CN113844308A - 基于同位素电源的无人充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于同位素电源的无人充电系统，涉及充电系统技术领域，可以包括：同位素电源模块，用于产生电能；储能模块，能够对同位素电源模块产生的电能收集并储存；充电模块，充电模块与储能模块连接，充电模块能够对待充电设备进行充电；导引对接模块，能够实现对待充电设备的导引，并能够实现充电模块与待充电设备的对接固定；无线通信存储模块，能够实现与待充电设备的信息交互；控制模块，对上述各个模块进行控制。本发明将同位素电源应用于充电站供能，充分发挥了其环境适应性强、寿命长等优点，还保证了充电系统与巡航设备的精准对接和对接稳定性，保证了电能的可靠传输。
Description
技术领域
本发明涉及充电系统技术领域，特别是涉及一种基于同位素电源的无人充电系统。
背景技术
能源是限制巡航机器人及其它巡航设备长时间工作的主要因素之一，在高续航、小体积的先进推进技术尚未取得有效突破的当下，能源中继补给技术是解决巡航设备能源供给的有效手段，目前通常是构建固定式充电站网络，来为巡航设备进行能源补给。小型充电站可多点布设，形成充电网络，在能源保障方面具有重要的现实意义和价值。
现有小型充电站的能源通常采用化学能或太阳能，化学能受限于使用寿命短、燃料消耗快、燃料补充难度大；而太阳能受环境、位置等影响较大，能量供给不稳定。
而且，现有小型充电站与巡航设备精准对接的难度较大，会存在发射和接收两端错位、距离太大等情况，均会增加无线传能的损耗，而且小型充电站与巡航设备两者对接后的姿态难以保证稳定。
因此，亟待提供一种新的无人充电系统，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于同位素电源的无人充电系统，以解决上述现有技术存在的问题，将同位素电源应用于充电站供能，充分发挥了其环境适应性强、寿命长等优点，而且保证了充电系统与巡航设备的精准对接和对接稳定性，保证了电能的可靠传输。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于同位素电源的无人充电系统，包括：
同位素电源模块，所述同位素电源模块用于产生电能；
储能模块，所述储能模块能够对所述同位素电源模块产生的电能收集并储存；
充电模块，所述充电模块与所述储能模块连接，所述充电模块能够对待充电设备进行充电；
导引对接模块，所述导引对接模块能够实现对所述待充电设备的导引，并能够实现所述充电模块与所述待充电设备的对接固定；
无线通信存储模块，所述无线通信存储模块能够实现与所述待充电设备的信息交互；
控制模块，所述同位素电源模块、所述储能模块、所述充电模块、所述导引对接模块以及所述无线通信存储模块均与所述控制模块连接。
优选的，还包括主壳体，所述主壳体的底部安装于基座上，所述同位素电源模块、所述控制模块以及所述储能模块由下至上安装于所述主壳体内，所述充电模块通过安装支架安装于所述主壳体的侧壁顶部，所述无线通信存储模块安装于所述主壳体的顶部。
优选的，所述同位素电源模块包括同位素电源，所述同位素电源安装于电源壳体内，所述同位素电源连接有热电转换器，所述电源壳体上设置有屏蔽层和绝热层，所述电源壳体的外侧连接有散热翅片。
优选的，所述同位素电源采用热转换型放射性同位素电源。
优选的，所述储能模块采用超级电容器。
优选的，所述储能模块设置有两个，所述充电模块对应设置有两个，两个所述储能模块分别与两个所述充电模块连接。
优选的，所述充电模块采用无线充电模块，所述无线充电模块包括逆变电路、磁感线圈、磁芯和保护壳体，所述磁芯安装于所述保护壳体内，所述磁芯内缠绕有所述磁感线圈，所述待充电设备的磁芯内安装有与所述磁感线圈配套的接收线圈；所述磁感线圈与所述逆变电路连接，所述逆变电路与所述控制模块连接，所述接收线圈通过整流电路与所述待充电设备连接。
优选的，所述磁芯的上方还设置有缓冲保护垫。
优选的，所述导引对接模块包括惯性导航定位单元、超短基线定位单元、光引导对接单元和对接固定机构；
所述惯性导航定位单元安装于待充电设备上，所述惯性导航定位单元包括惯性导航仪、北斗定位模块和计程仪，所述北斗定位模块能够提供所述待充电设备的初始位置信息及进行位置校正，所述计程仪能够向所述惯性导航仪提供所述待充电设备的航行速度用于位置的实时推算；
所述超短基线定位单元包括发射换能器、应答器和接收基阵，所述发射换能器与所述接收基阵安装在所述待充电设备上，所述应答器安装于无人充电系统的主壳体上，所述发射换能器能够发出声脉冲，所述应答器收到所述发射换能器发出的声脉冲后，回发声脉冲，所述接收基阵能够根据收到的声信号得到所述无人充电系统的位置；
所述光引导对接单元包括光学传感器和指示灯，所述光学传感器安装于所述待充电设备上，所述指示灯安装于所述充电模块上，所述待充电模块利用所述光学传感器能够靠近所述指示灯，所述指示灯还能够显示电能储存状态；
所述对接固定机构安装于所述充电模块上，所述对接固定机构能够将所述待充电设备的接收端与所述充电模块对接固定。
优选的，所述控制模块包括2个电源管理子模块和3个控制单元，所述电源管理子模块对所述同位素电源模块的电能输出、所述储能模块的充放电进行管理，3个所述控制单元分别对无线充电、引导对接、数据传输指令进行响应和处理。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明基于同位素电源的无人充电系统充分利用同位素具有寿命长、能量密度高的优点，基于同位素设计的电源系统结构相对简单，拥有维护间隔长、环境适应性强、寿命长、安全性可靠性好等优势；本发明设置有导引对接模块，所述导引对接模块能够实现对所述待充电设备的导引，并能够实现所述充电模块与所述待充电设备的对接固定，保证了充电系统与巡航设备的精准对接和对接稳定性，从而保证了电能的可靠传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于同位素电源的无人充电系统的结构示意图；
图2为本发明基于同位素电源的无人充电系统的主视图；
图3为本发明基于同位素电源的无人充电系统的侧视图；
图4为本发明基于同位素电源的无人充电系统的仰视图；
图5为本发明基于同位素电源的无人充电系统的俯视图；
图6为本发明基于同位素电源的无人充电系统的爆炸示意图；
其中，1为基座，2为主壳体，3为散热翅片，4为安装支架，5为对接固定机构，6为磁芯，7为热电转换器，8为控制模块，9为储能模块，10为无线通信存储模块，11为应答器，12为缓冲保护垫，13为磁感线圈，14为指示灯，15为同位素电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于同位素电源的无人充电系统，以解决上述现有技术存在的问题，将同位素电源应用于充电站供能，充分发挥了其环境适应性强、寿命长等优点，而且保证了充电系统与巡航设备的精准对接和对接稳定性，保证了电能的可靠传输。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-6所示，本实施例提供一种基于同位素电源的无人充电系统，可以应用于不同环境，如陆地上或者水下，本实施例中优选应用于水下环境，无人充电系统主要包括：
同位素电源模块，所述同位素电源模块用于产生电能；
储能模块9，所述储能模块9能够对所述同位素电源模块产生的电能收集并储存；
充电模块，所述充电模块与所述储能模块9连接，所述充电模块能够对待充电设备进行充电；
导引对接模块，所述导引对接模块能够实现对所述待充电设备的导引，并能够实现所述充电模块与所述待充电设备的对接固定；
无线通信存储模块10，所述无线通信存储模块10能够实现所述待充电设备与无人充电系统之间的信息交互，接收控制指令和侦察数据，并发送给后方通信基站，同时具备就地存储功能；
控制模块8，所述同位素电源模块、所述储能模块9、所述充电模块、所述导引对接模块以及所述无线通信存储模块10均与所述控制模块8连接，通过控制模块8对上述各个模块进行控制。
在本实施例中，无人充电系统还包括主壳体2，所述主壳体2的底部安装于基座1上，所述同位素电源模块、所述控制模块8以及所述储能模块9由下至上安装于所述主壳体2内，所述充电模块通过安装支架4安装于所述主壳体2的侧壁顶部，所述无线通信存储模块10安装于所述主壳体2的顶部，无线通信存储模块10可以根据具体的工作需要从现有技术中进行选择，主壳体2的顶部还可以安装有保护罩，对无线通信存储模块10等进行保护。
在本实施例中，所述同位素电源模块包括同位素电源15，所述同位素电源15安装于电源壳体内，电源壳体的底部安装于基座1上，所述同位素电源15连接有热电转换器7，热电转换器7根据需要从现有技术中进行选择，放射性同位素在核衰变过程中产生热能传递到热电转换器7，由于转换单元高低温端存在温度差，通过热电效应原理产生电力驱动负载，所述电源壳体上设置有致密金属形成的屏蔽层和绝热层，在进行屏蔽和隔热的同时，对于电源自身还会起到很好的抗压抗腐蚀作用；所述电源壳体的外侧连接有散热翅片3，散热翅片3穿过主壳体2伸出到外界，能够将废热传递到周围环境。
在本实施例中，所述同位素电源15采用热转换型放射性同位素电源，同位素电源模块可以将放射性同位素的衰变热利用塞贝克效应直接转换成电能，是一种高生存力的致密能源。其中，热转换型放射性同位素电源根据需要进行选择，如选择钚-238电源和锶-90电源等，本实施例中优选锶-90电源，锶-90大量存在于乏燃料中，获取方便、价格相对便宜、衰变能较大(为β衰变)，半衰期周期较长(为28.6年)，锶-90电源由于存在较强的韧致辐射，需要较重的辐射屏蔽，100w的锶-90电源其重量往往达到500kg以上，而本实施例中无人充电系统可以坐沉水底，一定的重量反而会增强其在水底的稳定性。
在本实施例中，所述储能模块9采用超级电容器，超级电容器储能是依据双电层原理直接储存电能，介于常规电容器和电池之间，其充放电可逆性非常好，具有响应快、循环寿命长的优点，维护要求低；而且，所述储能模块9设置有两个，实现“闲时”储电、“忙时”供电，所述充电模块对应设置有两个，两个所述储能模块9的输出端分别连接两个无线充电模块，形成“一用一备”两条工作链路。
在本实施例中，所述充电模块采用无线充电模块，所述无线充电模块包括逆变电路、磁感线圈13、磁芯6和保护壳体，所述磁芯6(可以选用罐形磁芯)安装于所述保护壳体内，所述磁芯6内缠绕有所述磁感线圈13，所述待充电设备的磁芯内安装有与所述磁感线圈13配套的接收线圈；所述磁感线圈13与所述逆变电路连接，所述逆变电路与所述控制模块8连接，所述接收线圈通过整流电路与所述待充电设备连接。
在本实施例中，所述磁芯6的上方还设置有缓冲保护垫12，用于避免或者减缓对接过程中发射与接收两端可能发生的碰撞。
在本实施例中，所述导引对接模块主要包括惯性导航定位单元、超短基线定位单元、光引导对接单元和对接固定机构5等；
所述惯性导航定位单元安装于待充电设备上，应用于远程航渡阶段，所述惯性导航定位单元主要包括惯性导航仪(捷联惯性导航仪)、北斗定位模块和计程仪(多普勒计程仪)，所述北斗定位模块能够提供所述待充电设备的初始位置信息及进行位置校正，所述计程仪能够向所述惯性导航仪提供所述待充电设备的航行速度用于位置的实时推算，此一阶段误差较大，航渡至预置充电站1000米范围；
所述超短基线定位单元应用于中程靠近阶段，包括发射换能器、应答器11和接收基阵，考虑到无人充电系统的隐蔽性及自身低功耗的要求，所述发射换能器与所述接收基阵安装在所述待充电设备上，所述应答器11安装于无人充电系统的主壳体2顶部，所述发射换能器能够发出声脉冲，所述应答器11收到所述发射换能器发出的声脉冲后，回发声脉冲，所述接收基阵可根据收到的声信号测量出X、Y两个方向的相位差，并计算无人充电系统到接收基阵的距离，从而得到无人充电系统在平面坐标的位置和深度，实现中距离较准确定位，误差可控制在10-20米范围内；
所述光引导对接单元应用于近程对接阶段，主要包括光学传感器和指示灯14，采用光学对接技术，属于末端引导；所述光学传感器安装于所述待充电设备上，所述指示灯14安装于所述充电模块上，所述待充电模块利用所述光学传感器和相关图像处理算法能够靠近所述指示灯14(绿色状态)，实现精度不大于厘米级的定位；所述指示灯14采用红绿两种光源，还可实时显示电能储存状态，绿灯代表满电(80％以上)，红灯代表电能不足，待充电设备自动识别绿灯并对接，以保证充电的有效性；
所述对接固定机构5应用于对接固定阶段，所述对接固定机构5安装于所述充电模块上，用于对接后锁定电能接收端，能够将所述待充电设备的接收端与所述充电模块对接固定，保证对接稳定性，以保证无线充电的效率；其中，对接固定机构5采用爪型对接固定机构，包括多个卡爪，卡爪连接有驱动气缸，当待充电设备的电磁接收端与充电模块的电磁发射端充分贴近后，驱动气缸驱动卡爪启动，扣住待充电设备的接收端凹槽，使待充电设备的与充电模块保持稳定状态，对接完成，亦可以根据具体工作需要选择其它的对接固定结构。
在本实施例中，所述控制模块8采用多端口设计，负责整个系统的电能流转、分配以及控制信号响应，在同位素电源15输出、储电装置充电和放电、信息交互等过程均发挥作用；具体地，控制模块8主要包括2个电源管理子模块和3个控制单元，所述电源管理子模块对所述同位素电源模块的电能输出、所述储能模块9的充放电进行管理，3个所述控制单元分别对无线充电、引导对接、数据传输指令进行响应和处理。
本实施例中，无人充电系统外形尺寸不大于2m×2m×5m，尺寸较小，能够保证较强的隐蔽性；
本实施例中，锶-90热源初始装量不小于10kg，总活度不小于1.4×106Ci，同位素电源模块输出初始电功率达600w，该模块安全设计满足IAEA安全条例33《特定放射性同位素电源安全设计、结构与应用指导条例》的要求以及PNL(美国太平洋西北实验室)安全标准；
本实施例中，无线充电传输效率不低于80％，初始充电时间不大于6h；
本实施例中，能够实现待充电设备与充电模块的精准对接，对接过程耗时不超过1h，对接精度：发射和接收端间距不超过2cm。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：包括：
同位素电源模块，所述同位素电源模块用于产生电能；
储能模块，所述储能模块能够对所述同位素电源模块产生的电能收集并储存；
充电模块，所述充电模块与所述储能模块连接，所述充电模块能够对待充电设备进行充电；
导引对接模块，所述导引对接模块能够实现对所述待充电设备的导引，并能够实现所述充电模块与所述待充电设备的对接固定；
无线通信存储模块，所述无线通信存储模块能够实现与所述待充电设备的信息交互；
控制模块，所述同位素电源模块、所述储能模块、所述充电模块、所述导引对接模块以及所述无线通信存储模块均与所述控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：还包括主壳体，所述主壳体的底部安装于基座上，所述同位素电源模块、所述控制模块以及所述储能模块由下至上安装于所述主壳体内，所述充电模块通过安装支架安装于所述主壳体的侧壁顶部，所述无线通信存储模块安装于所述主壳体的顶部。
3.根据权利要求1所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述同位素电源模块包括同位素电源，所述同位素电源安装于电源壳体内，所述同位素电源连接有热电转换器，所述电源壳体上设置有屏蔽层和绝热层，所述电源壳体的外侧连接有散热翅片。
4.根据权利要求3所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述同位素电源采用热转换型放射性同位素电源。
5.根据权利要求1所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述储能模块采用超级电容器。
6.根据权利要求5所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述储能模块设置有两个，所述充电模块对应设置有两个，两个所述储能模块分别与两个所述充电模块连接。
7.根据权利要求1或6所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述充电模块采用无线充电模块，所述无线充电模块包括逆变电路、磁感线圈、磁芯和保护壳体，所述磁芯安装于所述保护壳体内，所述磁芯内缠绕有所述磁感线圈，所述待充电设备的磁芯内安装有与所述磁感线圈配套的接收线圈；所述磁感线圈与所述逆变电路连接，所述逆变电路与所述控制模块连接，所述接收线圈通过整流电路与所述待充电设备连接。
8.根据权利要求7所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述磁芯的上方还设置有缓冲保护垫。
9.根据权利要求1所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述导引对接模块包括惯性导航定位单元、超短基线定位单元、光引导对接单元和对接固定机构；
所述惯性导航定位单元安装于待充电设备上，所述惯性导航定位单元包括惯性导航仪、北斗定位模块和计程仪，所述北斗定位模块能够提供所述待充电设备的初始位置信息及进行位置校正，所述计程仪能够向所述惯性导航仪提供所述待充电设备的航行速度用于位置的实时推算；
所述超短基线定位单元包括发射换能器、应答器和接收基阵，所述发射换能器与所述接收基阵安装在所述待充电设备上，所述应答器安装于无人充电系统的主壳体上，所述发射换能器能够发出声脉冲，所述应答器收到所述发射换能器发出的声脉冲后，回发声脉冲，所述接收基阵能够根据收到的声信号得到所述无人充电系统的位置；
所述光引导对接单元包括光学传感器和指示灯，所述光学传感器安装于所述待充电设备上，所述指示灯安装于所述充电模块上，所述待充电模块利用所述光学传感器能够靠近所述指示灯，所述指示灯还能够显示电能储存状态；
所述对接固定机构安装于所述充电模块上，所述对接固定机构能够将所述待充电设备的接收端与所述充电模块对接固定。
10.根据权利要求1所述的基于同位素电源的无人充电系统，其特征在于：所述控制模块包括2个电源管理子模块和3个控制单元，所述电源管理子模块对所述同位素电源模块的电能输出、所述储能模块的充放电进行管理，3个所述控制单元分别对无线充电、引导对接、数据传输指令进行响应和处理。
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