；以及iv）如果是，则进一步调节发电机的反扭矩，以促进恒定的踩踏速度，从而使人体功率输出和/或车辆续航里程最大化（如上所述）。

33、需要强调的是，本发明涉及上述特征的所有组合，即使这些特征记载在不同的权利要求中。

34、其他方面和示例性实施例在附图中示出和/或在以下描述中说明。