一种混合动力的多工况水下航行器

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1.本发明涉及的是一种水下航行器，具体地说是混合动力水下航行器。

背景技术：

2.浩瀚的海洋蕴含着各类资源，探索海洋，向更远更深的海洋扩展是我们必然的选择。随着技术进步，海洋事业得以迅猛发展，水下无人航行器已经成为人类探索与认识海洋、保护海洋生态环境、开发利用海洋资源的一种不可替代的高科技装备。水下无人航行器有许多种分类，如自主水下航行器(autonoumos underwater vehicles，auv)、自主水下滑翔机(autonomous underwater glider，aug)等。自主水下航行器是不需要人工干预，通过自身携带的能源和推进系统，进行自主航行控制、自主执行作业任务的水下无人航行器，该类航行器具有流线型的外形，常采用螺旋桨推进装置；自主水下滑翔机是依靠浮力调节装置、俯仰调节装置及航向调节装置分别实现对净浮力、俯仰角和航向角的有效控制，从而实现水中滑翔运动的水下航行器，其无外挂推进装置，利用两侧的机翼，通过滑翔运动的方式向前航行。自主水下航行器和自主水下滑翔机作为两种不同的海洋装备，目前鲜有将自主水下航行器与自主水下滑翔机的优势及推进方式融于一体来实现水下航行器的多工况运行目的。
3.自主水下航行器常采用电力能源作为航行器水下工作的主要能源，且目前大多使用的是一次电池与二次电池，如铅酸蓄电池、银锌电池、锂电池等，然而这些电池在能量密度方面的提升潜力小，自主水下航行器往往在执行完任务后就需要返航由母船回收并进行充电，所能自主完成的任务次数少。燃料电池作为水下无人航行器最有潜力的能源之一，一直受到国内外研究者的关注，燃料电池是指利用燃料(如氢气或含氢燃料)和氧化剂(如纯氧或空气中的氧)直接发电的装置，具有能量密度大、电化学反应转换效率大、无污染气体排出等优点。然而燃料电池发电系统的动态响应速度较慢，这容易导致在水下航行器的负载变大时，难以满足功率需求，同时也难以满足燃料电池在稳定功率下放电，燃料电池的频繁启停以及工况变化会导致燃料电池的寿命下降，系统的可靠性降低，也会导致燃料的低效率使用，所以燃料电池发电系统在工作时其输出功率需保持在最佳的功率区间以内，且应使输出功率的波动达到最小，为防止运行工况的频繁改变，燃料电池常需要配备一定电容量的锂电池。锂电池作为辅助装置可以起到储能和辅助发电的作用，一方面由于燃料电池并不具备自动启动功能，可以通过锂电池在燃料电池的启动过程中提供短暂的脉冲，来帮助完成燃料电池的启动过程，另一方面考虑到燃料电池特殊的动态特性，配备锂电池来实现“削峰填谷”的功能，以维持推进系统的功率平衡以及电压的稳定装备有燃料电池与锂电池结合的混合动力系统，有助于水下航行器执行多次任务及多工况运行。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供具有多种推进方式、适应于多工况运行的一种混合动力的多工况水下航行器。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：包括艇体，艇体包括依次相连的流线型艏部、可旋转舱室、前端电机舱室、任务设备舱室、浮力调节及燃料电池舱室、锂电池舱室、非对称艉部、导管螺旋桨，可旋转舱室里安装侧推螺旋桨，前端电机舱室里设置行星齿轮传动机构、右侧电机、左侧电机，行星齿轮传动机构连接行星齿轮传动电机，艇体外部的左右两侧分别安装艇体左侧装置包、艇体右侧装置包，艇体左侧装置包包括左侧蜗轮、左侧滑翔机翼，左侧蜗轮与左侧蜗杆构成传动机构，左侧蜗杆、左侧滑翔机翼连接左侧电机，艇体右侧装置包包括右侧蜗轮、右侧滑翔机翼，右侧蜗轮与右侧蜗杆构成传动机构，右侧蜗杆、右侧滑翔机翼连接右侧电机，非对称艉部处安装舵，舵通过舵杆传动。
7.本发明还可以包括：
8.1、非对称艉部的后部包括非对称的上部曲线段和下部曲线段，上部曲线段保持朝上状态，下部曲线段保持朝下状态。
9.2、锂电池舱室里设置蜂窝形排列锂电池组，蜂窝形排列锂电池组包括1号锂电池组和2号锂电池组；浮力调节及燃料电池舱室里设置燃料电池电堆、航行器电网，燃料电池电堆分别连接第一开关、第二开关、第三开关，第一开关连接航行器电网，第二开关连接2号锂电池组，第三开关连接1号锂电池组，第二开关后方设置第五开关，第三开关后方设置第四开关，第四开关和第五开关均连接航行器电网，航行器电网分别连接侧推器电机、行星齿轮传动电机、左侧电机、右侧电机、舵机系统、艉部推进电机，侧推器电机连接侧推螺旋桨。
10.3、航行器本体在非稳定运行工况时，1号锂电池组和2号锂电池组交替作为供电来源；当1号锂电池组和2号锂电池组处于满电量状态时，燃料电池电堆不工作，此时第一开关、第二开关、第三开关和第五开关打开，第四开关闭合，1号锂电池组由通入航行器电网供电。
11.4、航行器本体在非稳定运行工况，且当1号锂电池组处于低电量状态时，燃料电池电堆在其额定工况下运行，2号锂电池组处于放电状态，此时第一开关、第二开关、第四开关打开，第三开关和第五开关闭合，燃料电池电堆产生的电向1号锂电池组供电，1号锂电池组处于充电状态；2号锂电池组产生的电流入航行器电网，航行器电网供电。
12.5、航行器本体在稳定工况航行时，由燃料电池电堆作为供电来源，1号锂电池组和2号锂电池组作为辅助动力，此时第二开关、第三开关打开，第一开关、第四开关和第五开关闭合，燃料电池电堆产生的电流入航行器电网，航行器电网中的电流入艉部推进电机。
13.本发明的优势在于：混合动力的多工况水下航行器，首先艉部外形设计成非对称形非对称螺旋桨桨毂所在中心线向下偏移平行中体中心线，使得导管螺旋桨具有一定的下置式，下直式的布置有利于螺旋桨推进器在近水面航行时浸没在水中，降低螺旋桨推进器暴露在空气中的风险，如遇到近海底复杂环境，如多草、多鱼、复杂海底地形时可以在近水面运动，而且可以在风浪较小或水面平静时，可通过近水面航行自主驶向母船，便于回收。其次，艇体包含有可旋转舱室，可旋转舱室主要包含有侧推螺旋桨，该舱室有一滑槽，通过与外部壳体相连，通过电机带动行星齿轮传动机构以实现对舱室的旋转，从而改变侧推螺旋桨的位置，进而实现不同方位的侧推。使用侧推螺旋桨的目的在于提供除十字形排列的舵系统之外的额外侧推力。其次，艇体包含有滑翔机构，当处于滑翔工况时，如下潜或上浮，滑翔机构通过电机带动蜗杆，通过蜗轮蜗杆传动从而伸展机翼，机翼可改变水动力的作
用方向，在机翼的作用下利用升力进行滑翔运动。同时艇体包含蜂窝形排列锂电池组，蜂窝形排列的锂电池组中的锂电池并非同时充电或放电，而是分为1号锂电池组与2号锂电池组，根据不同的工况需求进行充放电。最后，本发明所具有的燃料电池-锂电池混合动力系统，可根据不同的航行器工况所需的动力，通过燃料电池的放电与锂电池的充放电配合，来实现航行器不同工况的运行，有助于航行器的多工况运行及完成多次任务。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；
15.图2为非对称艉部示意图；
16.图3为可旋转舱室结构示意图；
17.图4为右侧滑翔机构结构示意图；
18.图5为蜂窝形排列锂电池组示意图；
19.图6为滑翔机翼展开时水下航行器的轴测图；
20.图7为滑翔机翼展开时水下航行器的俯视图；
21.图8为航行器直航俯视图；
22.图9为航行器直航前视图；
23.图10为航行器处于燃料电池-锂电池混合动力系统工作模式图。
具体实施方式
24.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
25.结合图1-10，本发明混合动力的多工况水下航行器，包括前端由二次抛物线线型构建的流线型艏部24；所述流线型艏部24后接可旋转舱室1，该舱室内安装有侧推螺旋桨2，所述可旋转舱室包含滑槽103，通过滑槽103与航行器本体外壳进行相对旋转；
26.可旋转舱室1后与行星齿轮传动机构3连接，行星齿轮传动机构3包括内齿轮105和外齿轮104，与行星齿轮传动电机4连接；可旋转舱室1后为前端电机舱室25，所述前端电机舱室25中包括行星齿轮传动机构3、右侧电机5、左侧电机8；
27.航行器右侧连接艇体右侧装置包13，所述航行器左侧连接艇体左侧装置包14，所述艇体左侧装置包14包括左侧蜗轮10、左侧滑翔机翼12，左侧蜗轮10与左侧蜗杆9构成传动机构，左侧蜗杆9与所述前端电机舱室25的左侧电机8相连；所述艇体右侧装置包13包括右侧蜗轮7、右侧滑翔机翼11，所述右侧蜗轮7与右侧蜗杆6构成传动机构，右侧蜗杆6与所述前端电机舱室25的右侧电机5相连；
28.前端电机舱室25后与任务设备舱室15连接；所述任务设备舱室15后与浮力调节及燃料电池舱室16相连；所述浮力调节与燃料电池舱室16后与锂电池舱室17连接，所述锂电池舱室17中包括蜂窝形排列锂电池组18，所述蜂窝形排列锂电池组18分为1号锂电池组173与2号锂电池组174；所述锂电池舱室17后为十字形排列的舵20，舵20由舵杆19传动；
29.航行器艇体艉部为非对称艉部22，航行器运行时，所述非对称艉部22的上部曲线段221保持朝上状态，下部曲线段222保持朝下的状态。
30.本发明的混合动力的多工况水下航行器可适用于航行器需多次执行往返任务的场景，以下通过具体的实施方式进行说明：
31.请参照图1和图10，本发明的燃料电池-锂电池动力系统基本原理描述如下：
32.混合动力的多工况航行器，包括浮力调节及燃料电池舱室16，所述浮力调节及燃料电池舱室16包含燃料电池电堆161，所述燃料电池电堆161工作时仅有放电行为；
33.1号锂电池组173和2号锂电池组174，各自都具有维持艉部推进电机21、舵机系统26、左侧电机8、右侧电机19、行星齿轮传动电机4、侧推器电机204及其他用电设备工作的能力；所述1号锂电池组173和2号锂电池组174根据不同的工况及各自所处电量情况进行放电或由燃料电池电堆161供电，从而进行充电。
34.混合动力的多工况航行器在非稳定运行工况由，由所述1号锂电池组173和2号锂电池组174交替作为主要供电来源。当1号锂电池组173和2号锂电池组174处于满电量状态时，燃料电池电堆161不工作，此时开关1、开关2、开关3和开关5打开，开关4闭合，1号锂电池组173，经过双向dc/dc转换器171升压和稳压由通入航行器电网175向各部分用电设备供电；
35.混合动力的多工况航行器在非稳定运行工况，且当1号锂电池组173处于低电量状态时，燃料电池电堆161在其额定工况下运行，2号锂电池组174处于放电状态，此时开关1、开关2、开关4打开，开关3和开关5闭合，燃料电池电堆161产生的电通过单向dc/dc转换器162和双向dc/dc转换器171向1号锂电池组173供电，1号锂电池组173处于充电状态；2号锂电池组174产生的电通过双向dc/dc转换器进行升压和稳压后，流入航行器电网175，航行器电网175向各用电设备供电。由此，1号锂电池组173和2号锂电池组174交替充放电，维持航行器运行，而燃料电池电堆始终处于额定工况运行，避免频繁启停。
36.混合动力的多工况航行器在稳定工况航行时，如水下直航或水面直航时，由所述燃料电池电堆161作为主要供电来源，而1号锂电池组173和2号锂电池组174作为辅助动力，此时开关2、开关3打开，开关1、开关4和开关5闭合，燃料电池电堆161产生的电通过单向dc/dc转换器162进行升压和稳压后流入航行器电网175，航行器电网175中的电通过单向dc/dc转换器210流入艉部推进电机21，从而在水下直航或水面直航时稳定工作；所述1号锂电池组173和2号锂电池组174根据具体工况进行充放电。
37.请参照图1和图10，本发明的实施例一为：
38.混合动力的多工况航行器，在停泊工况下，开关1、2、3、4、5全开，浮力调节及燃料电池舱室16中的燃料电池电堆161与1号锂电池组173和2号锂电池组174均不供电，系统处于非运行状态。
39.请参照图1和图10，本发明的实施例二为：
40.混合动力的多工况航行器，在滑翔工况，且1号电池组非满电量时，所述1号锂电池组173处于充电状态，2号锂电池组174处于放电状态，燃料电池电堆161处于放电状态，开关1、开关2、开关4打开，开关3和开关5闭合；
41.燃料电池电堆161产生的电通过单向dc/dc转换器162调节电压后，流经开关3处的电路，再通过双向dc/dc转换器171调节电压后向所述1号锂电池组173供电；所述2号锂电池组174产生的电，通过双向dc/dc转换器172升压和稳压后汇入航行器电网175；
42.混合动力的多工况水下航行器，在该工况下需要使用滑翔机构。所述航行器电网175的电一方面通入单向dc/dc转换器121进行电压调节后，通入右侧电机5，所述右侧电机5带动右侧传动机构后使右滑翔机翼11转动，另一方面则通过单向dc/dc转换器122进行电压
调节后，通入左侧电机8，所述左侧电机8带动左侧传动机构后使左侧滑翔机翼12转动，该工况下滑翔机翼处于展开状态。
43.请参照图1和图10，本发明的实施例三为：
44.混合动力的多工况水下航行器，在水下直航、近水面直航及其他稳定航行工况时，燃料电池电堆161处于放电状态，1号锂电池组173和2号锂电池174根据自身电量情况与航行器用电情况进行充放电行为；此时，开关2和开关3打开，开关1、开关4和开关5闭合；
45.在该类工况下，所述燃料电池电堆161产生的电通过单向dc/dc转换器162进行升压和稳压后，通过开关1处的电路汇入航行器电网175，所述航行器电网175中的电通过单向dc/dc转换器210调节电压后向艉部推进电机21供电，所述艉部推进电机21运转带动导管螺旋桨23旋转，从而使航行器获得持续稳定的推力。
46.请参照图1和图10，本发明的实施例四为：
47.混合动力的多工况水下航行器，在转向、加减速等工况时，燃料电池电堆161根据锂电池组的电量，向1号锂电池组173(或2号锂电池组)进行供电，当1号锂电池组处于放电状态，2号锂电池组处于充电状态时，开关1、开关2和开关4打开，开关3和开关5闭合。
48.在该类工况下，所述燃料电池电堆161产生的电通过单向dc/dc转换器162进行电压调节后，通过双向dc/dc转换器171进行电压调节后向所述1号锂电池组173供电；所述2号锂电池组174产生的电通过双向dc/dc转换器172升压和稳压后汇入所述航行器电网175；
49.航行器电网175的电通过单向dc/dc转换器210进行电压调节后向艉部推进电机21供电，所述艉部推进电机21带动导管螺旋桨23；
50.混合动力的多工况水下航行器，在这类工况下，使用舵机系统进行操纵控制时，所述航行器电网175为舵机系统26供电，在舵杆19传动下带动舵20转动；使用侧推螺旋桨2提供额外操纵力时，所述航行器电网175的电通过单向dc/dc转换器202进行电压调节后向侧推器电机204供电，所述侧推器电机204带动侧推螺旋桨2旋转；需要使可旋转舱室旋转时，所述航行器电网175的电通过单向dc/dc转换器201进行电压调节后向行星齿轮传动电机4供电，所述行星齿轮传动电机4通过行星齿轮传动装置带动可旋转舱室1旋转。
51.综上所述，本发明提供的一种混合动力的多工况水下航行器，具有多种推进模式，能实现多工况运行的目的，有助于航行器完成多次任务。

技术特征：

1.一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：包括艇体，艇体包括依次相连的流线型艏部、可旋转舱室、前端电机舱室、任务设备舱室、浮力调节及燃料电池舱室、锂电池舱室、非对称艉部、导管螺旋桨，可旋转舱室里安装侧推螺旋桨，前端电机舱室里设置行星齿轮传动机构、右侧电机、左侧电机，行星齿轮传动机构连接行星齿轮传动电机，艇体外部的左右两侧分别安装艇体左侧装置包、艇体右侧装置包，艇体左侧装置包包括左侧蜗轮、左侧滑翔机翼，左侧蜗轮与左侧蜗杆构成传动机构，左侧蜗杆、左侧滑翔机翼连接左侧电机，艇体右侧装置包包括右侧蜗轮、右侧滑翔机翼，右侧蜗轮与右侧蜗杆构成传动机构，右侧蜗杆、右侧滑翔机翼连接右侧电机，非对称艉部处安装舵，舵通过舵杆传动。2.根据权利要求1所述的一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：非对称艉部的后部包括非对称的上部曲线段和下部曲线段，上部曲线段保持朝上状态，下部曲线段保持朝下状态。3.根据权利要求1所述的一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：锂电池舱室里设置蜂窝形排列锂电池组，蜂窝形排列锂电池组包括1号锂电池组和2号锂电池组；浮力调节及燃料电池舱室里设置燃料电池电堆、航行器电网，燃料电池电堆分别连接第一开关、第二开关、第三开关，第一开关连接航行器电网，第二开关连接2号锂电池组，第三开关连接1号锂电池组，第二开关后方设置第五开关，第三开关后方设置第四开关，第四开关和第五开关均连接航行器电网，航行器电网分别连接侧推器电机、行星齿轮传动电机、左侧电机、右侧电机、舵机系统、艉部推进电机，侧推器电机连接侧推螺旋桨。4.根据权利要求3所述的一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：航行器本体在非稳定运行工况时，1号锂电池组和2号锂电池组交替作为供电来源；当1号锂电池组和2号锂电池组处于满电量状态时，燃料电池电堆不工作，此时第一开关、第二开关、第三开关和第五开关打开，第四开关闭合，1号锂电池组由通入航行器电网供电。5.根据权利要求3所述的一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：航行器本体在非稳定运行工况，且当1号锂电池组处于低电量状态时，燃料电池电堆在其额定工况下运行，2号锂电池组处于放电状态，此时第一开关、第二开关、第四开关打开，第三开关和第五开关闭合，燃料电池电堆产生的电向1号锂电池组供电，1号锂电池组处于充电状态；2号锂电池组产生的电流入航行器电网，航行器电网供电。6.根据权利要求3所述的一种混合动力的多工况水下航行器，其特征是：航行器本体在稳定工况航行时，由燃料电池电堆作为供电来源，1号锂电池组和2号锂电池组作为辅助动力，此时第二开关、第三开关打开，第一开关、第四开关和第五开关闭合，燃料电池电堆产生的电流入航行器电网，航行器电网中的电流入艉部推进电机。

技术总结

本发明的目的在于提供一种混合动力的多工况水下航行器，包括流线型艏部、可旋转舱室、左右侧装置包、前端电机舱室、浮力调节及燃料电池舱室、锂电池舱室。可旋转舱室与艏部及前端电机舱室连接，左右侧装置包与航行器主体联结，包括蜗轮蜗杆传动机构和滑翔机翼，前端电机舱室包含带动可旋转舱室旋转的行星齿轮传动机构及电机，包括左、右侧电机，左、右侧电机与各侧的蜗杆连接；浮力调节及燃料电池舱室包含有浮力调节系统与燃料电池系统锂电池舱室包括蜂窝形排列锂电池组。本发明将燃料电池系统与锂电池组结合，将滑翔机翼与导管螺旋桨融于航行器本体，将侧推螺旋桨设置于可旋转舱室中，能够适应水下航行器多工况运行，实现多次任务执行的需求。任务执行的需求。任务执行的需求。