CN114180024A - 一种潜航器混合动力系统及潜航器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种潜航器混合动力系统及潜航器，涉及水下动力推进系统领域，潜航器混合动力系统包括燃料电池模组、蓄电池模组、动力模组及控制模组，燃料电池模组与蓄电池模组连接，燃料电池模组用于向蓄电池模组进行供电，蓄电池模组与动力模组连接，蓄电池模组用于电能的储存，并供动力模组工作，动力模组用于驱动潜航器运动，控制模组与燃料电池模组、蓄电池模组及动力模组分别连接。潜航器混合动力系统既可以充分利用燃料电池模组通过燃料燃烧所产生的能量启动迅速的优点，又可利用蓄电池模组电力输出快，控制稳定的优点，结构相对简单，具有低噪、清洁、能量利用率高的优点，从而实现潜航器在水下进行长时间航行的需求。
Description
技术领域
本发明涉及水下动力推进系统领域，尤其涉及一种潜航器混合动力系统及潜航器。
背景技术
随着社会的不断进步，人们对自然资源的需求也在不断增加，陆地和天空资源的开采无法完全满足人们的需求，因此，以海洋为主的水下资源的探索及开采得到各类行业的关注。而在海洋探索中，使用最为广泛的探索装置是水下潜航器。其中，无人潜航器由于无需人员驾驶，可通过遥控或自动控制的方式在水下进行航行，可以遵循计划的轨迹进行探索及开采，得到最为广泛的研究。而无人潜航器又可广泛应用于地球物理勘测，海底管道检查，海洋考古、救生、排除水雷等场景中。
在水下潜航器中，动力系统是整个潜航器的能源供应部分，因此，对水下潜航器性能的影响也是最大的。现有水下潜航器的能源动力装置大部分采用燃机或蓄电池，燃机结构复杂且噪声较大，不适用于水下航行器。蓄电池则多由锂电池构成，锂电池虽然结构简单，但由于现有的技术及本身材料的限制，导致锂电池的能量密度低，因此其续航时长较短，无法满足长续航运行的要求，不适用于近海、远洋等需长期工作的场所。此外，锂离子电池在长期使用过程中，易出现“过充过放”的现象，可能导致能源系统性能的衰退、过热、甚至出现燃烧爆炸的风险，给无人潜航器的运行带来巨大的安全隐患。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本申请提供一种潜航器混合动力系统及潜航器。
本申请提供的一种潜航器混合动力系统，用于潜航器中，所述潜航器混合动力系统包括燃料电池模组、蓄电池模组、动力模组及控制模组，所述燃料电池模组与所述蓄电池模组连接，所述燃料电池模组用于向所述蓄电池模组进行供电，所述蓄电池模组与所述动力模组连接，所述蓄电池模组用于电能的储存，并供所述动力模组工作，所述动力模组用于驱动所述潜航器运动，所述控制模组与所述燃料电池模组、所述蓄电池模组及所述动力模组分别连接。
在一种可能的实施方式中，所述燃料电池模组包括燃料罐、空气罐及反应室，所述燃料罐及所述空气罐分别与所述反应室连通，所述燃料罐用于向所述反应室提供燃料，所述空气罐用于向所述反应室提供空气，所述反应室与所述蓄电池模组连接，所述反应室通过燃料在其中反应燃烧产生电能，并将电能输送至所述蓄电池模组中。
在一种可能的实施方式中，所述燃料罐和所述空气罐均为可更换设备，所述燃料罐和所述空气罐均可拆卸地设于所述潜航器中。
在一种可能的实施方式中，所述蓄电池模组包括多个蓄电池组，所述燃料电池模组与多个所述蓄电池组分别连接，所述控制模组能够控制所述燃料电池模组对不同的所述蓄电池组进行充电，还可控制储存有电能的所述蓄电池组向所述动力模组进行供电。
在一种可能的实施方式中，所述动力模组包括电机及螺旋桨，所述电机与所述蓄电池模组电连接，所述电机的输出端与所述螺旋桨连接。
在一种可能的实施方式中，所述动力模组还包括燃烧室、涡轮及离合器，所述燃烧室与所述燃料罐及所述空气罐分别连通，所述涡轮与所述燃烧室连通，所述燃烧室中燃烧产生的燃气能够驱动所述涡轮转动，所述涡轮与所述螺旋桨连接，所述离合器分别与所述电机的输出端及所述涡轮连接，所述离合器能够控制所述电机及所述涡轮与所述螺旋桨的连接状态。
在一种可能的实施方式中，所述燃料罐及所述空气罐分别通过第一开关与所述反应室连接；所述燃料罐及所述空气罐分别通过第二开关与所述燃烧室连接，所述第一开关与所述第二开关分别与所述控制模组电连接。
在一种可能的实施方式中，所述控制模组包括输出控制单元及传感器，所述输出控制单元与所述燃料电池模组、所述蓄电池模组及所述动力模组分别电连接，所述燃料罐和所述空气罐处均设有所述传感器，所述传感器可感测所述燃料罐和所述空气罐中燃料及空气的余量，并将信息反馈至所述输出控制单元。
在一种可能的实施方式中，所述控制模组还包括无线通讯单元，所述无线通讯单元与所述输出控制单元电性连接，所述无线通讯单元能够与外界进行无线通讯。
本申请还提供一种潜航器，包括上述的潜航器混合动力系统。
相比现有技术，本申请的有益效果：
本申请所提供的潜航器混合动力系统，通过采用燃料电池模组作为供能单元，并采用蓄电池模组作为储能单元，使燃料在燃料电池模组中燃烧产生的电能进入蓄电池模组中存储，这样既可以充分利用燃料电池模组通过燃料燃烧所产生的能量启动迅速的优点，又可利用蓄电池模组电力输出快，控制稳定的优点，结构相对简单，具有低噪、清洁、能量利用率高的优点，从而实现潜航器在水下进行长时间航行的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1示出了本申请一实施例中所述潜航器混合动力系统在潜航器中的示意图；
图2示出了图1所述潜航器混合动力系统的燃料电池模组的示意图；
图3示出了图1所述潜航器混合动力系统的具体示意图；
图4示出了图3所述潜航器混合动力系统中各模块的电控示意图。
主要元件符号说明：
100-潜航器混合动力系统；10-燃料电池模组；11-燃料罐；12-空气罐；13-反应室；131-排气管；14-第一开关；15-第二开关；20-蓄电池模组；21-蓄电池组；211-蓄电池；30-动力模组；31-电机；32-螺旋桨；33-燃烧室；34-涡轮；35-离合器；36-变速箱；40-控制模组；41-输出控制单元；42-传感器；43-无线通讯单元；44-检测器；200-潜航器；201-壳体；202-设备舱。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例一
请参阅图1，本实施例中提供了一种潜航器混合动力系统100，可用于潜航器中，尤其适用于无人潜航器中。
其中，潜航器包括壳体及设于壳体中的各种装置及系统等。潜航器混合动力系统100设于壳体中，并与各种装置及系统连接，以向各个不同的装置或系统提供动力，从而使潜航器能够正常运行。
请同时参阅图2，潜航器混合动力系统100包括燃料电池模组10、蓄电池模组20、动力模组30及控制模组40。所述燃料电池模组10与蓄电池模组20连接。所述燃料电池模组10为供能单元，用于向蓄电池模组20进行供电。所述蓄电池模组20与所述动力模组30连接。所述蓄电池模组20为储能单元，用于将燃料电池模组10产生的电能储存，并进行输出，以供动力模组30工作。所述动力模组30用于驱动所述潜航器运动。所述控制模组40与燃料电池模组10、蓄电池模组20及动力模组30分别连接。所述控制模组40用于对各模组进行控制，从而在各种不同的场景中，满足潜航器的工作需求。
具体的，请同时参阅图3，燃料电池模组10包括燃料罐11、空气罐12及反应室13。所述燃料罐11及空气罐12分别与所述反应室13连通。所述燃料罐11用于向反应室13提供燃料。所述空气罐12用于向反应室13提供空气。所述反应室13与所述蓄电池模组20连接。所述反应室13通过燃料在其中反应燃烧产生电能，并将电能输送至蓄电池模组20中。
本实施例中，燃料罐11和空气罐12均为可更换设备，燃料罐11和空气罐12均可拆卸地设于潜航器的壳体中。当燃料及空气余量不足时，所述潜航器可移动至补给船只或港口，对燃料罐11和空气罐12进行拆卸和更换，从而实现快速补给。
所述反应室13还包括排气管131。所述排气管131用于将反应后产生的气体排出。
所述蓄电池模组20包括多个蓄电池组21。多个蓄电池组21通过线路电性连接。所述反应室13与多个蓄电池组21分别连接。
蓄电池组21中分别包含多个蓄电池211。
所述控制模组40可控制燃料电池模组10燃烧产生的电能对不同的蓄电池组21进行充电，还可控制储存有电能的蓄电池组21向动力模组30进行供电。即，可其中一个蓄电池组21进行供电时，其他蓄电池组21可同时进行充电。
所述控制模组40还可根据蓄电池组21中的电量及燃料罐11和空气罐12的余量，确认预计剩余航行距离，以便于在能量耗尽之前返航或进行补充燃料。
动力模组30包括电机31及螺旋桨32。所述电机31与所述蓄电池模组20电连接。所述电机31的输出端与所述螺旋桨32连接。所述电机31能够在所述蓄电池模组20的电力供应下，驱动所述螺旋桨32旋转，从而使所述潜航器在水下移动。
请参阅图4，所述控制模组40包括输出控制单元41及传感器42。所述输出控制单元41与燃料电池模组10、蓄电池模组20及动力模组30分别电连接。所述输出控制单元41可根据潜航器的用电需求，控制燃料电池模组10的燃烧产生电能、控制蓄电池模组20的输出电量、控制动力模组30的输出动力。所述传感器42设于潜航器的各个模块中，并与所述输出控制单元41电连接。所述传感器42能够感测各种工作环境参数，并传递给输出控制单元41，从而便于输出控制单元41对潜航器的用电需求进行控制及调节。
具体的，请参阅图3，所述燃料罐11和空气罐12处均设有所述传感器42。其中，燃料罐11处安装的传感器42为液位传感器，空气罐12处安装的传感器42为压力传感器。所述传感器42可感测所述燃料罐11和空气罐12中燃料及空气的余量，从而预估燃料电池模组10的预计电量产出，并可在燃料及空气余量不足时，将更换信息反馈输出控制单元41。
本实施例中，所述控制模组40还包括无线通讯单元43。所述无线通讯单元43与所述输出控制单元41电性连接，所述无线通讯单元43可与基站、补给船只、港口等进行无线通讯。从而便于对潜航器的工作状态进行了解。如当燃料及空气余量不足时，将更换信息反馈输出控制单元41，输出控制单元41控制无线通讯单元43发送信息至补给船，从而使补给船航行至潜航器所在海域，便于对潜航器进行燃料罐11和空气罐12的更换；还可在潜航器出现故障时，发送信息至基站，便于基站派出维修船只或舰艇，对潜航器进行维修。
本实施例中，潜航器混合动力系统100采用模块化设计，安装及更换均以模块化方式加以实现，便于安装及维修。
其中，压缩空气和燃料以储罐的形式安装在系统中，两个储罐：燃料罐11和空气罐12均可根据需要进行更换，燃料可为多种形式，如液氢、甲烷、甲醇、可再生煤油等；压缩空气也可替换为纯氧或其他相应的助燃原料，清洁、环保、适应性强。
采用甲醇、可再生煤油等燃料时，可由沿海农产品发酵、催化制成，简单易得，可有效地与沿海农业经济结合。
当更换燃料时，可通过输出控制单元41进行燃料罐11和空气罐12输出量比例的控制，从而适应不同燃料的燃烧。
具体的，所述控制模组40还可包括检测器44。所述检测器可对燃料罐11和空气罐12中装载的燃料及空气进行分别检测，并将检测到的信息传递给输出控制单元41。所述输出控制单元41可根据检测到的信息及自身储存的燃料空气比例信息，控制燃料罐11和空气罐12的输出量。
本申请所提供的潜航器混合动力系统100，通过采用燃料电池模组10作为供能单元，并采用蓄电池模组20作为储能单元，使燃料在燃料电池模组10中燃烧产生的电能进入蓄电池模组20中存储，这样既可以充分利用燃料电池模组10通过燃料燃烧所产生的能量启动迅速的优点，又可利用蓄电池模组20电力输出快，控制稳定的优点，结构相对简单，具有低噪、清洁、能量利用率高的优点，从而实现潜航器在水下进行长时间航行的需求。
实施例二
请参阅图1至图4，本申请第二实施例中提供了一种潜航器混合动力系统100，可用于潜航器中，尤其适用于无人潜航器中。可以理解的是，本实施例可以是在实施例一的基础上进行的进一步改进。相比于上述实施例一，本实施例的区别之处在于：
所述燃料电池模组10还与所述动力模组30连接。
具体的，所述潜航器混合动力系统100存在两种工作模式：正常工作模式和加速逃逸工作模式。
本实施例中，所述动力模组30还包括燃烧室33、涡轮34及离合器35。所述燃烧室33与所述燃料罐11及空气罐12分别连通。所述燃料罐11提供的燃料与所述空气罐12提供的空气可以在所述燃烧室33中燃烧。所述涡轮34与所述燃烧室33连通。燃烧室33中燃烧产生的燃气可以驱动所述涡轮34转动。所述涡轮34与所述螺旋桨32连接。所述离合器35分别与所述电机31的输出端及所述涡轮34连接。所述离合器35能够控制所述电机31及所述涡轮34与所述螺旋桨32的连接状态。
在加速逃逸工作模式中，所述输出控制单元41控制蓄电池模组20停止向电机31供电，并控制所述燃料电池模组10向燃烧室33提供燃料及空气，控制离合器35使所述电机31与所述螺旋桨32断开连接，使所述涡轮34与所述螺旋桨32连接，燃料及空气进入燃烧室33后燃烧，产生的燃气驱动涡轮34旋转，从而带动螺旋桨32旋转，以实现加速逃逸任务。
本实施例中，所述燃料罐11及空气罐12分别通过第一开关14与反应室13连接；所述燃料罐11及空气罐12分别通过第二开关15与燃烧室33连接。所述第一开关14与所述第二开关15分别与所述输出控制单元41电连接。
在加速逃逸工作模式中，所述输出控制单元41控制第一开关14关闭，使燃料及空气停止进入反应室13；控制第二开关15打开，使燃料及空气进入燃烧室33燃烧。
本实施例中，所述动力模组30还包括变速箱36。所述涡轮34与所述螺旋桨32通过所述变速箱36连接。
本实施例所提供的潜航器混合动力系统100，通过设置燃烧室33、涡轮34及离合器35，可在紧急状态下，直接通过燃机的模式，加速螺旋桨32的转动，从而实现逃逸功能。
实施例三
请参阅图1至图3，本实施例提供的一种潜航器200，用于进行水下探索。所述潜航器200包括壳体201及如实施例一或实施例二中任意一个的潜航器混合动力系统100。
所述潜航器200还包括设备舱202，设备舱202用于放置多种不同设备，以便于潜航器完成各种不同任务。
正常工作时，输出控制单元41根据潜航器混合动力系统100与设备舱202中设备的用电需求，控制蓄电池模组20的输出电量，将蓄电池211中存储的电量，分配至设备舱202中的设备处及电机31处，从而在保证潜航器200的正常运行的前提下，完成各种不同任务。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种潜航器混合动力系统，用于潜航器中，其特征在于，所述潜航器混合动力系统包括燃料电池模组、蓄电池模组、动力模组及控制模组，所述燃料电池模组与所述蓄电池模组连接，所述燃料电池模组用于向所述蓄电池模组进行供电，所述蓄电池模组与所述动力模组连接，所述蓄电池模组用于电能的储存，并供所述动力模组工作，所述动力模组用于驱动所述潜航器运动，所述控制模组与所述燃料电池模组、所述蓄电池模组及所述动力模组分别连接。
2.根据权利要求1所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述燃料电池模组包括燃料罐、空气罐及反应室，所述燃料罐及所述空气罐分别与所述反应室连通，所述燃料罐用于向所述反应室提供燃料，所述空气罐用于向所述反应室提供空气，所述反应室与所述蓄电池模组连接，所述反应室通过燃料在其中反应燃烧产生电能，并将电能输送至所述蓄电池模组中。
3.根据权利要求2所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述燃料罐和所述空气罐均为可更换设备，所述燃料罐和所述空气罐均可拆卸地设于所述潜航器中。
4.根据权利要求1所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述蓄电池模组包括多个蓄电池组，所述燃料电池模组与多个所述蓄电池组分别连接，所述控制模组能够控制所述燃料电池模组对不同的所述蓄电池组进行充电，还可控制储存有电能的所述蓄电池组向所述动力模组进行供电。
5.根据权利要求2所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述动力模组包括电机及螺旋桨，所述电机与所述蓄电池模组电连接，所述电机的输出端与所述螺旋桨连接。
6.根据权利要求5所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述动力模组还包括燃烧室、涡轮及离合器，所述燃烧室与所述燃料罐及所述空气罐分别连通，所述涡轮与所述燃烧室连通，所述燃烧室中燃烧产生的燃气能够驱动所述涡轮转动，所述涡轮与所述螺旋桨连接，所述离合器分别与所述电机的输出端及所述涡轮连接，所述离合器能够控制所述电机及所述涡轮与所述螺旋桨的连接状态。
7.根据权利要求6所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述燃料罐及所述空气罐分别通过第一开关与所述反应室连接；所述燃料罐及所述空气罐分别通过第二开关与所述燃烧室连接，所述第一开关与所述第二开关分别与所述控制模组电连接。
8.根据权利要求2所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述控制模组包括输出控制单元及传感器，所述输出控制单元与所述燃料电池模组、所述蓄电池模组及所述动力模组分别电连接，所述燃料罐和所述空气罐处均设有所述传感器，所述传感器可感测所述燃料罐和所述空气罐中燃料及空气的余量，并将信息反馈至所述输出控制单元。
9.根据权利要求8所述的潜航器混合动力系统，其特征在于，所述控制模组还包括无线通讯单元，所述无线通讯单元与所述输出控制单元电性连接，所述无线通讯单元能够与外界进行无线通讯。
10.一种潜航器，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的潜航器混合动力系统。
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