CN218829225U - 一种水下供电设备和水下机器人的供电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于水下机器人技术领域及供电系统领域,尤其涉及一种水下供电设备和水下机器人的供电系统,包括为水下作业设备提供主要电源的电源舱和为水下作业设备提供后备辅助电源的电池舱;电源舱包括将水面供电设备输入的高压直流电降为低压直流电的电源舱DC/DC变化模块,为水下作业设备主要作业单元供电;用于输出多种稳定可调的低压直流电的稳压电路;电池舱包括动力电池和用于将所述动力电池的电压转换为不同低压直流电的电池舱DC/DC变化模块,为水下作业设备的其它用电单元供电,电池舱与电源舱之间通过防水电缆连接。使水下作业设备用电更安全稳定,应用场合更广,散热性能更好。

Description

一种水下供电设备和水下机器人的供电系统
技术领域
本实用新型涉及水下机器人技术领域及供电系统领域,尤其涉及一种水下供电设备和水下机器人的供电系统。
背景技术
水下机器人虽具有较强的作业能力,但由于功率较大,作业时间较长,其供电方式多数采取岸上接交流市电通过电缆连接直接为机器人供电或无缆方式使用电池为机器人供电。
但有限电缆供电,在水下作业时时电缆产生线路压降,影响水下作业设备完成探测或其他作业任务和安全返航;且交流电供电不稳定,输入源无法控制,容易在水下发生短路或漏电的问题对操作人员的安全造成很大隐患;无缆电池供电,由于电池体积重量限制,机器人无法长时间水下作业,机器人应用范围受到了限制。
因此,如何提供一套成熟可靠的供电设备,即可输出稳定保证水下机器人供电系统的用电安全,提高水下作业设备工作质量,又可以解决水下机器人续航能力差活动半径小的问题是行业内亟待解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种水下供电设备和水下机器人的供电系统,其旨在使水下作业设备用电更安全稳定,应用场合更广,散热性能更好。
为达到上述目的,本实用新型一方面提供一种水下供电设备,包括为水下作业设备提供主要电源的电源舱和为水下作业设备提供后备辅助电源的电池舱;电源舱包括将水面供电设备输入的高压直流电降为低压直流电的电源舱DC/DC变化模块,为水下作业设备主要作业单元供电;用于输出多种稳定可调的低压直流电的稳压电路;电池舱包括动力电池和用于将所述动力电池的电压转换为不同低压直流电的电池舱DC/DC变化模块,为水下作业设备的其它用电单元供电,电池舱与电源舱之间通过防水电缆连接。
可选地,多个所述电源舱DC/DC变化模块并联设置且相互冗余。
可选地,水下供电设备还包括监控终端和控制单元用于保护供电安全,当监测到所述水下供电设备工作异常,所述控制单元控制所述水下供电设备停止工作,并传输工作异常信号至所述监控终端;所述控制单元包括监测模块、判断模块、控制模块及报警模块;所述电池舱为所述控制单元供电。
可选地,所述水下供电设备工作异常包括输入过压或欠压;所述监测模块用于实时监测输入电压的电压值;所述判断模块用于接收所述监测模块检测到的实时输入电压值,并判断实时输入电压值是否在预设输入电压值范围内,若所述实时输入电压值大于或小于预设输入电压值,所述判断模块将工作异常信号传输至所述控制模块,所述控制模块接受工作异常信号后,控制供电系统停止工作,并控制所述报警模块传输告警信息至所述监控终端;
当所述判断模块接收到的实时输入电压值恢复至预设输入电压值范围内时,所述控制模块控制所述水下供电设备恢复正常工作状态。
可选地,所述水下供电设备工作异常包括输出过压,所述监测模块用于监测所述电源舱的输出电压值,当所述输出电压值大于预设输出电压值时,判断模块将工作异常信号传输至所述控制模块,所述控制模块接收工作异常信号后,控制所述水下供电设备停止输出,并控制所述报警模块传输告警信息至所述监控终端;直至人工冷复位后,所述水下供电设备重新开始工作。
可选地,所述电源舱内包括冷却液,所述冷却液为高导热系数的电绝缘液体。
可选地,所述电源舱还包括第一变压隔离装置,用于将所述水下供电设备的输入电路和输出电路完全电气隔离;第二变压隔离装置,用于将所述电源舱输出电路和所述电池舱输出电路完全隔离。
可选地,所述电源舱包括盖板,所述盖板上设有可湿插拔的水密连接器。
可选地,所述控制单元还包括电池管理模块,用于对所述电池舱的所述动力电池进行保护,包括限流充电、均浮充转换充电、过放保护、过充保护、短路保护、反接保护等。
另一方面提供一种水下机器人的供电系统,包括水面供电系统和水下供电系统,所述水面供电系统包括多个水面电源变换模块用于将三相交流输入电压变换为高压直流电压;所述水下供电系统包括上述任意一项所述的水下供电设备,供所述水下机器人进行水下工作。
本实用新型的有益效果是:通过水下供电设备的电源舱为水下作业设备如水下机器人提供主功率,电池舱作为水下作业设备的后备电源;提高水下供电安全的同时,避免水面供电故障时,水下作业设备仍可继续工作不断电,且电池舱与电源舱电路电气隔离,提高水下供电的稳定性;另外,结合实时监测终端和控制单元,提高了机器人应对各种突发异常情况的灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,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示出的结构获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例的水下供电设备的内部结构示意图;
图2为本实用新型实施例的控制单元内部结构示意图。
附图标记:100、水下供电设备;110、电源舱;111、电源舱DC/DC模块;112、稳压电路;120、电池舱;121、动力电池;122、电池舱DC/DC模块;130、控制单元;131、监测模块;132、判断模块;133、控制模块;134、报警模块;140、监控终端;150、第一变压隔离装置(图未示);160、第二变压隔离装置(图未示);160、水密连接器(图未示);200、水下作业设备。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。
本实用新型一方面提供一种水下供电设备100。参照图1,包括为水下作业设备200提供主要电源的电源舱110和为水下作业设备200提供后备辅助电源的电池舱120;电源舱110包括将水面(岸基)供电设备输入的高压直流电降为低压直流电的电源舱DC/DC变化模块111,为水下作业设备200主要作业单元供电;用于输出多种稳定可调的低压直流电的稳压电路112;电池舱120包括动力电池121和用于将所述动力电池121的电压转换为不同低压直流电的电池舱DC/DC变化模块122,为水下作业设备200的其它用电单元供电,电池舱120与电源舱110之间通过防水电缆连接。
电源舱110输入为直流电,输入范围可从300Vdc到1000Vdc变化,经过稳压电路112和电池舱DC/DC模块122,输出低压直流电供及水下作业机器人主要作业设备使用,优选的,输出的低压直流电为48Vdc。
电池舱120内部安装一组48V动力电池121,电池容量根据机器人空载时功率及需要的运行时间配置;同时安装了若干个DC-DC转换模块,通过变换模块将低压48V的直流电降压为更低压常用的24V/12V/5V等各级低压直流电,供给机器人上的各子系统用电设备。相对于直接将高压直流电转为供水下机器人的负载电压,损耗小转换电压更快更安全,输出更稳定。
多个电源舱DC/DC变化模块111并联设置,且相互冗余;单个电源舱DC/DC变化模块111输出功率为4kw,可通过不同电源舱DC/DC模块111数量从而匹配不同功率的机器人使用,最大并联模块数可达64个。
进一步的,参考图1-2,水下供电设备100还包括监控终端140和控制单元130用于保护供电安全,当监测到所述水下供电设备工作异常,所述控制单元130控制所述水下供电设备100停止工作,并传输工作异常信号至所述监控终端140;所述控制单元130包括监测模块131、判断模块132、控制模块133及报警模块134;所述电池舱120为所述控制单元130供电。
其中水下供电设备工作异常,监测模块131用于实时监测供电系统的电压值、温度和通讯情况;判断模块132用于监测实时供电系统的工作状态,水下供电设备100工作异常包括供电输入过压/欠压、输出过压、过温、短路、漏电或通讯中断等故障,当出现上述水下供电设备工作异常情况,判断模块132将故障信号传输至控制模块133,控制模块133接受故障信号后,控制供电系统停止工作,并控制报警系统传输故障预警信号至监控终端140。具体如下:
1、电源舱110输入过压/欠压:
当控制单元130的检测模块检测到电源舱110直流输入电压供小于或大于设定值时,判断模块132判断水下供电设备工作异常,保护指示灯亮,控制模块133控制水下供电设备100停止工作、无输出。报警模块134将告警信息给上报给监测终端(上位机),当输入电压恢复到正常范围内,告警消失,供电系统恢复正常工作状态。
2、电源舱110输出过压/短路:
当控制单元130检测电源舱110输出电压大于设定值时,判断模块132将工作异常信号传输至所述控制模块133,所述控制模块133接收工作异常信号后,控制所述水下供电设备100停止输出,并控制所述报警模块134传输告警信息至所述监控终端140;直至人工冷复位后,所述水下供电设备重新开始工作。
当电源舱110输出短路时,保护指示灯亮,供电系统停止工作、无输出。告警信息上报给监控终端140,保护后需人工冷复位才能正常输出。
3、电源舱110温度过高:
所述监测模块131用于监测所述水下供电设备100,尤其是电源舱110电源模块的实时温度,并传输至所述判断模块132;当所述电源舱110实时温度大于预设温度时,所述判断模块132判断其供电工作异常,将工作异常信号传输至所述控制模块133,所述控制模块133接收工作异常信号后,控制所述水下供电设备100停止工作;并控制报警模块134传输告警信息至监控终端140;当监测模块131检测到电源舱110温度恢复到正常范围内,告警消失,供电系统恢复正常工作状态。
4、通讯中断
当水下供电设备100发生通信中断超过设定时间,供电系统停止工作、无输出,同时保护指示灯亮。当通信恢复后,供电系统恢复成默认状态工作。其控制单元130内部模块的运作方式与上述相同,在此不做赘述。
控制单元130还包括电池管理模块,用于对所述电池舱120的所述动力电池121进行保护,包括限流充电、均浮充转换充电、过放保护、过充保护、短路保护、反接保护等。
电源舱110内包括冷却液(图未示),冷却液为高导热系数的电绝缘液体,水下机器人电气设备通常不防水,大多采用了安装在密封舱设计;电气设备工作时自身会发热,常规散热方式为通过密封舱内部空气进行热交换,把热量通过密封舱金属壁传导到水里;由于空气导热系数较小,此种散热方式散热能力比较差。
本申请的水下供电设备100发热主要集中在电源舱110,由于电源舱110体积有限,若采取空气散热方式,电源舱110满载输出时产生的热量散不出去导致内部空气温度升高,内部电源模块长期处在高温工作状态中,电源模块寿命缩短,供电设备可靠性降低。
因此,电源舱110采取了液体浸没冷却散热方式。在密封舱内加入高导热系数的电绝缘液体作为热量传递介质,液体无色无味,优良的电绝缘性,粘温系数小,压缩率大,憎水防潮性好。相对传统风冷技术有明显优势:同体积液体带走热量是同体积空气的300倍;液体导热能力是空气的20倍;同时电子元器件浸泡在液体中起到防潮防腐蚀和减震作用,对于功率模块使用寿命得到了明显提高,从而提高了机器人整机的可靠性。
更进一步的,所述电源舱110还包括第一变压隔离装置150,用于将所述水下供电设备100的输入电路和输出电路完全电气隔离;第二变压隔离装置160,用于将所述电源舱110输出电路和所述电池舱120输出电路完全隔离。第一变压隔离装置150将电源舱110输入和输出完全电气隔离,绝缘强度达到4000Vdc;输入、输出对电源舱110体绝缘强度达到2000Vdc;输入端配备漏电保护机构,当高压输入端发生电泄露等情况,岸上供电系统断开输入。
第二变压隔离装置160将电池舱DC/DC模块122输入输出完全电气隔离,绝缘强度达到3000Vdc;输入、输出对电池舱120体绝缘强度达到2000Vdc。使水下作业设备200及水下机器人主用电与高压输入电气隔离,水下机器人控制单元130等其他子系统用电与水下机器人的主用电电气隔离,两级双重电气隔离,提高了机器人主用电设备和控制单元130的安全性及系统控制的稳定性。
具体的,所述电源舱110包括盖板,所述盖板上设有可湿插拔的水密连接器170(图未示)。水密连接器170可耐压达到1000Vdc,适合水深达到7000米,其优异的性能大大提高了水下供电设备100的可靠性及密封性。
本申请的水下供电设备100通过设置对水下作业设备200主用电提供电源的电源舱110和对水下作业设备200其他用电设备提供电源并作为水下作业设备200的辅助后备电源的电池舱120,且设置有两级电气隔离,供电更稳定安全;避免电源舱110主功率电源故障发生后,水下机器人停止工作,影响水下作业效率;另外,结合对主功率电源舱110的液体浸没冷却散热,以及控制单元130对水下供电设备100的供电异常监测,进一步提升水下供电设备100的可靠性,增强水下供电设备100的耐久性。
本申请另一方面提供一种水下机器人的供电系统,包括水面供电系统和水下供电系统,所述水面供电系统包括多个水面电源变换模块用于将三相交流输入电压变换为高压直流电压;所述水下供电系统包括上述任意一项所述的水下供电设备100,供所述水下机器人进行水下工作。
水下供电系统中的水下供电设备100内设有为水下作业设备200主要作业单元供电的电源舱110;和为水下作业设备200的其它用电单元如控制单元130供电的电池舱120;水面供电系统的高压直流电通过脐带缆送到水下供电系统,电池舱120及内部辅助电源启动,为控制单元130供电;控制单元130检测各个参数正常后,接收水上指令启动电源舱110主功率电源后进行常规作业工作,同时给电池舱120的后备动力电池121充电。当控制单元130检测到输入供电出现异常,自动启动停机指令将电源舱110主用电设备关闭,进入省电模式;当控制单元130检测到供电恢复正常,接收监控终端140的返回指令后,启动所需的推进器进行返回动作,此时水下供电设备100由电池舱120内部电池供电。采用自主均流技术将多电源模块并联输出,为不同电压等级机器人供电方案提供灵活选择。
水下机器人200的供电系统还包括抗干扰设计的保护,通过设置EMI线路,并对EMI线路进行参数设置,将输入交流高频谐波吸收过滤到一个较低水平,通过结构及电路板设计,将线路产生电磁辐射信号屏蔽,系统输入ITHD小于5%,输入功率因素大于0.99,在输入端对电网无污染,输出稳压精度小于1%。且采用99.99%退火无氧铜细丝精束集成动力线和通信线,通过双绞绕制,增加通信线缆屏蔽层和总电缆的屏蔽层,减少干扰的同时防止干扰进入。
本申请的水下机器人的供电系统由水面脐带缆供电方式,保证水下机器人可以24小时不间断工作,水下机器人输出功率设计不受限制。水下机器人同时配备了电池舱120的动力电池121作为后备电源,当遇到岸上供电问题或电源舱110主功率电源故障等情况,后备电源电池舱120启动,机器人保持不断电状态,机器人信息仍可通过监控终端140即上位机实时监测;同时后台操作人员根据电池舱120的电池容量及离岸距离判断机器人后续作业的可能性,提高了机器人应对各种场合及突发情况的灵活性。
需要说明的是,本申请的水下机器人的供电系统和水下供电设备,适用于各种需要大功率长距离稳定安全输出电压的用电设备,尤其适用于远距离水下工作的设备,如水下探测,水下清洁,水下定位等,需要水下作业控制及信息反馈将信号至岸上后台终端的设备。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下供电设备,通过脐带缆与水面供电设备连接,为水下作业设备供电,其特征在于,包括:
电源舱,为水下作业设备提供主要电源;
电池舱,为水下作业设备提供后备辅助电源;
所述电源舱包括:
电源舱DC/DC变化模块,将所述水面供电设备输入的高压直流电降为低压直流电,为水下作业设备主要作业单元供电;
稳压电路,用于输出多种稳定可调的低压直流电;
所述电池舱包括:
动力电池;
电池舱DC/DC变化模块,用于将所述动力电池的电压转换为不同低压直流电,为水下作业设备的其它用电单元供电;
其中,所述电池舱与所述电源舱之间通过防水电缆连接;
所述电源舱给电池舱的所述动力电池充电;
控制单元,包括电池管理模块,用于对所述电池舱的所述动力电池进行保护,包括限流充电、均浮充转换充电、过放保护、过充保护、短路保护、反接保护,所述电池舱为所述控制单元供电;
所述电源舱内包括冷却液,所述冷却液为高导热系数的电绝缘液体,在密封舱内加入高导热系数的电绝缘液体作为热量传递介质;
所述电源舱包括盖板,所述盖板上设有可湿插拔的水密连接器。
2.如权利要求1所述的水下供电设备,其特征在于,多个所述电源舱DC/DC变化模块并联设置且相互冗余。
3.如权利要求1所述的一种水下供电设备,其特征在于,包括监控终端和控制单元用于保护供电安全,当监测到所述水下供电设备工作异常,所述控制单元控制所述水下供电设备停止工作,并传输工作异常信号至所述监控终端;所述控制单元包括监测模块、判断模块、控制模块及报警模块。
4.如权利要求3所述的一种水下供电设备,其特征在于,所述水下供电设备工作异常包括输入过压或欠压;所述监测模块用于实时监测输入电压的电压值;所述判断模块用于接收所述监测模块检测到的实时输入电压值,并判断实时输入电压值是否在预设输入电压值范围内,若所述实时输入电压值大于或小于预设输入电压值,所述判断模块将工作异常信号传输至所述控制模块,所述控制模块接受工作异常信号后,控制供电系统停止工作,并控制所述报警模块传输告警信息至所述监控终端;
当所述判断模块接收到的实时输入电压值恢复至预设输入电压值范围内时,所述控制模块控制所述水下供电设备恢复正常工作状态。
5.如权利要求3所述的一种水下供电设备,其特征在于,所述水下供电设备工作异常包括输出过压,所述监测模块用于监测所述电源舱的输出电压值,当所述输出电压值大于预设输出电压值时,判断模块将工作异常信号传输至所述控制模块,所述控制模块接收工作异常信号后,控制所述水下供电设备停止输出,并控制所述报警模块传输告警信息至所述监控终端;直至人工冷复位后,所述水下供电设备重新开始工作。
6.如权利要求1所述的一种水下供电设备,其特征在于,所述电源舱还包括第一变压隔离装置,用于将所述水下供电设备的输入电路和输出电路完全电气隔离;第二变压隔离装置,用于将所述电源舱输出电路和所述电池舱输出电路完全隔离。
7.一种水下机器人的供电系统,其特征在于,包括水面供电系统和水下供电系统,所述水面供电系统包括多个水面电源变换模块用于将三相交流输入电压变换为高压直流电压;所述水下供电系统包括如权利要求1-6任意一项所述的水下供电设备,供所述水下机器人进行水下工作。
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