CN108988449B - 一种应用于水下航行器的海底电站系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于水下航行器的海底电站系统，包括电站底座，于所述电站底座上分别布置用于将海底电缆中电能变换为交流电或直流电的充油耐压变电装置及用于向用电设备进行配电的充油耐压配电装置，所述充油耐压配电装置的对外接口分别为湿插拔接口、无线充电接口，在所述电站底座上布置带有声学定位信标的导引架，于所述电站底座及导引架上还布置多个用于精准引导水下航行器的光学引导设备，在所述电站底座上还布置用于与充电对象通信的水声通信换能器。本发明可以实现在海底对水下航行器提供电力补给，极大地减少水下航行器往返水面的频次，显著延长了作业时间，扩大了作业半径，提高了作业效能。

Description

一种应用于水下航行器的海底电站系统
技术领域
本发明涉及海底电站领域，尤其涉及一种用于为水下航行器的可充电电池提供中继供电的海底电站系统。
背景技术
水下航行器是可长期潜入水下，依靠自带能源、自主推进、遥控或自主控制，通过配置任务载荷执行作战或作业任务，能回收和反复使用的潜器。它可以携带多种传感器、专用设备或武器，已经被广泛应用于科学考察、深海作业、打捞救生等领域，或者执行特殊的使命和任务等，在军事、科学、经济等领域都具有十分重要的战略地位。目前水下航行器的主要发展技术为不依赖母船供电后，应保证水下航行器具有较大的水下续航力的能源技术。能源动力问题一直是水下航行器发展中的一个瓶颈，是制约其各种性能发展的关键因素。目前多数水下航行器采用电动力，电能来自所携带的电池组，容量有限，需频繁往返水面充电，工作效能低。因此，迫切需要在海底发展就近电力补给技术。
发明内容
本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种应用于水下航行器的海底电站系统，其可用于为水下航行器的可充电电池提供中继供电，增加其续航能力，减少水下航行器的运行维护。
本发明所采用的技术方案如下：
一种应用于水下航行器的海底电站系统，包括电站底座，于所述电站底座上分别布置用于将海底电缆中电能变换为交流电或直流电的充油耐压变电装置及用于向用电设备进行配电的充油耐压配电装置，所述充油耐压配电装置的对外接口分别为湿插拔接口、无线充电接口，在所述电站底座上布置带有声学定位信标的导引架，于所述电站底座及导引架上还布置多个用于精准引导水下航行器的光学引导设备，在所述电站底座上还布置用于与充电对象通信的水声通信换能器。
其进一步技术特征在于：
所述充油耐压变电装置包括互相串联的取电单元、变压模块及整流模块；
所述充油耐压配电装置包括用于接受充油耐压变电装置输送电能的配电单元，所述配电单元的输出端分别与充电单元和无线充电单元电连接，所述充电单元和无线充电单元均由站体监控单元监控；
所述声学定位信标分别布置于电站底座的角部及各导引架围合形成的带开口框架的角部；
所述光学引导设备由具有不同颜色的水下灯构成；
所述站体监控单元还分别与声学定位信标、水声通信换能器及光学引导设备电连接；
所述无线充电单元为电磁感应式、磁谐振式中的任意一种。
本发明的有益效果如下：
本发明可以实现在海底对水下航行器提供电力补给，极大地减少水下航行器往返水面的频次，显著延长了作业时间，扩大了作业半径，提高了作业效能。
本发明通过配置变电模块和配电模块，通过输出切换可以灵活输出各种电制，满足多种水下航行器的充电需求，同时提供有线与无线两种充电方式，广泛匹配水下航行器，本发明中配电和变电装置均采用充油耐压结构，其减少了热量局部积聚，有利于散热，提高可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中充油耐压变电装置和充油耐压配电装置的组成示意图。
其中：1、充油耐压变电装置；11、取电单元；12、变压模块；13、整流模块；2、充油耐压配电装置；21、配电单元；22、站体监控单元；23、充电单元；24、无线充电单元；3、湿插拔接口；4、无线充电接口；5、声学定位信标；6、水声通信换能器；7、光学引导设备；8、导引架；9、电站底座。
具体实施方式
下面说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，一种应用于水下航行器的海底电站系统包括电站底座9，于电站底座9上分别布置用于将海底电缆中电能变换为交流电或直流电的充油耐压变电装置1及用于向用电设备进行配电的充油耐压配电装置2，充油耐压配电装置2的对外充电接口分别为湿插拔接口3、无线充电接口4，该无线充电接口4为水密的无线充电线圈。在电站底座9上布置带有声学定位信标5的导引架8，于电站底座9及导引架8上还布置多个用于精准引导水下航行器的光学引导设备7，在电站底座9上还布置用于与充电对象通信的水声通信换能器6。上述声学定位信标5分别布置于电站底座9的角部及导引架8围合形成的带开口框架的角部。光学引导设备7由具有不同颜色的水下灯构成，通过无人水下航行器的摄像头及图像识别程序，对水下航行器进行近距离精确引导。
如图2所示，充油耐压变电装置1包括互相串联的取电单元11、变压模块12及整流模块13。如图2所示，取电单元11从海底供电电缆中获取电能，变压模块12与整流模块13根据供电或充电接口及本发明的用电需求，将海底电缆提供的电能变换为直流电或交流电。
上述充油耐压配电装置2包括用于接受充油耐压变电装置1输送电能的配电单元21，配电单元21内部包含的输出切换模块可灵活地输出各种电制，满足多种水下航行器的充电需求。配电单元21的输出端分别与充电单元23和无线充电单元24电连接，由于配电单元21的内部预设多种变电模块，因此其输出电制可为直流或交流、其充电方式可为有线或无线方式，因此充电单元23可以采用直流电或交流电方式，无线充电单元24也可采用直流电或交流电方式。充电单元23和无线充电单元24均由站体监控单元22监控。充电单元23根据预先设定的程序或接受站体监控单元22的控制指令，在一定范围内调节充电电压和电流，满足被充电对象的充电需求。无线充电单元24根据预先设定的程序或接受站体监控单元22的控制指令，在一定范围内调节充电电压及电流，满足被充电对象的充电需求。
如图2所示，本发明中站体监控单元22还分别与声学定位信标5、水声通信换能器6及光学引导设备7电连接。本发明中湿插拔接口3主要针对具有湿插拔能力的水下航行器，并提供有线充电方式。本发明中声学定位信标5的作用有两个，其一是在水面船布放水下航行器之前，通过水面船的声学定位系统可以精确定位到本发明在海底的位置，获取精确坐标，预先在水下航行器的导航程序中设置本发明中电站底座9的坐标，便于水下行器根据自身导航系统航行至本发明坐标位置；其二是水下航行器自身导航系统存在误差，当水下航行器航行至预定坐标位置时，通过水下航行器的声学定位系统(如超短基线)对本发明中的声学定位信标5进行准确定位，引导水下航行器航行至本发明附近。本发明中站体监控单元22获取通信信息并发出应答信息，根据水声通信换能器6的通信信息开启或关闭充电单元23和无线充电单元24、开启或关闭光学引导设备7、调节充电电压电流等。
利用本发明进行有线充电的具体工作流程如下：
由于本发明安装有声学定位信标5，水面船通过超短基线或者长基线等声学定位系统定位到安装有声学定位信标5的本发明的准确位置。当需要充电的外部设备是具有湿插拔能力的载人潜水器时，潜航员根据预先获知的本发明位置，将载人潜水器驾驶至本发明附近，通过声学定位系统准确定位声学定位信标5，并引导载人潜水器准确航行至本发明位置处，当到达合适充电位置时操纵机械手，将潜水器的湿插拔充电电缆接头接至本发明的湿插拔接口3上，从而完成潜水器与本发明的充电连接，必要时潜水器通过水声通信与本发明进行通信，根据通信实施充电控制程序。
利用本发明进行无线充电的工作流程如下：
如图1、图2所示，水下航行器事先将拟航行海域内本发明的位置信息录入自身导航系统，在需要充电时自主航行至本发明附近，通过自带的超短基线或其他声学定位系统精确地定位到安装有声学定位信标5的本发明的位置，水下航行器遵循路线行驶至本发明，然后水下航行器通过自身水声通信设备与本发明通信，本发明中站体监控单元22接收指令并开启光学引导设备7，水下航行器自带的高清摄像头通过近距离实时识别光学引导设备7，从而驶入导引架8内，并靠近无线充电接口4。
在水下航行器的对接及充电过程中，通过水声通信换能器6完成通信，例如：与外部需充电设备通信其充电方式(无线充电方式、有线充电方式)，并通过站体监控单元22控制配电单元21。水下航行器即将靠近本发明时，发出信号给本发明，通过站体监控单元22控制光学引导设备7开启(例如开启灯光)，使水下航行器完成近距离图像识别。水声通信换能器6接收水下航行器准备充电的信号，发出信号给站体监控单元22控制无线充电单元24打开，通过无线充电接口4对水下航行器充电，充电完成后无线充电单元24关闭，水下航行器驶离本发明，然后发出信号给站体监控单元22关闭光学引导设备7。
关于无线充电单元24，因为电能在水下的传输机理不同，又可分为电磁感应式、电容式、磁谐振式和电波式这几类，由于受传输距离、功率等级以及平均传输效率等因素的影响，在海底可能得到应用的是电磁感应式和磁谐振式，其中由于磁谐振式传输距离更远，对无线充电位置的精确导引要求相对较低，在海底(尤其是深海领域)有更好的优势前景，因此无线充电单元24优选设置为磁谐振式。
本发明可以实现在海底对水下航行器提供电力补给，极大地减少水下航行器往返水面的频次，显著延长了作业时间，扩大了作业半径，提高了作业效能。
本发明通过配置变电模块和配电模块，通过输出切换可以灵活输出各种电制，满足多种水下航行器的充电需求，同时提供有线与无线两种充电方式，广泛匹配水下航行器，本发明中配电和变电装置均采用充油耐压结构，其减少了热量局部积聚，有利于散热，提高可靠性。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种应用于水下航行器的海底电站系统，其特征在于：包括电站底座（9），于所述电站底座（9）上分别布置用于将海底电缆中电能变换为交流电或直流电的充油耐压变电装置（1）及用于向用电设备进行配电的充油耐压配电装置（2），所述充油耐压配电装置（2）的对外接口分别为湿插拔接口（3）、无线充电接口（4），在所述电站底座（9）上布置带有声学定位信标（5）的导引架（8），于所述电站底座（9）及导引架（8）上还布置多个用于精准引导水下航行器的光学引导设备（7），在所述电站底座（9）上还布置用于与充电对象通信的水声通信换能器（6）；
所述充油耐压配电装置（2）包括用于接受充油耐压变电装置（1）输送电能的配电单元（21），所述配电单元（21）的输出端分别与充电单元（23）和无线充电单元（24）电连接，所述充电单元（23）和无线充电单元（24）均由站体监控单元（22）监控；
所述声学定位信标（5）分别布置于电站底座（9）的角部及各导引架（8）围合形成的带开口框架的角部；所述光学引导设备（7）由具有不同颜色的水下灯构成；所述站体监控单元（22）还分别与声学定位信标（5）、水声通信换能器（6）及光学引导设备（7）电连接。
2.如权利要求1所述的一种应用于水下航行器的海底电站系统，其特征在于：所述充油耐压变电装置（1）包括互相串联的取电单元（11）、变压模块（12）及整流模块（13）。
3.如权利要求1所述的一种应用于水下航行器的海底电站系统，其特征在于：所述无线充电单元（24）为电磁感应式、磁谐振式中的任意一种。
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