CN113636055B - 多模态可更换式水上能源补给运输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多模态可更换式水上能源补给运输系统，其包括一个无动力的、含有能源接收单元的母体船，与母体船通过机械结构进行锁止连接的一个或多个结构相同的、可提供动力和能源的能源补给子船，及进行整体控制的控制系统，所述控制系统通过中央控制器、第一通信控制模块及第二通信控制模块实现母体船和多级能源补给子船的控制。本发明具有便捷的能源补给方式和多样式的动力输出，续航能力强、适应性强、经济实用、安全性高且节能环保。

Description

多模态可更换式水上能源补给运输系统

技术领域

本发明涉及水上能源补给型运输设备的技术领域。

背景技术

随着世界各国对环境保护意识的提高，越来越多的交通运输领域正进行着以清洁能源代替传统的化石油能源的革命。客轮作为水上观光的主要交通方式，其排放清洁化对环境保护也十分重要。然而，由于目前的电池技术在大功率长续航方面还存在瓶颈，使得以动力电池为驱动方式的船舶存在动力不足、无法实现远距离航行等多种问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有便捷的能源补给方式和多样式的动力输出、续航能力强、适应性强、经济实用、安全性高且节能环保的多模态可更换式水上能源补给运输系统，其能有效解决现有技术中船舶远距离航行和动力不足的问题，使运输系统在续航和动力输出方面得到保障。

本发明的技术方案如下：

多模态可更换式水上能源补给运输系统，其包括：一个无动力式母体船，一个或多个结构相同的、提供动力和能源的能源补给子船，对所述母体船及所述能源补给子船进行整体控制的控制系统；其中，所述母体船含有能源接收单元和第一锁止连接件，所述能源补给船含有能源供给单元、动力供给单元、锁止接收件和第二锁止连接件；所述第一锁止连接件或所述第二锁止连接件可与所述锁止接收件组成完整的锁止机构；所述控制系统包括设置于所述母体船上的中央控制器、控制所述能源接收单元的能源接收控制器、控制所述第一锁止部件锁止状态的第一电磁阀及与所述中央控制器、所述能源接收控制器、所述第一电磁阀电相连的第一通信控制模块，和设置于所述能源补给子船上的控制所述动力供给单元的动力供给控制器、控制所述第二锁止连接件锁止状态的第二电磁阀及与所述动力供给控制器、所述第二电磁阀及所述第一通信控制模块进行电连接的第二通信控制模块。

根据本发明的一些优选实施方式，所述母体船包括由船头、船身、船尾及位于船身内的船舱形成的本体，其船尾设置有朝向其船头方向凹陷的第一凹槽，所述第一锁止连接件及所述能源接收单元设置于所述第一凹槽内；所述能源补给子船包括由其船身形成的本体，该本体的头部含有可插入所述第一凹槽内的凸起、尾部含有朝向其头部凹陷的第二凹槽，所述锁止接收件设置于所述凸起的两侧，所述第二锁止连接件设置于所述第二凹槽内。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第一凹槽与所述第二凹槽具有相同的结构，所述第一锁止连接件与所述第二锁止连接件具有相同的结构，其中，所述锁止连接件由固定设置于所述凹槽的两侧壁上的、可进行相对的、水平伸缩的锁舌形成；所述锁止接收件由可供所述锁舌嵌入的、位于所述凸起的两侧的卡槽形成。

根据本发明的一些优选实施方式，所述能源补给子船的动力供给单元包括设置于其本体尾部两侧的螺旋桨和驱动所述螺旋浆的永磁同步电机，所述永磁同步电机一端与所述能源供给单元中的能源装置经逆变器电相连。

根据本发明的一些优选实施方式，所述能源接收单元包括设置于所述第一凹槽上内壁的、可进行竖向伸缩的供电枪，所述能源补给子船的本体的头部还含有可供所述供电枪伸缩插入的充放电口，所述充放电口与所述能源供给单元电相连。

根据本发明的一些优选实施方式，所述充放电口内设有与第三电磁阀相连的第三锁止连接件，所述供电枪上对应设置有与所述第三锁止连接件配合的锁止接收件。

根据本发明的一些优选实施方式，所述充放电口含有喇叭形开口。

根据本发明的一些优选实施方式，所述供电枪通过曲柄连杆机构与所述永磁同步电机相连。

根据本发明的一些优选实施方式，所述供电枪内部含有：三根交流电源线，一根中线，一根保护接地线以及两根控制线；其中，所述三根交流电源线和中线分别参与形成两条通路，其中一路与本船体的动力供给单元或用电器件连通，另一路与连接船体的动力供给单元连通；所述保护接地线直接接地，所述两根控制线形成CAN总线形式的信号传输线，分别与本船体或连接船体的控制器件连通。

根据本发明的一些优选实施方式，所述控制系统中，所述第一通信控制模块与所述中央控制器、所述第一锁止连接件中的电磁阀、及其所述供电枪的开关控制器通过其所述供电枪内的一控制线电相连，所述第一通信控制模块进一步通过其所述供电枪内的另一控制线与设置于所述能源补给子船内的第二通信控制模块电相连，该第二通信控制模块通过其所述供电枪内的一控制线与该能源补给子船的所述动力供给单元中的永磁同步电机、其所述供电枪的开关控制器、所述第二锁止连接件的电磁阀、所述第三锁止连接件的电磁阀、所述能源供给单元中的所述管理系统电相连。

本发明具备以下有益效果：

本发明所述的母体船后可接数个补给子船，依次使用其后的子船推进，无需更换补给，节省了时间，保障了安全。

在一些具体实施方式中，本发明的母体船和补给子船可通过设置于其凹槽两侧槽壁上的锁舌迅速和补给子船的卡槽连接，固定补给子船的水平相对位置，并同时实现供电枪和充放电口的对准连接，操作方便。

本发明所述的母体船和补给子船的凹槽上方的供电枪可根据后接补给子船充电口的高度进行上下伸缩调节，以便于母体船和子船之间的动力连接。供电枪头部的锁扣可实现供电枪和充电口快速连接，并在需要断开时通过电磁阀控制使锁扣快速松开。

本发明的运输系统中，母体船自身不配备电力源，其船上的用电全部来自补给子船，并依靠子船的推进动力前进，可有效增大母船舱体的空间。

本发明的运输系统中，航行时无需在水上换电，子船之间可脱钩分离的设计也能避免因末级子船故障造成瘫船事故而耽误船期。

本发明的运输系统中，所述能源补给子船表现为多模态式的补给船舶，其可由诸如动力锂电池、清洁燃料电池或者是多能源复合电源等多种形式进行能源供给，良好的兼容性也提升了此种船舶的适应性。

本发明的运输系统中，所述母体船和能源补给子船在嵌入和脱离过程中，全部由机械机构实现自动锁止和受控脱离，整体实现自动化操作，可降低人员操作带来的隐患。

附图说明

图1为一种具体的补给运输系统的整体结构斜视示意图。

图2为一种具体的补给运输系统的整体结构的俯视示意图。

图3为一种具体的补给运输系统中的凹槽的结构示意图。

图4为一种具体的补给运输系统中的补给子船的结构示意图。

图5为一种具体的补给运输系统中的供电枪的结构示意图。

图6为一种具体的补给运输系统中的供电枪连接结构示意图。

图7为一种具体的补给运输系统中的供电枪底座的曲柄连杆机构示意图。

图8为一种具体的补给换电模式框图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

基于本发明的技术方案，一种具体的多模态可更换式水上能源补给运输系统可包括一个母体船、多个能源补给子船及控制系统，在一个更具体的实施例中，参照图1，该运输系统包括母体船1和与该母体船尾部依次相连的2条能源补给子船2，所述母体船1不含有动力源及推进设备，其所需生活用电和推进动力全部由补给子船2提供。

进一步的，参照图2～3，所述母体船1包括本体，其本体尾部含有向内(即朝向船头方向)凹陷的凹槽，设置于凹槽内的、用于与所述能源补给子船2进行接合的第一电磁锁止连接件，及设置于凹槽上内壁的、可进行竖向伸缩的供电枪1-2，其中供电枪1-2可优选为底部固定于凹槽内壁上的实施方式。

进一步，所述第一电磁锁止连接件包括设置于所述凹槽的两侧壁上的、可进行水平伸缩的第一锁舌1-1，和与所述第一锁舌1-1相连的电磁阀，在实际使用时，通过能源补给子船2的碰撞挤压锁舌1-1，可使其先缩回、后弹出实现锁止，在解锁时，再通过电磁阀控制锁舌1-1进行缩回。

进一步，参照图4，一种具体的能源补给子船2包括本体和能源供给单元，其中，所述能源供给单元包括能源装置如动力锂电池、清洁燃料电池、内燃发电机等不同形式的能源中的一种或多种，及与之配套的电池管理系统；其本体的结构包括：能够插入母体船1船尾的凹槽内并与之嵌合的凸起的头部，在该头部两侧的两个可与第一电磁锁止连接件中的锁舌1-1形成完整的锁止机构、以实现补给子船2水平固定的卡槽2-1、即所述锁止接收件，在其尾部含有供其他同形态的能源补给子船接合用的、朝向头部凹陷的凹槽，优选的，该凹槽与母体船1船尾的凹槽结构、形态相同，即该凹槽也设有类似的供电枪及电磁锁止连接件、即第二电磁锁止连接件；优选的，所述卡槽2-1为在所述头部两侧从下至上的竖向凹槽；其动力供给单元包括设置于本体尾部两侧的螺旋桨2-3和驱动螺旋浆2-3的两个永磁同步电机，永磁同步电机与能源供给单元中的能源装置可经逆变器相连。

进一步的，参照图5-6，设置于母体船1或子船2上供电枪1-2包括柱状枪体单元，由多节柱状枪体单元组成供电枪的可伸缩枪体，其最下节的枪体头部附近设置有可与第三锁止连接件的锁舌2-5配合的卡槽1-3，其内部设有七根导线，具体包括三根交流电源线L1、L2、L3，一根中线N，一根接地线PE和两根控制线CC及CP，其中三根交流电源线L1、L2、L3和中线分别参与形成两条通路，其中一路与本船体的动力供给单元或用电器件连通，另一路与连接船体的动力供给单元连通；地线PE直接接地，两根控制线CC和CP形成CAN总线形式的信号传输线，分别与本船体或连接船体的控制器件连通，即该信号传输线可作为整个系统的主干通信线，搭载其他相关控制设备如各电磁阀、控制器等进行信号传输。

优选的，交流电源线经交直流转换器后与动力供给单元连通。

进一步的，所述补给子船2的本体上还设有至少一个可供所述供电枪1-2的枪体插入的实现充、放电的充电口2-2，充电口内可进一步设置第三锁止连接件，如锁舌2-5，通过锁舌2-5与供电枪上的卡槽1-3配合，实现供电枪1-2与充电口2-2的锁紧。

优选的，锁舌2-5后接与所述控制线电相连的电磁阀。

进一步的，充电口2-2内部还存在与供电枪交流电源线L1、L2、L3相接通后经交直流转换模块与能源供给单元中的电池相连的电路，该电池对应的管理系统搭载至供电枪1-2的控制线CC或CP上。

优选的，所述充电口2-2的具有喇叭形的开口，用于引导供电枪1-2与充电口2-2的对准。

进一步的，参照图7，所述供电枪1-2的枪体底部还可设置一曲柄1-4，该曲柄1-4和供电枪枪体之间用连杆1-5连接，形成曲柄连杆机构，曲柄中心与动力供给单元中的永磁同步电机的输出轴相连，该电机进一步搭载至所述控制线上，则该供电枪的伸缩可通过电机的正反转带动曲柄连杆机构来实现。

进一步的，参照图8，所述控制系统包括设置于母体船1的船体内部的驾驶台内的中央控制器，与中央控制器、第一锁止连接件中的电磁阀、及其供电枪的开关控制器通过其供电枪内的一控制线相连的第一通信控制模块，所述第一通信控制模块进一步通过其供电枪内的另一控制线与设置于能源补给子船2内的第二通信控制模块相连，该第二通信控制模块通过其船体上的供电枪内的一控制线与该能源补给子船2的动力供给单元中的永磁同步电机、供电枪的开关控制器、第二锁止连接件的电磁阀、第三锁止连接件的电磁阀、动力供给单元中的电池管理系统相连。

在一些具体实施方式中，所述通信控制模块可由单片机控制系统形成。

在一些优选实施例中，该运输系统的应用过程包括：当母体船1需要航行时，驾驶员可提前估算好距离，并且根据补给子船2的续航里程合理估算所需的补给子船2数量，补给子船的能源可以是多样式的，然后操纵补给子船2驶入母体船1的凹槽内，在驶入过程中，母体船1凹槽内的锁舌1-1先被能源补给子船2的船身压缩，使锁舌1-1缩回，当补给子船2行驶到合适位置，锁舌1-1正好与补给子船2的卡槽2-1对准并迅速弹回锁住补给子船2，此时的补给子船2和母体船1之间的水平位置相对固定，补给子船2只能在母体船1凹槽内上下移动；水平锁止完成后，与锁舌1-1的电磁阀相连的单片机电路根据信号作出指令传输到永磁同步电机，电机正转推动供电枪逐节伸长，并通过充电口2-2的喇叭形开口的导引与充电口2-2对准并相连。在连接过程中，供电枪通过挤压，使充电口上的第二锁舌缩回，当供电枪与充电口连接上，第二锁舌弹回，与供电枪上的卡槽实现锁紧。对于连接过程中的线路，处于安全保护，首先连接的是保护接地，其次是交流电源线及中线的连接，最后是控制线连接。控制线得到确认以后，供电枪1-2枪头的快速连接锁钩1-3与充电口2-2迅速锁住，线路即连通，后面的补给子船2依照上述操作依次与前一级补给子船2进行连接。航行时，电池的工作状态由电池管理系统经控制总线回传至驾驶台的中央控制器，驾驶人员可由中央控制器监控电池的工作。母船的生活用电也由电池经逆变器经供电枪的交流线传输至母船。驾驶员的控制命令也由驾驶台经每条补给子船的供电枪1-2的控制总线逐级回传至螺旋浆推进装置。

当末级补给子船2的能源消耗殆尽时，驾驶员通过驾驶台的中央控制器发出脱离命令，命令信号通过控制线传输到单片机电路，由单片机作出决策，控制充电口上与第二锁舌相连的电磁阀动作，使第二锁舌缩回。同时通过单片机电路控制供电枪座的电机反转，使供电枪缩回。供电枪与充电口连接的电路中控制总线首先断开，接着是交流电源线、中线断开，最后是保护接地线。当供电枪缩回至初始位置后，电机停转，信号反馈给单片机电路，单片机电路继续给第一锁舌发出指令，第一锁舌在电磁阀的动作下实现缩回，能源补给船和母船依靠速度差实现分离。接着驾驶员通过中央控制器启动次末级补给子船作为新的末级子船继续接力工作。通过这样一级一级地推进，将母体船1送至目的地。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.多模态可更换式水上能源补给运输系统，其特征在于，其包括：一个无动力式母体船，一个或多个结构相同的、提供动力和能源的能源补给子船，对所述母体船及所述能源补给子船进行整体控制的控制系统；其中，所述母体船含有能源接收单元和第一锁止连接件，所述能源补给子船含有能源供给单元、动力供给单元、锁止接收件和第二锁止连接件；所述第一锁止连接件或所述第二锁止连接件可与所述锁止接收件组成完整的锁止机构；所述控制系统包括设置于所述母体船上的中央控制器、控制所述能源接收单元的能源接收控制器、控制所述第一锁止连接件锁止状态的第一电磁阀及与所述中央控制器、所述能源接收控制器、所述第一电磁阀电相连的第一通信控制模块，和设置于所述能源补给子船上的控制所述动力供给单元的动力供给控制器、控制所述第二锁止连接件锁止状态的第二电磁阀及与所述动力供给控制器、所述第二电磁阀及所述第一通信控制模块电相连的第二通信控制模块；

其中，所述母体船包括由船头、船身、船尾及位于船身内的船舱形成的本体，其船尾设置有朝向其船头方向凹陷的第一凹槽，所述第一锁止连接件及所述能源接收单元设置于所述第一凹槽内；所述能源补给子船包括由其船身形成的本体，该本体的头部含有可插入所述第一凹槽内的凸起、尾部含有朝向其头部凹陷的第二凹槽，所述锁止接收件设置于所述凸起的两侧，所述第二锁止连接件设置于所述第二凹槽内；

所述能源补给子船的动力供给单元包括设置于其本体尾部两侧的螺旋桨和驱动所述螺旋桨的永磁同步电机，所述永磁同步电机一端与所述能源供给单元中的能源装置经逆变器电相连；

所述能源接收单元包括设置于所述第一凹槽上内壁的、可进行竖向伸缩的供电枪，所述能源补给子船的本体的头部还含有可供所述供电枪伸缩插入的充放电口，所述充放电口与所述能源供给单元电相连；

所述充放电口内设有与第三电磁阀相连的第三锁止连接件，所述供电枪上对应设置有与所述第三锁止连接件配合的锁止接收件；

所述供电枪通过曲柄连杆机构与所述永磁同步电机相连；

所述供电枪内部含有：三根交流电源线，一根中线，一根保护接地线以及两根控制线；其中，所述三根交流电源线和中线分别参与形成两条通路，其中一路与本船体的动力供给单元或用电器件连通，另一路与连接船体的动力供给单元连通；所述保护接地线直接接地；所述两根控制线形成CAN总线形式的信号传输线，分别与本船体或连接船体的控制器件连通；

所述充放电口内还设有与所述交流电源线相接通后再经交直流转换模块与所述能源供给单元中的能源装置相连的电路，所述能源供给单元还包括对所述能源装置进行管理的管理系统，该管理系统搭载至所述控制线上；

所述控制系统中，所述第一通信控制模块与所述中央控制器、所述第一锁止连接件中的电磁阀、及其供电枪的开关控制器通过其供电枪内的一控制线电相连，所述第一通信控制模块通过其供电枪内的另一控制线与设置于所述能源补给子船内的第二通信控制模块电相连，该第二通信控制模块通过其供电枪内的一控制线与该能源补给子船的所述动力供给单元中的永磁同步电机、其供电枪的开关控制器、所述第二锁止连接件的电磁阀、所述第三锁止连接件的电磁阀、所述能源供给单元中的所述管理系统电相连。

2.根据权利要求1所述的运输系统，其特征在于，所述第一凹槽与所述第二凹槽具有相同的结构，所述第一锁止连接件与所述第二锁止连接件具有相同的结构，其中，所述锁止连接件由固定设置于所述凹槽的两侧壁上的、可进行相对的、水平伸缩的锁舌形成；所述锁止接收件由可供所述锁舌嵌入的、位于所述凸起的两侧的卡槽形成。

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