CN203734361U - 健身器械动能回收智能发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种健身器械动能回收智能发电系统，所述发电系统包括发电单元，充电控制单元，蓄电池，卸荷回路和电能综合变换单元。本实用新型运用资源整合及控制，实现了能量有效、合理、可靠的转换；能够接入并支撑多种健身器械的发电，满足健身房的自我供电需求，并能与现有交流电网实现并网；通过充电控制电路进入恒压充电模式可控制相应发电机输出的电流，为健身器械提供可调的运动阻力，健身器械的使用者所消耗的功率不必控制在一定的范围内，可以任意调节运动强度，因而能广泛适用于各种人群；输出控制电路完善，可以输出稳定电能，电流连续，提供持续可靠安全的供电。

Description

健身器械动能回收智能发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种发电系统，尤其涉及一种回收利用健身器械动能以实现发电的系统。 

背景技术

全民健身关系人民群众身体健康和生活幸福，是综合国力和社会文明进步的重要标志，国家全面推进全民健身活动。随着活动的不断推进，人们开始积极参与健身，各类健身房也纷纷应运而生。对于健身房来说，健身器械是关键，但目前常用的健身器械无法消纳健身时所产生的动能，往往采用阻尼装置将其白白消耗掉。 

近年来，我国能源需求不断加大、环境污染进一步加深，大力推动低碳经济发展，建设资源节约型、环境友好型社会，已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分。在节能产品层出不穷的今天，将健身房健身器械产生的动能加以充分利用用于发电，可实现健美强身、时尚生活方式与节能减排、绿色环保理念的完美结合，无疑是具有规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，具有较为广阔的市场基础和推广条件。 

目前，美国虽有公司试验性开发了跑步机型发电健身器，但未公开相应的技术，没有查到相关的论著和专利，市场上未见有关产品出售；国内对此方面基本停留在构想阶段，仅有个别实验性的小型模型验证了利用健身器材发电的可行性，仍无法输出稳定的电流供生活实际应用；国内已有的健身运动能量回收仅限于单一的健身器材(如健身自行车、弹簧椅)，尚未见有关回收健身房多种健身器材运动能量的装置问世的报道。 

发明内容

本实用新型针对健身器械的运动特点,设计开发了一套利用健身器械的动能发电并能稳定输出的系统。 

本实用新型具体采用如下技术方案： 

一种健身器械动能回收智能发电系统，其特征在于包括： 

发电单元：与健身器械连接，用于将健身器械产生的动能转化成电能进行输出； 

充电控制单元：与发电单元连接，用于将电能输出到蓄电池进行充电； 

蓄电池：与充电控制单元连接，用于储存电能； 

卸荷回路：连接在充电控制单元的输入端，用于导通时泄放多余电能； 

电能综合变换单元：其供电输入端与充电控制单元的电能输出端及蓄电池并联，还与卸荷回路连接，用于实现电能的转换控制及蓄电池的充放电保护控制。 

有益效果：。 

1)运用资源整合及控制，实现了能量有效、合理、可靠的转换； 

2)能够接入并支撑多种健身器械的发电，满足健身房的多种供电需求，并能与现有交流电网实现并网，实现健美强身与节能减排、绿色环保理念的完美结合； 

3)通过充电控制电路进入恒压充电模式可控制相应发电机输出的电流，为健身器械提供可调的运动阻力，健身器械的使用者所消耗的功率不必控制在一定的范围内，可以任意调节运动强度，因而能广泛适用于各种人群； 

4)输出控制电路完善，可以输出稳定电能，电流连续，提供持续可靠安全的供电。 

附图说明

图1为发电系统总体结构框图； 

图2为发电单元基本结构及原理示意图； 

图3为充电控制单元和各个健身器械的连接示意图； 

图4为电能综合变换单元和其他部分关系图； 

图5为系统电路图； 

图6为蓄电池充放电保护模块电路图； 

图7为健身自行车体能竞赛控制模块电路图。 

具体实施方式

1、系统整体构架 

健身器械动能回收智能发电系统主要由发电单元、充电控制单元和电能综合变换单元三个部分组成。其中，充电控制单元负责将发电单元产生的电能经储能装置(蓄电池)输出给电能综合变换单元；电能综合变换单元一方面将电能转换为直流5V或交流220V进行输出，一方面还承担电池的充放电保护功能。系统整体构架如图1所示。 

2、系统各单元工作原理及结构 

2.1发电单元 

发电单元的主要结构是发电机，如图2所示，将普通健身器械内的阻力调节轮替换为惯性发电机，健身器械的机械部分将各种运动转换成旋转运动，带动发电机发电向外输出 电流。发电机输出电流越大，为机械传动结构提供的阻力就越大，通过蓄电池充电控制单元进入恒压充电模式控制发电机输出的电流，可以为健身器械提供可调的运动阻力，获得和机械阻尼的健身器械相同的使用效果。健身器械包括健身自行车、椭圆机和跑步机，每台健身器械都配置有与之匹配的发电机。 

2.2充电控制单元 

充电控制单元将各个健身器械产生的电能输出给蓄电池充电，以满足在不同健身器械所产生电能电压等不相同的情况下，蓄电池充电各阶段对充电电流、充电电压等的要求，保障蓄电池的安全和使用寿命。充电控制单元和各个健身器械的连接图如图3所示(图中所示为将发电单元整合到了健身器械内部)。 

系统中还设置了卸荷回路，连接在充电控制单元的输入端，用于实现多余电能的泄放。当发电单元产生的电能经过对蓄电池充电、经过电能综合变换单元利用后仍然大于电池的浮充电压时，卸荷回路在电能综合变换单元的控制下导通将多余的电能泄放掉，以保护电池。卸荷回路采用放电电阻实现，如图5中的R1和R2所示。 

2.3电能综合变换单元 

电能综合变换单元一方面实现电能的转换控制，另一方面实现蓄电池的充放电保护控制。电能综合变换单元和健身器械、蓄电池、交流220V电网、交流用电设备的连接关系如图4所示(图中所示为将发电单元整合到了健身器械内部)。 

系统还可以设置并网控制器，用于实现系统所产生的220V交流电与市政交流电的并网。 

3、系统充放电控制方式 

电能综合变换单元同时也承担电池的充放电保护控制功能。其主要控制方式如下： 

(1)蓄电池充电控制 

充电控制单元、蓄电池、电能综合变换单元处于在线工作模式，即：充电控制单元的输出、蓄电池、电能综合变换单元的输入并联在一起；当电池电量低时，逆变器模块停止工作，充电控制单元输出的电能全部用于充电；当电池电量高于其额定容量的50％时，逆变器模块开始工作；当充电控制单元输出的电流大于逆变器模块的输入电流时，充电控制单元的电能一方面为蓄电池充电，一方面为逆变器模块提供电能；当充电控制单元的输出电流小于逆变器模块输入电流时，逆变器模块的电能由发电单元和蓄电池共同提供；当健身器械无人使用时，逆变器模块的电能完全由蓄电池提供； 

(2)蓄电池输出控制 

当电池电量高于其额定容量的50％时，逆变器模块开始工作，将电能逆变为电压、频率稳定的交流电，供给交流用电设备；当电池电量小于其额定容量15％时，逆变器模块停止工作，电能综合变换单元自动切换为市电为交流用电设备供电；当电池电量小于其额定容量的3％时，直流变换电路停止工作，转而由市政供电变换为5V直流电为各个健身器械供电。 

为了给交流用电设备提供可靠稳定的交流电，本系统的逆变器电路工作于在线后备模式。当逆变器模块工作时，系统切换为由逆变器为交流用电设备供电，当电池电量不足时，系统将在20ms内切换为市政供电，保证不影响用电设备的工作；另一方面，当逆变器模块启动时，系统将在20ms内切换为逆变器模块供电。 

4、电路图 

4.1系统电路图 

如图图5所示，健身自行车的发电机采用三相交流发电机，其发出的电经过三项全桥整流后成为直流电，经过LT-201直流计量模块后再经过二极管D1送至VAM9050P电压电流表；椭圆机发电机和跑步机发电机采用单相直流发电机，发出的电分别经过二极管D2、D3也送到VAM9050P电压电流表。VAM9050P电压电流表能够测量所有健身器材发出的总电能(电压、电流、功率)。二极管D1、D2、D3用于防止电流逆流。 

LT-201直流计量模块测量健身自行车发出的电能，通过RS-485总线把数据送到健身自行车体能竞赛模块，同时也能实现为健身自行车体能竞赛模块提供5V工作电源。健身自行车体能竞赛模块有健身和竞赛两种模式。健身模式时，能显示健身者的骑行的速度、里程、时间等，并通过图像动态显示骑行者发出电能的功率，做出的功。竞赛模式时，每位参与竞赛的选手都有3分钟的骑行时间，模块记录每位骑行者三分钟内做的功和里程，竞赛完毕自动对竞赛结果进行排名。 

电能经VAM9050P电压电流表后送给CM30型蓄电池充电控制器，实现对蓄电池的充电。 

当电池充满时，CM30型蓄电池充电控制器将进入恒压充电模式，此时的充电电流将变得很小，此时三个发电机发出的电能必须通过卸荷回路泄放，否则发电机处于空载状态，阻尼很小，健身效果变差。为了解决这一问题，电能综合变换单元设置了蓄电池保护模块，当电池充满时，蓄电池保护模块的过充保护输出端将输出过充保护信号，将卸荷回路中的继电器K1吸和，卸荷回路导通，发电机发出的电能经放电电阻R1、R2消耗掉，为发电 机提供一定的负载，进而使发电机具有一定的阻尼。 

电能综合变换单元设置了逆变器模块，用于将系统产生的电能逆变为交流220V供电给交流用电设备，如健身房里的电脑等设备。逆变器开关S1与蓄电池保护模块的逆变器控制输入端连接，S1闭合后，模块检测蓄电池的电压，当蓄电池电压高于11.3V时，蓄电池保护模块交流输出控制端的交流输出控制信号输出为低电平，与之连接的继电器K2吸和，同时蓄电池保护模块的逆变器开关信号输出端发出逆变器开信号送至逆变器，逆变器开始工作。逆变器输出交流电为交流负载供电。当蓄电池保护模块检测到电池电压低于10V时，蓄电池保护模块的逆变器开关信号输出端将发出逆变器关信号，逆变器关闭；同时交流输出控制信号输出为高电平，继电器K2释放，切换为市电为交流负载供电。 

系统交流输出电压和负载之间接入了EPM8200彩屏功率计，该功率计能够测量电压、电流、频率、功率、功率因数等参数，能直观反映出逆变器的输出效果。 

电能综合变换单元还可以设置整流模块(图中未画出)，将整流模块连接在健身自行车的三相交流发电机输出端，将交流输出转换为5V直流电输出，供电给直流用电设备，如各个健身器械上的控制电路、显示电路和数码产品充电接口等。整流模块属于成熟技术，此处不再赘述。 

4.2蓄电池保护模块电路图 

蓄电池冲放电保护模块如图6所示。蓄电池保护模块以ATmega48单片机为核心构成。电池电压经R36、R37分压后送至ATmega48的19脚，经AD变换后识别电池电压。当电池电压高于15V时，30脚输出高电平，第一三极管Q31饱和，驱动继电器K1，实现发电机电能的卸荷。当电池电压低于14.5V时，30脚输出第电平，第一三极管Q31截止，继电器K1释放，发电机的电能完全为蓄电池充电。 

当逆变器开关S1闭合时，如果电池电压高于11V，ATmega48的31脚输出高电平，第二三极管Q32饱和驱动继电器K2闭合，延时50mS后ATmega48的32脚输出高电平，第三三极管Q33饱和，控制逆变器模块开始工作。当蓄电池电压低于10V时，第二三极管Q32截止继电器K2断开，切换为市电为负载供电；同时ATmega48的32脚输出低电平，第三三极管Q33截止，控制逆变器模块停止工作。 

12V的电源电压经过REG1117稳压后为单片机部分供电。JP31用于ATmega48的程序下载。D31、D32用于继电器线圈反峰电压的吸收。L31和C41构成低通滤波器电路为ATmega48模拟部分供电。 

LED31为电源指示，LED32为卸荷指示，LED33为逆变器正常输出指示灯。 

晶振Y31为ATmega48提供振荡器，作为其工作时钟。 

4.3健身自行车体能竞赛控制模块电路 

健身自行车体能竞赛控制模块电路如图7所示。体能竞赛模块以单片机STC12C5A60S2为核心，利用一个192×64的液晶模块显示信息。通过MAX485芯片扩展一个485接口，用于和LT-201直流计量模块进行数据交换。Q1驱动一个蜂鸣器U2提供声音提示功能。 

J4外接一个干簧管，用于自行车转速的测量，转速测量信号送至STC12C5A60S2的INT0端口，通过触发中断使单片机能够计算出距离、速度等信息。J5、J6、J7分别外接三个按键，提供清除、启动、模式三个功能按钮。 

STC12C5A60S2的P0口作为液晶显示屏的数据交换借口。P2.4、P2.5、P2.6、P2.7提供液晶屏的控制信号。三极管Q2用于驱动液晶屏的背光。 

模式键用于调整体能竞赛模块的工作模式，依次为：训练模式、竞赛模式、竞赛数据查询模式。清除键用于清除记录的数据，以便开始新的锻炼过程或竞赛过程。 

按下模式键，进入训练模式后，再次按下启动键，体能竞赛模块就开始读取LT-201直流计量模块传过来的数据，并利用转速测量信号，显示锻炼里程、速度、锻炼时间、消耗的卡路里、发出的电能，并用曲线图显示锻炼者的瞬时功率的变化，增加锻炼的趣味性。 

再次按下模式键，就可以进入竞赛模式。在竞赛模式下，为每位选手限定60秒的时间，通过对比该选手60秒内瞬时功率，和总发出的电能来判断优胜者。按下启动按键，就进入1号选手的竞赛过程，选手就可以锻炼了，60秒时间到后，发出提示音，提示该选手比赛结束；再次按下启动按键，就会进入2号选手的竞赛过程。所有选手比赛完后，按下模式键，在液晶屏上就显示排序后(从大到小)每位选手的数据。 

5.系统样机研制 

为了安装及使用便利，样机实物结构对系统各组成单元进行了适当的整合。 

5.1发电单元实物结构 

5.1.1动感健身单车 

包含：直驱强磁数码发电机联动惯性组合大飞轮、组合式充电逆变一体控制器、低噪音皮带式传动、无级阻力调节系统、安全防脱脚踏、上下前后调节坐垫、调手把带手握心率、配小容量恒压电容及充电逆变并网一体化控制器(整合了充电控制、逆变控制和并网 控制)。 

仪表显示：时间、速度、电量、电压、电流及心率等。 

发电功率：额定350瓦，最大500瓦。 

5.1.2椭圆跑步机 

包含：内置强磁数码发电机联动惯性飞轮、皮带式传动、无级阻力调节系统、带手握心率、跑步活动曲线、配小容量恒压电容及充电逆变并网一体化控制器(整合了充电控制、逆变控制和并网控制)。 

仪表显示：时间、速度、电量、电压、电流及心率等。 

发电功率：额定550瓦，最大750瓦。 

5.1.3跑步机 

包含：无级速度自控调节，内置永磁低速数码发电机、可折叠移动、人字形立架、跑台减震技术、三角支撑缓冲结构、多点式弹簧设计鼓形管、配小容量恒压电容及充电逆变并网一体化控制器(整合了充电控制、逆变控制和并网控制)。 

仪表显示：时间、速度、电量、电压、电流及心率等。 

发电功率：额定250瓦，最大350瓦。 

5.2充电控制单元及电能综合变换单元实物结构 

5.2.1逆变、电瓶、最大功率跟踪装置 

该部分以蓄电池为模板改装，为整个系统的核心，包括逆变装置(对应逆变器)、可储存0.4度电的电瓶(对应蓄电池)、最大功率跟踪装置(对应蓄电池充电控制器)和电能卸载装置(对应卸荷回路)。 

5.2.2前、后面板 

前面板仪表显示逆变输出功率、输出电流、电压、当前发电设备的电流、电压、功率等信息。3个端口分别是电能输出端、市电输入端和发电装置输入端。 

后面板的发电装置输入端开了三个孔，采用大功率插接街头，插接方便。有外接电能输入端和电能输出端，当健身发电设备发的电量不足以驱动外部用电设备的时候，自动切换到市电。多个电能输入端接口可实现多种、多个发电器材的能量回收。 

具体结构： 

1)逆变装置 

将电瓶的直流电逆变后输出220V，50Hz交流电。 

2)最大功率跟踪装置 

用于增强健身系统的功能性，当健身发电设备踩踏的力量越大时，提高输入电流，让电机提供更大的扭矩，模拟上坡等行为。 

3)电瓶和市电自动切换装置 

当电瓶的电量能维持外部负载供应时，控制当前为电瓶输出，当电瓶电压过低时，自动切换为市电，直接用市电供给外部负载。 

4)电量卸载装置 

当电瓶电量已满，且健身发电设备还在发电时，将电瓶无法储存的电能以热能的形式释放。 

6样机测试情况 

6.1测试条件 

6.1.1健身自行车 

采用链传动，踩踏板带动发电机发电，自适应人的踩踏力量，模拟上下坡，踩得力量越大，发的电越多，相应承受的阻力转矩越大。为增强健身系统的功能性，可通过仪表盘分别设定两种模式：训练模式和竞赛模式。 

训练模式：仪表盘左侧显示当前发电的功率，以曲线的形式显示。右侧显示当前当前骑行的速度、距离、时间、卡路里、功率等信息，数字显示。 

竞赛模式：竞赛模式下显示选手的瞬时功率和总发电量，给予排名，同时记录历史上最高发电量和最大瞬时功率。 

6.1.2椭圆跑步机 

踩动椭圆机踏板带动封装的直流发电机进行发电，保留原来、健身设备的大部分功能，液晶屏显示里程、速度等信息，做到对健身设备改动最小。 

6.1.3跑步机 

50瓦的直流发电机封装在跑步机内部，通过同样封装在内部的功能转换装置，不插电的时候可以变身健身发电机，插上电以后功能自动转换为跑步机，对原来的健身器械械破坏最少。 

6.2测试结果 

6.2.1输出功率 

通过测试得到的结果，健身车的效率最高，成年人峰值可以达到260瓦，但不能持续，正常情况下平均在180瓦左右。椭圆机和跑步机由于发电原理的限制，平均在100瓦和50瓦左右。具体如下： 

1)自行车：成年人发电量平均为180瓦，以每天按锻炼1小时算， 

年产生电力＝0.18*1*365＝65.7度 

2)椭圆机：成年人发电量平均为100瓦，以每天按锻炼1小时算， 

年产生电力＝0.1*1*365＝36.5度 

3)跑步机：成年人发电量平均为50瓦，以每天按锻炼1小时算， 

年产生电力＝0.05*1*365＝18.3度。 

Claims (4)

1.一种健身器械动能回收智能发电系统，其特征在于包括：

发电单元：与健身器械连接，用于将健身器械产生的动能转化成电能进行输出； 

充电控制单元：与发电单元连接，用于将电能输出到蓄电池进行充电；

蓄电池：与充电控制单元连接，用于储存电能；

卸荷回路：连接在充电控制单元的输入端，用于导通时泄放多余电能；

电能综合变换单元：其供电输入端与充电控制单元的电能输出端及蓄电池并联，还与卸荷回路连接，用于实现电能的转换控制及蓄电池的充放电保护控制；

所述的发电单元为交流发电机； 

体能竞赛控制模块：体能竞赛控制模块通过一个直流计量模块连接在三相交流发电机的输出端；

所述充电控制单元包括一个蓄电池充电控制器，所述蓄电池充电控制器通过一个直流断路器与蓄电池连接；

所述卸荷回路包括第一继电器，第一继电器的控制输入端与电能综合变换单元连接。

2.如权利要求1所述的健身器械动能回收智能发电系统，其特征在于所述电能综合变换单元包括一个蓄电池保护模块、一个逆变器模块，蓄电池保护模块的蓄电池电压检测输入端与蓄电池连接，逆变器控制输入端与逆变器开关连接，蓄电池过充保护输出端与卸荷回路的导通控制端连接，逆变器开关信号输出端与逆变器模块连接，交流输出控制端与第二继电器的控制输入端连接，第二继电器用于实现逆变器模块或市政供电系统与交流负载的接通。

3.如权利要求2所述的健身器械动能回收智能发电系统，其特征在于所述蓄电池保护模块包括分压电路、单片机及其外围电路和第一~第三三极管，蓄电池电压经分压电路分压后输入单片机进行处理，单片机有三个输出端分别与第一~第三三极管的基极连接，第一~第三开关管的集电极分别作为蓄电池过充保护输出端、交流输出控制端及逆变器开关信号输出端，单片机有一个输入端作为逆变器控制输入端与逆变器开关连接。

4.如权利要求1所述的健身器械动能回收智能发电系统，其特征在于所述的健身器械是健身自行车、椭圆机和跑步机，所述发电单元包括与健身自行车连接的三相交流发电机，与椭圆机连接的单相交流发电机、与跑步机连接的单相交流发电机。