TWI835641B - 水下無人載具充電系統 - Google Patents
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Abstract
一種水下無人載具充電系統，包含夾具、充電模組、無人載具，及接收模組。該夾具包括固定臂，及二活動臂，該充電模組設置於該固定臂與該活動臂中，包括第一間隔層、第一磁性層、發射線圈，及第二間隔層，該無人載具包括充電電池，該接收模組設置於該無人載具，包括第三間隔層、第二磁性層，及接收線圈，該活動臂向外擴張，使該夾具與該無人載具相對移動，令該發射線圈與該接收線圈對位設置，該活動臂向內收合，使該夾具固定於該無人載具的表面，通入電力使電流通過該發射線圈而產生電磁場，並於該接收線圈產生感應電動勢，且於該接收線圈上產生感應電流，以對該充電電池進行充電。
Description
本發明是有關一種充電系統，特別是指一種水下無人載具充電系統。
水下無人載具可分為遠端操控式無人載具(Remotely Operated Vehicle，ROV)，以及自主式無人載具(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)。ROV可進行海底沉物目標搜索、海底金屬探測採集、海洋生態調查、海底熱泉探測，以及海底地形調查等各種不同的任務。
隨著油價上升、環保意識抬頭，商用的電動船越來越受歡迎，目前受限於電池的能源儲存和功率密度，需回到岸邊利用充電樁進行充電，若電池的使用時效大約有5~6小時，以單程大約需耗時1~2小時來說，實際使用扣除來回各耗費2~4小時，再扣除船隻受到洋流推移及本身重量下沉位移等外在因素的干擾，幾乎只剩下不超過1~2小時，有續航能力不足、巡航範圍受限等缺失。
市場主流的無線充電技術主要通過電磁感應、磁場共振作用、無線電波充電，以及電場耦合等，其中，電磁感應採取感應式之線圈，然而，發射線圈與接收線圈(待充電物)的設置位置會影響造成傳輸效率，也就是當該二線圈的耦合角度、間隙變化量、水平位移量的其中之一稍有改變時，便極有可能造成傳輸效率大幅下降。以習知E-type利用中間取電的設計來說，當水面風浪大時，船隻會受風浪帶動加劇晃動，使得充電設備上的發射線圈與船隻上的接收線圈錯位，且由於耦合角度小，將無法進行充電。除此之外，更有同時設置多組取電模組的環狀設計，以期提升線圈的電感量，仍無法有效地克服上述的問題。另外，使用片狀型或馬鞍型的發射線圈與接收線圈設計，雖然增加可接觸角度，但當船身晃動時，其可容許錯位角度小，同樣無法有效充電。
再者，業者將發射器設置於一水下的籠體，使船身進入該籠體充電，惟，當水上海浪仍會帶動船隻晃動，除了會毀損外殼更不具安全性。另一為使用共振型的充電設計，雖可距離很遠的與附近的線圈進行充電，但需輸出高頻才能提升充電效率，然而，水中的介電系數高，當頻率很高將無法傳輸波長，因此充電效率亦不佳。
水下ROV系統工作時運行航速的變化，以及動行姿態的變化會導致供電電流波動較大，現有技術ROV水下供電模組需要輸出很大功率才能滿足ROV的用電需求，從而導致水下 ROV供電模組成本很高，製備難度大。據此，亟需設計一種能夠克服線圈之間錯位或偏移，效率低下之充電結構。
本發明之目的，係提供一種水下無人載具充電系統，包含一夾具、一充電模組、一無人載具，及一接收模組。
該夾具包括一固定臂，及二連接於該固定臂兩端且可相對該固定臂向外擴張之活動臂，該充電模組設置於該固定臂與該活動臂中，包括一第一間隔層、一與該第一間隔層間隔設置之第一磁性層、一設置於該第一磁性層上之發射線圈，及一設置於該發射線圈上之第二間隔層，該無人載具包括一充電電池，該接收模組設置於該無人載具中，包括一第三間隔層、一第二磁性層，及一設置於該第二磁性層上且與該充電電池電連接之接收線圈，該接收線圈位於該第三間隔層與該第二磁性層間。
該活動臂向外擴張，使該夾具與該無人載具相對移動，令該發射線圈與該接收線圈對位設置，該活動臂向內收合，使該夾具固定於該無人載具的表面，通入一電力使電流通過該發射線圈而產生電磁場，並於該接收線圈產生感應電動勢，且於該接收線圈上產生感應電流，以對該充電電池進行充電。
較佳地，所述之水下無人載具充電系統，更包含一電力供應模組，其包括一第一連接端，及一第二連接端，該發射線圈具有一第一發射線圈，及一與該第一發射線圈連接之第二發射線圈，該第一發射線圈之一端與該第一連接端電連接，而該第二發射線圈之另一端與該第二連接端電連接，該第一、二供應端與該固定臂連接，該夾具界定出一第一區、一位於該第一區旁之第二區，及一位於該第二區旁之第三區，該發射線圈分佈於該第一、二、三區，該固定臂位於該第二區，該活動臂位於該第一區與該第三區。
較佳地，該充電電池具有一第一端，及一第二端，該接收線圈具有一第一接收線圈，及一與該第一接收線圈連接之第二接收線圈，該第一接收線圈之一端與該第一端電連接，而該第二接收線圈之另一端與該第二端電連接。
較佳地， 當該夾具固定於該無人載具的表面，自該夾具由該固定臂朝該活動臂形成一縱向切面，該第一發射線圈與該第二發射線圈沿該縱向切面上下間隔繞設，該第一接收線圈與該第二接收線圈沿該縱向切面上下間隔繞設。
較佳地，該發射線圈與該接收線圈的間距介於2~10公分。
較佳地，所述之水下無人載具充電系統，更包含一與該夾具連結之驅動模組，用以驅動該活動臂控制該夾具之擴張與收合。
較佳地，所述之水下無人載具充電系統，更包含複數個與該驅動模組連結之夾具，相鄰的二夾具中之充電模組的發射線圈相互串接在一起。
較佳地，該充電模組包括複數個串接之發射線圈，相鄰的二發射線圈為間隔設置，且串接之複數發射線圈的數量為偶數個。
較佳地，該接收模組包括複數個串接之接收線圈，相鄰的二接收線圈為間隔設置，且串接之複數接收線圈的數量為偶數個。
較佳地，該第一、二、三間隔層為一屏蔽材料。
本發明之有益功效在於，藉由圍繞該無人載具之內緣設計的接收模組，配合可夾持於該無人載具表面之夾具設計，使兩者的耦合角度提升至360度，且可容許錯位大，以提升充電效率，該第一發射線圈與該第二發射線圈，以及該第一接收線圈與該第二接收線圈，分別為同一條線圈的一線到底繞設的設計，且該發射線圈與該接收線圈為對稱設置，再者，該發射線圈與該接收線圈設計，使該充電模組與該接收模組的間距可介於2~10公分，提升水下無線充電效率，另外，一線繞到底的發射線圈，只需設置一個電力供應模組，滿足單一個無人載具的輕載，或複數個無人載具的重載之多種充電形態設計。
有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1~4，為本發明水下無人載具充電系統的較佳實施例，其包含一夾具1、一充電模組2、一無人載具3、一接收模組4、一電力供應模組5，及一驅動模組6。本發明之充電系統除了可對無人載具3進行無線充電，更適用於水面商用電動船進行水下的無線充電。
本發明電磁感應原理利用安培定律(電生磁)的發射與法拉第定律(磁生電)的感應，感應後在介質裡(如空氣或是水)有限的範圍內，公式如下：
安培定律:
法拉第定律:
在上述方程式中，符號說明如下：
: 磁場
: 電流密度
: 電通密度
: 電場
: 磁通密度配合參閱圖5、6，及7，該夾具1包括一固定臂11，及二連接於該固定臂11兩端且可相對該固定臂11向外擴張之活動臂12。該夾具1界定出一第一區13、一位於該第一區13旁之第二區14，及一位於該第二區14旁之第三區15。
當該夾具1固定於該無人載具3的表面，自該夾具1由該固定臂11朝該活動臂12形成一如圖2上的b-b縱向切面。
該充電模組2設置於該固定臂11與該活動臂12中，其包括一第一間隔層21、一與該第一間隔層21間隔設置之第一磁性層22、一設置於該第一磁性層22上之發射線圈23，及一設置於該發射線圈23上之第二間隔層24。位於該第一間隔層21與該第一磁性層22間的為一空氣間隔層25。該第一、二間隔層21、24為一屏蔽材料。該第一磁性層22為磁性遮罩材料，利用磁性遮罩材料，改變該發射線圈23的磁場方向，使該充電模組2可以向內集中電磁場能量方向。
該發射線圈23分佈於該夾具1之第一、二、三區13、14、15，該固定臂11位於該第二區14，該活動臂12位於該第一區13與該第三區15。
其中，該發射線圈23具有一第一發射線圈231，及一與該第一發射線圈231連接之第二發射線圈232，該第一發射線圈231與該第二發射線圈232沿該縱向切面上下間隔繞設。該第一發射線圈231與該第二發射線圈232為同一條線圈的一線到底繞設的設計，且纏繞出兩個上下間隔的區塊。
進一步地，該充電模組2可包括複數個串接之發射線圈23，相鄰的二發射線圈23為間隔設置，且串接之複數發射線圈23的數量為偶數個，以因應不同充電需求擴增。
當設置有兩組發射線圈23，由於每一組發射線圈23分別有該第一發射線圈231與該第二發射線圈232，因此，兩組發射線圈23一共有二該第一發射線圈231與二該第二發射線圈232。
配合參閱圖8，為另一實施例，該發射線圈23設置有N個第一發射線圈231與N個第二發射線圈232，為同一條線圈一線到底繞設的設計，且串接之第一發射線圈231與該第二發射線圈232的數量為偶數個，再者，設置有N個發射線圈23，於此，第一組發射線圈23稱為第一個發射線圈23，且串接之發射線圈23數量為偶數個。
該無人載具3包括一充電電池31，該充電電池31具有一第一端311，及一第二端312。
配合參閱圖9、10，及11，該接收模組4設置於該無人載具3中，且為圍繞該無人載具3之內緣設計，包括一第三間隔層41、一第二磁性層42，及一設置於該第二磁性層42上且與該充電電池31電連接之接收線圈43，該接收線圈43位於該第三間隔層41與該第二磁性層42間。其中，該第三間隔層41為一屏蔽材料。該第二磁性層42為磁性遮罩材料，利用磁性遮罩材料，改變該接收線圈43的磁場方向，使該接收模組4有利於接收電磁場感應到的能量方向。
特別說明的是，該發射線圈23與該接收線圈43的設置間隔、設置尺寸、線圈繞射方式、設置數量為相互對稱設置，可依該無人載具3的或商用船隻的外觀調整該發射線圈23與該接收線圈43的設置尺寸，滿足該無人載具3或商用船隻的水下無線充電需求。
該接收線圈43具有一第一接收線圈431，及一與該第一接收線圈431連接之第二接收線圈432，該第一接收線圈431與該第二接收線圈432沿該縱向切面上下間隔繞設。該第一接收線圈431與該第二接收線圈432為同一條線圈的一線到底繞設的設計，且纏繞出兩個上下間隔的區塊。
該第一接收線圈431之一端與該第一端311電連接，而該第二接收線圈432之另一端與該第二端312電連接。
進一步地，該接收模組4可包括複數個串接之接收線圈43，相鄰的二接收線圈43為間隔設置，且串接之複數接收線圈43的數量為偶數個，以因應不同充電需求擴增。
由於該發射線圈23與該接收線圈43為對稱設置，當設置有兩組發射線圈23，亦會設置有兩組接收線圈43，每一組接收線圈43分別有該第一接收線圈431與該第二接收線圈432，因此，兩組接收線圈43一共有二該第一接收線圈431與二該第二接收線圈432。
配合參閱圖12，為另一實施例，該接收線圈43設置有N個第一接收線圈431與N個第二接收線圈432，為同一條線圈一線到底繞設的設計，且串接之第一接收線圈431與該第二接收線圈432的數量為偶數個，再者，設置有N個接收線圈43，於此，第一組接收線圈43稱為第一個接收線圈43，且串接之接收線圈43數量為偶數個。
值得一提的是，該發射線圈23與該接收線圈43的間距介於2~10公分。感應式無線充電需要受電裝置與無線充電裝置相互接觸或貼和，且內部的充電線圈必須互相對齊，對於耦合角度與可容許錯位要求高，因此，只要離無線充電裝置的距離稍遠一些，充電效率就會明顯下降，更何況是進行水下充電，由於水下的介電系數可到81，介電系數越高效率越差，加深了水下無線充電的困難度，透過本發明之發射線圈23與該接收線圈43設計，使該充電模組2與該接收模組4的間距可介於2~10公分，提升水下無線充電效率。
該電力供應模組5包括一第一連接端51，及一第二連接端52，該第一發射線圈231之一端與該第一連接端51電連接，而該第二發射線圈232之另一端與該第二連接端52電連接。該第一、二供應端51、52與該夾具1之固定臂11連接，且該電力供應模組5提供交流電力。
若串接多個夾具1，則第一個夾具1中之發射線圈23的第一發射線圈231與該第一連接端51連接，最後一個夾具1中之發射線圈23的第二發射線圈232與該第二連接端52電連接。因此，只需設置一個電力供應模組5，一線繞到底的發射線圈23設計，滿足單一個無人載具3的輕載，或複數個無人載具3的重載之多種充電形態設計。
該驅動模組6與該夾具1連結，用以驅動該活動臂12控制該夾具1之擴張與收合。
該活動臂12向外擴張，使該夾具1與該無人載具3相對移動，令該發射線圈23與該接收線圈43對位設置，該活動臂12向內收合，使該夾具1固定於該無人載具3的表面，通入該電力供應模組5之交流電力使電流通過該發射線圈23產生交流電磁場而與該接收線圈43上得到感應電動勢，並於該接收線圈43上產生交流感應電流，再將交流電流轉成直流電，以對該充電電池31進行充電。完成充電後，該活動臂12向外擴張，該夾具1與該無人載具3分離。
透過圍繞該無人載具3之內緣設計的接收模組4，配合可夾持於該無人載具3表面之夾具1設計，使兩者的耦合角度提升至360度，同時可容許錯位大，將得以提升充電效率。
不同於習知船身須進入該籠體充電，衍生毀損外殼之安全性疑慮，本發明之設計使用夾持式充電，提升充電之安全性與便利性。且該夾具1與該無人載具3相互夾持在一起，不會因為受風浪帶動晃動，導致兩者的發射線圈23與該接收線圈43產生錯位之困擾，可確實進行水下充電作業。
無線充電時，空氣的介電系數為1，水下的介電系數可到81，介電系數越高效率越差，加深了水下無線充電的困難度。本發明於實驗過程，使用約100伏特的低電壓、約5安培的低電流，即可產生約2~4倍(20安培)的電流， 20秒內可充飽容值為39法拉的超級電容。
實際實施時，可依需求將該接收模組4設計為外掛式，在不需更改該無人載具3的內部結構，將該接收模組4設置於該無人載具3的表面，進而滿足不同使用需求。除此之外，亦可在海上設置充電站，將商用的電動船與充電站進行對接充電，降低旅程焦慮。
配合參閱圖13、14，及15，於另一實施例，水下無人載具充電系統可包含複數個與該驅動模組6連結之夾具1，相鄰的二夾具1中之充電模組2的發射線圈23相互串接在一起。藉此，可同時對多個無人載具3進行水下無線充電。
參閱圖16，為該夾具1的另一實施態樣，該夾具1之固定臂11與該二活動臂12間分別有一間隙16，於圖17中，該充電模組2沿著該固定臂11與該活動臂12內部設置，該充電模組2自該固定臂11穿過該間隙16至該活動臂12。於圖18中，該充電模組2沿著該固定臂11與該活動臂12的內緣設置，同時增加該充電模組2的長度於該間隙16，使該充電模組2於該間隙16中概呈U型，避免該二活動臂12向外開啟時拉扯到該充電模組2，除此之外，於圖19中，虛線為該活動臂12打開的角度，藉此實施態樣設計，該充電模組2會沿著箭頭移動，藉此減少該充電模組2的形變量。
參閱圖20、21，為另一實施例，僅設置一活動臂12，以滿足不同使用需求，便於夾持該無人載具3進行無線充電。
綜上所述，本發明水下無人載具充電系統，藉由該夾具1、該充電模組2、該無人載具3、該接收模組4、該電力供應模組5，及該驅動模組6間相互設置，圍繞該無人載具3之內緣設計的接收模組4，配合可夾持於該無人載具3表面之夾具1設計，使兩者的耦合角度提升至360度，同時可容許錯位大，將得以提升充電效率，該第一發射線圈231與該第二發射線圈232，以及該第一接收線圈431與該第二接收線圈432，分別為同一條線圈的一線到底繞設的設計，且該發射線圈23與該接收線圈43為對稱設置，再者，該發射線圈23與該接收線圈43設計，使該充電模組2與該接收模組4的間距可介於2~10公分，提升水下無線充電效率，另外，一線繞到底的發射線圈23，只需設置一個電力供應模組5，滿足單一個無人載具3的輕載，或複數個無人載具3的重載之多種充電形態設計，故確實可以達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:夾具
11:固定臂
12:活動臂
13:第一區
14:第二區
15:第三區
16:間隙
2:充電模組
21:第一間隔層
22:第一磁性層
23:發射線圈
231:第一發射線圈
232:第二發射線圈
24:第二間隔層
25:空氣間隔層
3:無人載具
31:充電電池
311:第一端
312:第二端
4:接收模組
41:第三間隔層
42:第二磁性層
43:接收線圈
431:第一接收線圈
432:第二接收線圈
5:電力供應模組
51:第一連接端
52:第二連接端
6:驅動模組
圖1是一示意圖，說明本發明的較佳實施例；
圖2是一示意圖，說明該較佳實施例中一夾具固定於一無人載具表面之態樣；
圖3是一示意圖，說明圖1之另一視角態樣；
圖4是一示意圖，說明該較佳實施例之電連接態樣；
圖5是一示意圖，說明該較佳實施例中一充電模組之態樣；
圖6是一示意圖，說明該較佳實施例中該充電模組與一電力供應模組之電連接態樣；
圖7是一示意圖，說明該較佳實施例該夾具向兩端完全展開之態樣；
圖8是一示意圖，說明該較佳實施例中串接N個發射線圈，每一發射線圈串接有N個第一發射線圈與N個第二發射線圈；
圖9是一示意圖，說明該較佳實施例中一接收模組之態樣；
圖10是一示意圖，說明該較佳實施例中該接收模組與一充電電池之電連接態樣；
圖11是一示意圖，說明該較佳實施例中該接收線圈展開之態樣；
圖12是一示意圖，說明該較佳實施例中串接N個接收線圈，每一接收線圈串接有N個第一接收線圈與N個第二接收線圈；
圖13是一示意圖，說明該較佳實施例中連結複數個夾具與複數個無人載具之態樣；
圖14是一示意圖，說明圖13之另一視角態樣；
圖15是一示意圖，說明複數個夾具的電連接態樣；
圖16是一示意圖，說明該較佳實施例中該夾具的另一實施態樣；
圖17是一示意圖，說明圖16中的充電模組態樣；
圖18是一示意圖，說明圖16中的另一種充電模組態樣；
圖19是一示意圖，說明圖16的另一視角態樣；
圖20是一示意圖，說明該較佳實施例中該夾具的又一實施態樣；及
圖21是一示意圖，說明圖20的另一視角態樣。
1:夾具
11:固定臂
12:活動臂
3:無人載具
4:接收模組
Claims (10)
- 一種水下無人載具充電系統，包含︰ 一夾具，包括一固定臂，及二連接於該固定臂兩端且可相對該固定臂向外擴張之活動臂； 一設置於該固定臂與該活動臂中的充電模組，包括一第一間隔層、一與該第一間隔層間隔設置之第一磁性層、一設置於該第一磁性層上之發射線圈，及一設置於該發射線圈上之第二間隔層； 一無人載具，包括一充電電池；及 一設置於該無人載具中的接收模組，包括一第三間隔層、一第二磁性層，及一設置於該第二磁性層上且與該充電電池電連接之接收線圈，該接收線圈位於該第三間隔層與該第二磁性層間； 該活動臂向外擴張，使該夾具與該無人載具相對移動，令該發射線圈與該接收線圈對位設置，該活動臂向內收合，使該夾具固定於該無人載具的表面，通入一電力使電流通過該發射線圈而產生電磁場，並於該接收線圈產生感應電動勢，且於該接收線圈上產生感應電流，以對該充電電池進行充電。
- 依據請求項1所述之水下無人載具充電系統，更包含一電力供應模組，其包括一第一連接端，及一第二連接端，該發射線圈具有一第一發射線圈，及一與該第一發射線圈連接之第二發射線圈，該第一發射線圈之一端與該第一連接端電連接，而該第二發射線圈之另一端與該第二連接端電連接，該第一、二供應端與該固定臂連接，該夾具界定出一第一區、一位於該第一區旁之第二區，及一位於該第二區旁之第三區，該發射線圈分佈於該第一、二、三區，該固定臂位於該第二區，該活動臂位於該第一區與該第三區。
- 依據請求項2所述之水下無人載具充電系統，其中，該充電電池具有一第一端，及一第二端，該接收線圈具有一第一接收線圈，及一與該第一接收線圈連接之第二接收線圈，該第一接收線圈之一端與該第一端電連接，而該第二接收線圈之另一端與該第二端電連接。
- 依據請求項3所述之水下無人載具充電系統，其中，當該夾具固定於該無人載具的表面，自該夾具由該固定臂朝該活動臂形成一縱向切面，該第一發射線圈與該第二發射線圈沿該縱向切面上下間隔繞設，該第一接收線圈與該第二接收線圈沿該縱向切面上下間隔繞設。
- 依據請求項4所述之水下無人載具充電系統，其中，該發射線圈與該接收線圈的間距介於2~10公分。
- 依據請求項1所述之水下無人載具充電系統，更包含一與該夾具連結之驅動模組，用以驅動該活動臂控制該夾具之擴張與收合。
- 依據請求項6所述之水下無人載具充電系統，更包含複數個與該驅動模組連結之夾具，相鄰的二夾具中之充電模組的發射線圈相互串接在一起。
- 依據請求項1所述之水下無人載具充電系統，其中，該充電模組包括複數個串接之發射線圈，相鄰的二發射線圈為間隔設置，且串接之複數發射線圈的數量為偶數個。
- 依據請求項8所述之水下無人載具充電系統，其中，該接收模組包括複數個串接之接收線圈，相鄰的二接收線圈為間隔設置，且串接之複數接收線圈的數量為偶數個。
- 依據請求項1所述之水下無人載具充電系統，其中，該第一、二、三間隔層為一屏蔽材料。
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| TW112116094A TWI835641B (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 水下無人載具充電系統 |
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