CN109455283A - 一种应用于深海潜水器的电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于深海潜水器的电源系统，所述电源系统通过水密电缆为深海潜水器供电，所述电源系统包括封装有固体锂电池组的真空玻璃浮球，所述真空玻璃浮球包括主玻璃浮球、子玻璃浮球，子玻璃浮球通过水密电缆与主玻璃浮球、深海潜水器依次相连，本发明采用模块化设计，不用改变原有设备接口即可完成能源扩充，在补充能源时不用拆舱换电池，直接充电即可，使用及维护方便；水下质量能提供一种可满足深海潜水器长续航、高安全的要求的电源系统。
Description
技术领域
本发明涉及水下潜水器供电技术领域，尤其涉及一种应用于深海潜水器的电源系统。
背景技术
电源系统是深海潜水器的心脏，是衡量深海潜水器优越性的重要指标之一。深海潜水器所采用的电源系统通常为干式金属耐压舱电源系统或充油压力补偿式电源系统，对于干式金属耐压舱电源系统，电池组放置于耐压舱内，随着下潜深度的增加，耐压舱的厚度必须增加，这势必会降低潜水器的浮力，从而降低潜水器的带载能力。而充油压力补偿式电源系统，电池组直接浸泡在油里，受深海高压影响，可能使电池内部局部变形时，会引起电池短路，经过多次承压、膨胀、短路，电池存在燃烧、爆炸的危险。
目前深海潜水器所用到的蓄电池主要为铅酸电池、锌银电池及锂离子电池。铅酸电池比能量有限，体积庞大，大电流放电能力相对较差且会析出气体；锌银电池寿命较短，大功率使用一般只能用20～30次；采用有机电解液的锂离子电池，当发生过度充电或者内部短路等异常时，易挥发易燃的有机电解液可能会导致热失控，在3000米海深以下此问题更为凸显，发生爆炸等安全事件的概率增大。
此外，常规的电源系统根据深海潜水器功耗定制，设计时间长，模块化程度不高，不便于批量制造、成本较高，且采用多组电源并联供电时，往往需要深海潜水器提供相应数量的能源接口，可扩展性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于深海潜水器的电源系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种应用于深海潜水器的电源系统，所述电源系统通过水密电缆为深海潜水器供电，所述电源系统包括封装有固体锂电池组的真空玻璃浮球，所述真空玻璃浮球包括主玻璃浮球、子玻璃浮球，所述主玻璃浮球内腔中设有通电开关、电源管理电路板、电池夹具，所述电池夹具与主玻璃浮球内表面固定连接，所述固态锂电池组安装于电池夹具上，所述主玻璃浮球外表面上还设有第一连接端口、第二连接端口以及防水底座，所述防水底座内设有电源充电端口以及抽真空装置，所述固态锂电池组、第一连接端口、第二连接端口、电源充电端口、通电开关均与电源管理电路板电性连接，所述主玻璃浮球、子玻璃浮球之间通过水密电缆连接，所述子玻璃浮球的结构元件与主玻璃浮球一致。
优选的，所述防水底座设置于主玻璃浮球顶部，所述防水底座包括水密接头与防水盖，所述水密接头中设有电源充电端口以及抽真空装置，所述电源充电端口与电源管理电路板电性相连，所述防水盖与所述水密接头螺纹相连。
优选的，所述固态锂电池组内含有若干个单体固态锂电池，所述单体固态锂电池的正负极均与电源管理电路板电相连。
优选的，所述主玻璃浮球数量为一个，所述子玻璃浮球数量为若干个，所述主玻璃浮球的第一连接端口通过水密电缆与深海潜水器电相连，所述主玻璃浮球的第二连接端口通过水密电缆与一个子玻璃浮球的第二连接端口相连，该子玻璃浮球的第一连接端口通过水密电缆与下一个子玻璃浮球的第一连接端口相连。
优选的，所述水密电缆为8芯水密电缆，其中4芯用于电力传输，4芯用于信号传输。
优选的，所述充/放电管理芯片包括HM4063集成电路芯片、充电电路与放电电路，所述电源充电端口、充电电路、HM4063集成电路芯片、固态锂电池组依次电性相连，所述固态锂电池组、HM4063集成电路芯片、放电电路依次电性相连，所述放电电路输出端通过输电线与通电开关、第一连接端口依次电性相连，所述第二连接端口通过输电线与第一连接端口电性相连；
所述第一连接端口、第二连接端口还分别通过数据线与主控芯片信号相连，所述主控芯片还与霍尔电流传感器信号相连，所述霍尔电流传感器可对固态锂电池组输出的总电流进行监控；
所述单体电池监视芯片用于对固态锂电池组内的单个固态锂电池进行监控。
优选的，所述抽真空装置包括抽真空嘴、阀体、电动伸缩杆，所述阀体内腔一侧设有抽真空嘴，所述抽真空嘴下方设有气口，所述电动伸缩杆套接于阀体内，所述电动伸缩杆底部设有密封垫片与连接杆，所述连接杆底部设有硅橡胶堵头，所述硅橡胶堵头与气口大小一致，所述充/放电管理芯片与、压控开关、电动伸缩杆依次电相连，所述控制开关与电动伸缩杆电性相连。
优选的，所述主玻璃浮球两侧设有连接片，所述连接片上设有螺孔。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：
本发明提供的一种应用于深海潜水器的电源系统，将固态锂电池封装于多个真空玻璃浮球内，由于玻璃密度小于金属，较传统干式金属耐压舱电源系统，有效减少电源系统的水下重量，而且不需要充油补偿装置，避免深海高压对电池的影响，简化电源系统结构，减少对潜水器浮力的影响，从而提高潜水器的带载能力，玻璃浮球具备耐高压能力，满足潜水器的深海作业条件；
选用固态锂电池，较传统铅酸电池、锌银电池相比，能量密度高(达到250Wh/kg)，在相同电量下质量更轻、体积更小，且使用寿命更长，在多次针刺和挤压等苛刻测试条件下保持非常好的安全性能，有效克服了液态锂电池容易热失控的安全风险，可满足深海潜水器长续航、高安全的要求；
将多个真空玻璃浮球进行串联组合且组合后统一使用一个供电接口与潜水器能源接口连接，有效减少潜水器能源接口数量，组合过程方便快捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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优选实施例，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为本发明提供实施例提供的深海潜水器与主玻璃浮球、子玻璃浮球连接示意图；
图2为本发明实施例提供的主玻璃浮球内部示意图；
图3为本发明实施例提供的抽真空装置示意图；
图4为本发明实施例提供的水密接头与防水盖示意图；
图5为本发明实施例提供的电源管理电路板电路结构示意图。
图中，1-深海潜水器，2-主玻璃浮球，3-子玻璃浮球，4-第一连接端口，5-第二连接端口，6-固态锂电池组，7-电池夹具，8-电源管理电路板，9-防水底座，10-水密接头，11-防水盖，12-外壳，13-连接片，14-阀体，15-电动伸缩杆，16-连接杆，17-硅橡胶堵头，18-气口，19-密封垫片，20-压控开关，21-抽真空嘴，22-电源充电端口,23-水密电缆，24-玻璃半球，25-主控芯片，26-充/放电管理芯片，27-单体电池监视芯片，28-通电开关，29-充电电路，30-放电电路,31-控制开关。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1至图4，一种应用于深海潜水器的电源系统，所述电源系统通过水密电缆23为深海潜水器1供电，所述电源系统包括封装有固体锂电池组的真空玻璃浮球，所述真空玻璃浮球包括主玻璃浮球2、子玻璃浮球3，所述主玻璃浮球2内腔中设有通电开关28、电源管理电路板8、电池夹具7，所述电池夹具7与主玻璃浮球2内表面固定连接，所述固态锂电池组6安装于电池夹具7上，所述主玻璃浮球2外表面上还设有第一连接端口4、第二连接端口5以及防水底座9，所述防水底座9内设有电源充电端口22以及抽真空装置，所述固态锂电池组6、第一连接端口4、第二连接端口5、电源充电端口22、通电开关28均与电源管理电路板8电性连接，所述主玻璃浮球2、子玻璃浮球3之间通过水密电缆23连接，所述子玻璃浮球3的结构元件与主玻璃浮球2一致。
在本发明实施例中，主玻璃浮球2与子玻璃浮球3内部结构一致，功能一致，唯一区别在于，主玻璃浮球2直接与深海潜水器1电相连，用于向深海潜水器1供电，而子玻璃浮球3与主玻璃浮球2电相连，在主玻璃浮球2没电时，子玻璃浮球3可继续向深海潜水器1进行供电；下面以主玻璃浮球2为例对其结构与制作方法进行详细描述；
主玻璃浮球2由两个外径432mm，内径390mm的硼硅酸玻璃半球24组成，在半球内设置有采用聚甲醛材料制成的电池夹具7，固态锂电池组6可放置于电池夹具7上，电池夹具7可对固态锂电池组6进行固定，将固态锂电池组6与通电开关28、电源管理电路板8进行连接，并使两个玻璃半球24贴合，使用真空泵通过玻璃半球24上的抽真空装置将玻璃浮球内部抽至真空状态，在外压力作用下两个玻璃半球24紧密捏合，用密封胶带缠绕在玻璃半球24之间缝隙上，保证玻璃浮球水下密封性，由于玻璃密度小于金属，将固态锂电池组6封装于真空玻璃浮球内，较传统干式金属耐压舱电源系统，有效减少电源系统的水下重量，而且不需要充油补偿装置，简化电源系统结构，封装好的玻璃浮球使用聚乙烯材质的浮球保护外壳12包裹，防止玻璃浮球碰撞破裂；
深海潜水器1通过水密电缆23与主玻璃浮球2上的第一连接端口4相连，而主玻璃浮球2上的第二连接端口5通过水密电缆23与子玻璃浮球3上的第二电源输出口相连，子玻璃浮球3上的第一电源输出口又通过水密电缆23与下一个子玻璃浮球3的第一电源输出口相连，其中水密电缆23为8芯水密电缆23，其中4芯用于电力传输，4芯用于信号传输，深海潜水器1通过8芯水密电缆23中的4芯向主玻璃浮球2以及子玻璃浮球3传递信号，主玻璃浮球2以及子玻璃浮球3通过8芯水密电缆23中的另外4芯为深海潜水器1供电，通过上述连接方式，可设置多个子玻璃浮球3为深海潜水器1供电，提高深海潜水器1的续航能力，实现深海潜水器1的电源系统的组合连接。
具体的，在玻璃浮球顶部设有防水底座9，防水底座9包括水密接头10与防水盖11，水密接头10为圆柱腔体，腔体中设有电源充电端口22以及抽真空装置，将外界电源通过输电线与电源充电端口22相连，可为玻璃浮球内的固态锂电池组6充电，而抽真空装置包括抽真空嘴21、阀体14、电动伸缩杆15，所述阀体14内腔一侧设有抽真空嘴21，所述抽真空嘴21下方设有气口18，所述抽真空嘴21、阀体14、气口18均两两相通，所述气口18与玻璃浮球内腔相通，所述电动伸缩杆15套接于阀体14内，所述电动伸缩杆15底部设有密封垫片19与连接杆16，所述连接杆16底部设有硅橡胶堵头17，所述硅橡胶堵头17与气口18大小一致，所述阀体14外顶部设有压控开关20与控制开关31，所述压控开关20与电源管理电路板8电相连，且所述压控开关20可控制电动伸缩杆15的开启/关闭，所述控制开关31对电动伸缩杆15的上升或下降进行控制，
将抽真空嘴21与压控开关20、电源充电端口22设置于水密接头10外顶部表面，可方便科研人员进行操作，在需要抽气时，将真空泵与抽真空嘴21相连，通过真空泵将玻璃浮球内的空气从抽真空嘴21内抽出，待球体内部成为真空状态时，科研人员按压压控开关20，启动电动伸缩杆15，双击控制开关31，使阀体14内的电动伸缩杆15向下运动，带动堵头17向下运动，最终使堵头17深入气口18中，硅橡胶堵头17可很好的封堵气口18，达到良好的气密性，而电动伸缩杆15上的密封垫片19可封堵电动伸缩杆15与气口18的缝隙，达到双重气密的效果，而防水盖11与水密接头10螺纹相连，在防水盖11放置于水密接头10上时，能为水密接头10提供良好的防水效果，避免抽真空嘴21与压控开关20、电源充电端口22受到海水侵泡。
具体的，所述控制开关31为双击双控开关，按压一次控制开关31时，电动伸缩杆上升，按压两次控制开关31时，电动伸缩杆下降，当断开压控开关20时，电动伸缩杆15不进行动作。
具体的，所述固态锂电池组6内含有若干固态锂电池，且固态锂电池的正负极均与电源管理电路板8电相连，电源管理电路板8为设有若干接口的PCB电路板，所述固态锂电池的正负极均接入PCB电路板中，所述PCB电路板上设有主控芯片25、单体电池监视芯片27、充/放电管理芯片26以及保护电路，以主玻璃浮球2的电源管理电路板8为例进行说明：
参见图5，所述充/放电管理芯片26包括HM4063集成电路芯片、充电电路29与放电电路30，电源充电端口22通过输电线与充电电路29相连，而充电电路29接入充/放电管理芯片26中，而充/放电管理芯片26与固态锂电池组6相连，充/放电管理芯片26可对固态锂电池充电过程进行管理，使固态锂电池组6实现高压/低压保护、短路保护与过流保护；
同时固态锂电池组6、充/放电管理芯片26、放电电路30依次串联，构成闭合回路，充/放电管理芯片26可对固态锂电池组6输出的电流进行分配，放电电路30有两路输出，其中一路与压控开关20相连，在接通压控开关20后，放电电路30可为抽真空装置中的电动伸缩杆15提供电能，放电电路30的另一路输出与通电开关28、第一连接端口4依次电性相连，而通电开关28与主控芯片25信号相连，主控开关可启动/关闭通电开关28，在启动通电开关28后，固态锂电池组6输出的电流通过第一连接端口4输出至深海潜水器1，实现为深海潜水器1供电，而第二连接端口5通过输电线与与第一连接端口4电相连，在主玻璃浮球2的固态锂电池没电时，子玻璃浮球3中输出的电流可通过主玻璃浮球2的第二连接端口5传输至主玻璃浮球2的第一连接端口4，并最终传递至深海潜水器1，继续为深海潜水器1供电；
根据上述连接方式，本领域人员可自由设置子玻璃浮球3中的第一连接端口4或第二连接端口5为子玻璃浮球3中放电电路30的输出端口，同时充电电路29与放电电路30均为现有技术，所以本实施例没有进行详细描述。
参见图5，主控芯片25采用ARM的32位芯片STM32F429IGT6,该芯片的主频为180MHz,具有3个12位ADC以及140个通用I/O口等配置,有强大的数据处理能力,较好的稳定性及较强的抗干扰能力，为了保证测量精度高、线性度好，选用了灵敏度为20mV/A,测量范围为-100～+100A的霍尔电流传感器ACS758LCB-100B，对固态锂电池组6输出的总电流进行监控，同时主控芯片25分别与第一连接端口4、第二连接端口5通过数据线实现数据互连，第一连接端口4接入的8芯水密电缆23中的4芯通过数据线与主控芯片25相连，通过上述连接方式，深海潜水器1中的上位机可对主控芯片25发送控制指令以及可接收主控芯片25发送的监控信息，主控芯片25又通过数据线与第二连接端口5接入的8芯水密电缆23中的4芯相连，此时主控芯片25为信号中继器，可将深海潜水器1中的上位机发送的控制指令继续发给子玻璃浮球3中的主控芯片25，还可将子玻璃浮球3中的主控芯片25的监控信息发送至深海潜水器1中的上位机，深海潜水器1可实现对每个玻璃浮球内的固态锂电池组6的放电控制以及放电过程监控。
参见图5，同时主控芯片25与通电开关28信号相连，通电开关28可为电磁继电器或其它电力控制开关，当需要对深海潜水器1进行供电时，深海潜水器1优先对主玻璃浮球2中的主控芯片25发出控制指令，主控芯片25通过该控制指令打开通电开关28，接通通电开关28后，在充/放电管理芯片26的管理下，固态锂电池组6向外放电，所输出的电流通过与主玻璃浮球2中第一连接端口4相连的水密电缆2323为深海潜水器1供电。
所述单体电池监视芯片27为LTC6804电池监测芯片，该芯片可监视12个单体固态锂电池，为了实现对固态锂电池组6内单体固态锂电池的的监控，特采用三片单体电池监视芯片27实现对固态锂电池组6中全部单体固态锂电池的监控，所获得监控状态信息可发送至主控芯片25，再由主控芯片25发送至位于深海潜水器1上的上位机。
具体的，所述玻璃浮球两侧设有连接片13，所述连接片13上设有螺孔，螺栓可穿过螺孔将深海潜水器1与主玻璃浮球2、子玻璃浮球3进行连接与固定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于深海潜水器的电源系统，所述电源系统通过水密电缆为深海潜水器供电，其特征在于，所述电源系统包括封装有固体锂电池组的真空玻璃浮球，所述真空玻璃浮球包括主玻璃浮球、子玻璃浮球，所述主玻璃浮球内腔中设有通电开关、电源管理电路板、电池夹具，所述电池夹具与主玻璃浮球内表面固定连接，所述固态锂电池组安装于电池夹具上，所述主玻璃浮球外表面上还设有第一连接端口、第二连接端口以及防水底座，所述防水底座内设有电源充电端口以及抽真空装置，所述固态锂电池组、第一连接端口、第二连接端口、电源充电端口、通电开关均与电源管理电路板电性连接，所述主玻璃浮球、子玻璃浮球之间通过水密电缆连接，所述子玻璃浮球的结构元件与主玻璃浮球一致。
2.根据权利要求1所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述防水底座设置于主玻璃浮球顶部，所述防水底座包括水密接头与防水盖，所述水密接头中设有电源充电端口以及抽真空装置，所述电源充电端口与电源管理电路板电性相连，所述防水盖与所述水密接头螺纹相连。
3.根据权利要求1所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述固态锂电池组内含有若干个单体固态锂电池，所述单体固态锂电池的正负极均与电源管理电路板电相连。
4.根据权利要求1所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述主玻璃浮球数量为一个，所述子玻璃浮球数量为若干个，所述主玻璃浮球的第一连接端口通过水密电缆与深海潜水器电相连，所述主玻璃浮球的第二连接端口通过水密电缆与一个子玻璃浮球的第二连接端口相连，该子玻璃浮球的第一连接端口通过水密电缆与下一个子玻璃浮球的第一连接端口相连。
5.根据权利要求1所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述水密电缆为8芯水密电缆，其中4芯用于电力传输，4芯用于信号传输。
6.根据权利要求2任一项所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述电源管理电路板为设有若干接口的PCB电路板，所述单体固态锂电池的正负极分别与PCB电路板的接口相接，所述PCB电路板上设有主控芯片、单体电池监视芯片、充/放电管理芯片，所述单体电池监视芯片、通电开关均与所述主控芯片信号相连。
7.根据权利要求6所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述充/放电管理芯片包括HM4063集成电路芯片、充电电路与放电电路，所述电源充电端口、充电电路、HM4063集成电路芯片、固态锂电池组依次电性相连，所述固态锂电池组、HM4063集成电路芯片、放电电路依次电性相连，所述放电电路输出端通过输电线与通电开关、第一连接端口依次电性相连，所述第二连接端口通过输电线与第一连接端口电性相连；
所述第一连接端口、第二连接端口还分别通过数据线与主控芯片信号相连，所述主控芯片还与霍尔电流传感器信号相连，所述霍尔电流传感器可对固态锂电池组输出的总电流进行监控；
所述单体电池监视芯片用于对固态锂电池组内的单个固态锂电池进行监控。
8.根据权利要求7所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述抽真空装置包括抽真空嘴、阀体、电动伸缩杆，所述阀体内腔一侧设有抽真空嘴，所述抽真空嘴下方设有气口，所述电动伸缩杆套接于阀体内，所述电动伸缩杆底部设有密封垫片与连接杆，所述连接杆底部设有硅橡胶堵头，所述硅橡胶堵头与气口大小一致，所述阀体外顶部设有压控开关与控制开关，所述充/放电管理芯片与、压控开关、电动伸缩杆依次电相连，所述控制开关与电动伸缩杆电性相连。
9.据权利要求1所述的一种应用于深海潜水器的电源系统，其特征在于，所述主玻璃浮球两侧设有连接片，所述连接片上设有螺孔。
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