一種水下非接觸供電方法及裝置的製作方法

2024-03-10 06:15:15 1

專利名稱：一種水下非接觸供電方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於水下供電技術領域；具體涉及到一種為水下電子設備實現非接觸供電及能量補充的裝置。
背景技術：
隨著海洋與環境開發的迅速發展，自主式水下航行器或者自主式水下機器人(Autonomousunderwater vehicle,AUV)技術成為很多海洋技術發達國家的研究熱點。AUV是一種綜合了人工智慧和其他先進計算技術的任務控制器，集成了深潛器、傳感器、環境效應、計算機軟體、能量儲存、轉換與推進、新材料與新工藝、以及水下智能武器等高科技，軍事上用於反潛戰、水雷戰、偵察監視和後勤支援等領域;AUV還可用於其他一些水下領域，如水下探測、海洋環境監測、海洋測繪等民用領域，此外也可用為工作平臺，實施近岸巡邏、幹擾、潛水支援、水下導向和救援，以及在海洋施工中發揮作用。 另外，越來越多的水下無人值守的專用監測設備如測溫、測深、測流、測繪設備等被廣泛地應用於海洋開發與科學研究。由於完全自主式工作，沒有電纜供電，能源問題成為制約AUV及其它水下無人值守設備性能的最重要因素。AUV續航力、航速和負載能力，以及其它水下無人值守設備的連續工作時間均受制於其可用能源。而可用能源又取決於能源類型、平臺容許的質量和空間等。目前多數AUV和其它水下無人值守設備均採用電池組供電。儘管能量密度(單位重量能量)較低，比能量(單位體積能量)較小，但考慮到成本、壽命、方便性、可維修性、安全性及構件供應的連續性等因素，電池尤其是一次電池和可充電電池(如鋰電池)在今後很長一段時間內仍將佔據主導地位。目前，解決AUV及其它水下無人值守設備能源問題的主要技術途徑有(I)研發更大密度和容量的高性能電池銀氧化物-鋅電池是現有商用電池中能量密度最高的一種，它也是美國海軍大量使用的一種水下航行體動力電池，美國海軍水下武器中心(NUWC)正在開發的充電式鋰鈷電池，能量密度和使用壽命預計比銀鋅-氧化物電池都有所提高。由於電池容量只能使得AUV續航能力及其它水下無人值守設備工作時間有一定的延長，並不能從根本上擺脫電池供電的制約，因此，尋求能夠在水下為AUV及其它水下無人值守設備供電的技術成為可能的發展方向。(2)採用水下非接觸供電方式為AUV及其它水下無人值守設備補充能量由於水具有導電性，海水更是電的良導體，採用水下電纜插頭插拔等接觸式有線連接供電是十分困難的，因此目前有人研究採用基於電磁感應原理的非接觸供電方式為AUV及其它水下無人值守設備補充能量；電磁感應式非接觸能量傳輸採用一種初級次級分離的變壓器，稱為鬆耦合變壓器的裝置來實現電能的非接觸傳輸。電磁感應的有效作用距離是很近的，可以在近距離(毫米級)實現大功率(千瓦級)的能量傳輸，工業上主要用作有軌非接觸式無線供電。電磁感應式非接觸供電技術的局限性在於感應耦合環節的功率傳輸效率是整個系統中的重要環節，由於變壓器初次級線圈之間氣隙的存在使得感應耦合變低，從而成為影響整個系統功率傳輸效率提高的一個瓶頸。氣隙越大，效率越低，當氣隙大於20_時，效率將降低到10%以下。由於海水作為導體介質對於電磁場的衰減比空氣中更為顯著，目前電磁感應技術應用於水下設備非接觸供電的研究只是剛剛開始，有很多物理問題尚未解決，也無成果應用的實例。而且，電磁感應式非接觸供電技術要求充電設備與被充設備實現近距離(毫米級)精密對準，對於AUV這種水下移動平臺而言，要求其自己在水下完成如此高難度精確定位及對準操作，並維持近距離(毫米級)懸停，難度太大，很難實現；因此，需要更為便捷的遠距離(米級)非接觸供電技術。

發明內容
針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在於提供一種可為AUV及其它水·下無人值守設備實現非接觸供電的方法和裝置，利用電聲換能技術，由供電基站將電能轉換為聲能，利用聲波能量匯聚技術，向能量接收端定向輻射聚焦聲波；聲波通過水介質傳播至能量接收端，由其上的接收換能器將聲能又轉換為電能，實現對能量接收端的供電。本發明非接觸供電裝置包括供電基站單元和能量接收單元，供電基站單元固定安裝於水下某處，由岸站通過電纜供電，或者拖曳、安裝於水面平臺如艦艇、浮標下方，由水面平臺通過電纜供電，能量接收單元安裝於AUV等水下移動平臺，或其它水下無人值守的設備上，或由水下平臺或設備拖載，為AUV等水下平臺或其它水下無人值守的設備供電；工作時，AUV或其它水下無人值守的設備上在檢測自身電力不足時，利用通信鏈路(如水聲通信信道)向供電基站單元發出充電請求，獲得應答後，完成向供電基站單元接近及姿態調整等動作，使其接收換能器朝向供電基站單元方向，同時，供電基站單元也調整自身的發射換能器輻射方向，指向AUV或其它水下無人值守的設備，實現水下移動平臺的接收換能器與供電基站單元的發射換能器之間相互瞄準，然後，由供電基站上的發射換能器將電能轉換為換能器輻射表面的振動機械能，向能量接收單元定向輻射聚焦聲波，聲波經過水介質傳播至能量接收單元，由其上的接收換能器轉換為電能，實現對能量接收端的供電，或者對可充電電池進行充電。一般水下移動平臺的接收換能器與供電基站單元的發射換能器之間的距離在數米至數釐米範圍內均可工作(比如O 20m範圍或更遠)，一般在條件允許情況下，應儘量縮短二者之間的距離以提高效率；同時，發射換能器與接收換能器的端面應儘量平行，或者發射換能器的輻射波束指向接收換能器，而接收換能器端面儘量朝向波束到達方向。另外，在有條件的情況下，也可以通過人工調整供電基站單元的位置、姿態及其發射換能器指向，實現對水下平臺的瞄準，主動對水下平臺進行非接觸充電。本發明可以有效地避免電磁感應式非接觸供電技術要求充電設備與被充設備實現近距離(毫米級)精密對準的技術難題，實現對AUV及其它水下無人值守設備的遠距離(米級)非接觸供電；或者在有人值守情況下，主動對水下工作平臺實現非接觸能量補充。本發明具體內容如下如圖I所示是本發明非接觸供電技術與裝置的原理框圖，本發明的非接觸供電裝置包括供電基站單元，如圖I (a)、能量接收單元，如圖1(b)。所述的供電基站單元包括電源輸入模塊11、電源調理模塊12、振蕩電路模塊13、功率放大模塊14、匹配電路模塊15、發射換能器16、聲學匹配器17、聲透鏡18。所述的能量接收單元包括聲透鏡21、聲學匹配器22、接收換能器23、匹配電路模塊24、整流電路模塊25、電源調理模塊26、充電電路模塊27、可充電電池組28。 所述的供電基站單元通過電源輸入模塊11，將各種不同的外部電源電氣連接至電源調理模塊12上，電源輸入模塊11具有不同的外部電源輸入接口，外部電源可以是交流電、直流電、太陽能電池、波浪能發電裝置等輸出的電能。電源調理模塊12是具有輸出穩壓功能的多路電壓調整器，可以是集成穩壓電源 模塊，也可以是分立元件組成的穩壓電路；電源調理模塊12將外部輸入電源電壓調整到供電基站單元中各電路模塊所需的各種電壓，為各電路模塊供電。所述的振蕩電路模塊13由電源調理模塊12供電，用於激勵產生設定頻率的振蕩信號(即振蕩電能)，並電氣連接至所述的功率放大器14進行功率放大，振蕩電路模塊13可以用多諧波振蕩電路，產生設定頻率的方波信號，或者用周期性脈衝發生電路，產生周期性脈衝信號，也可以用正弦波振蕩電路，產生單頻的正弦波信號。所述的功率放大器14由電源調理模塊12供電，並將振蕩電路模塊13產生的振蕩信號進行功率放大，功率放大器14的輸出功率大小由應用需求和電路的負載能力來確定。功率放大器14通過與之電氣連接的匹配電路模塊15，將功率放大後的振蕩信號加載到與之電氣連接的發射換能器16上，匹配電路模塊15是由電感、電容等元件串聯或者並聯組成的匹配網絡，用於改善發射換能器16作為電學負載的功率因數。
所述的發射換能器16將功率放大後的振蕩電能轉換為發射換能器輻射表面振動的機械能，並通過與之固定連接(比如粘結或其他方式固定連接)的聲學匹配器17和聲透鏡18，向經過對準的能量接收單元的接收換能器23定向輻射聲波；所述的發射換能器16可以是壓電式換能器、電動式換能器，也可以是超磁致伸縮換能器等一切可以將電能轉換為機械能的換能器件；發射換能器16可以是窄帶工作的，也可以是寬帶工作的；發射換能器16可以是由多個換能器組成的換能器陣。所述的聲學匹配器17內側與發射換能器16的輻射表面固定連接(比如粘結)，外側與聲透鏡18固定連接，是一個用多層聲阻抗大小不同的聲學材料並按一定順序緊密連接加工而成的聲學結構體，用於實現換能器輻射表面與水介質聲學阻抗的最佳匹配。所述的聲透鏡18固定連接在聲學匹配器17的外側，是一個用聲學材料並加工而成的具有凸或凹的外形的結構體，用於將輻射聲波的能量匯聚在一定的波束角內，該波束角一般小於10度。實際應用時，所述的聲學匹配器17與聲透鏡18可以合併設計為一個兼有二者功能的器件；二者還可以與發射換能器16的輻射面合併設計，使得發射換能器16成為一個兼有電聲換能、聲輻射、聲匹配、聲透鏡四種功能的器件。所述的能量接收單元通過所述的聲透鏡21和外側與之固定連接的聲學匹配器22，將水中的聲波耦合至固定連接在聲學匹配器22內側的接收換能器23的表面；所述的聲透鏡21及聲學匹配器22與供電基站單元中的聲透鏡18及聲學匹配器17具有相似性質的聲學結構體。
所述的接收換能器23將耦合接收到的聲波能量轉換為交流振蕩的電能，所述的接收換能器23可以是壓電式換能器、電動式換能器等一切可以將機械能轉換為交變振蕩電能的換能器件；接收換能器23可以是窄帶工作的，也可以是寬帶工作的；接收換能器23可以是由多個換能器組成的換能器陣。接收換能器23轉換的交變振蕩的電能經過與之電氣連接的匹配電路模塊24加載到整流電路模塊25 ;所述的匹配電路模塊24是由電感、電容等元件串聯或者並聯組成的匹配網絡，用於改善接收換能器23作為聲學負載的功率因數。所述的整流電路模塊25，是一個由多隻整流二極體組成的整流網絡，一般採用橋式整流電路，將接收換能器23轉換得到的交變振蕩的電能轉換為直流電能，並為與之電氣連接的電源調理模塊26供電。所述的電源調理模塊26是具有輸出穩壓功能的多路電壓調整器，可以是集成穩壓電源模塊，也可以是分立元件組成的穩壓電路；電源調理模塊26將整流電路模塊25整 電。所述的充電電路模塊27由電源調理模塊26供電，其輸出端電氣連接著可充電電池組28，用於完成對可充電電池組28的充電；可充電電池組28可以是鋰電池等可充電電池組成的電池組。實際應用時，聲透鏡21和聲學匹配器22可以合併設計為一個兼具能量匯聚和聲學匹配功能的器件，也可以將二者與接收換能器23的接收面合併設計，使得接收換能器23成為一個兼具聲能量匯聚、聲匹配、機電能量轉換功能的器件；另外，所述的電源調理模塊26的輸出也可以直接用於為移動平臺的電子設備供電，或者，所述的電源調理模塊26也可以通過設計併入到充電電路模塊27，只對可充電電池組28充電。本發明帶來的優點與技術效果是(I)由於水是聲波的良好介質,聲波在水中損耗很小，因此相對於利用電磁波方式的非接觸能量傳輸，本發明更能減少能量在傳輸過程中的損耗。(2)由於同頻率聲波相對電磁波而言的波長很小，因此更易於在較小的尺寸下，將聲波能量定向匯聚於一個很窄的波束角內。(3)由於聲波能量高匯聚度的優點，可以在較大距離上實現能量傳輸，避免了電磁感應式非接觸能量傳輸技術所要求的近距離、高精密對準的難題；同時，還方便遠距離非接觸供電技術及裝置的實現。(4)聲波在水下的輻射功率可以達到千瓦數量級，因此，可以實現較大功率的非接觸供電。


圖I本發明非接觸供技術與裝置的原理框圖(a)為供電基站單元，其中，11-電源輸入模塊，12-電源調理模塊，13-振蕩電路模塊，14-功率放大模塊,15-匹配電路模塊,16-發射換能器,17-聲學匹配器,18-聲透鏡。(b)為能量接收單元，其中，21-聲透鏡，22-聲學匹配器，23-接收換能器，24-匹配電路模塊，25-整流電路模塊，26-電源調理模塊，27-充電電路模塊，28-可充電電池組。
圖2本發明非接觸供技術與裝置的實例圖31-信號發生器，32-功率放大器，33-發射換能器，34-水中聲波波束，35-試驗水槽，36-接收換能器，37-橋式整流電路，38-電阻，39-發光二極體。
具體實施例方式下面結合附圖2，通過實例進一步說明本發明，但本發明的範圍並不局限於實施例所描述的範圍。如附圖2所示，是本發明實施的非接觸供電技術與裝置的一個實例。試驗水槽35中灌裝清水至20cm高度，將發射換能器33和接收換能器36面對面固定安放於水槽35內，二者相距10cm。 利用信號發生器31產生一個65. OkHz的正弦信號，經過功率放大器32進行功率放大至15V峰值電壓，電氣連接至中心頻率為65kHz的發射換能器33，發射換能器33向水中輻射聲波波束34，經過水介質傳播至中心頻率相同的接收換能器36，將聲能轉換為電能，可以用示波器觀察到接收電壓峰值約5V，將此輸出連接至一個橋式整流電路37，轉換為直流電壓，再將此直流電壓信號經過一個100 Ω的電阻38，連接至一個發光二極體39，可以觀察到發光二極體39發光，移動換能器相對位置，可以觀察到發光二極體39亮度發生變化。
權利要求
1.一種水下非接觸供電方法，其步驟為 1)水下移動平臺上的能量接收單元利用通信鏈路向固定安裝於水中的供電基站單元發出充電請求； 2)所述移動平臺收到所述供電基站單元的應答信息後，調整所述能量接收單元的接收換能器與所述供電基站單元的發射換能器之間為相互瞄準； 3)所述供電基站單元產生設定頻率的振蕩信號，並對其進行功率放大； 4)所述發射換能器將功率放大後的振蕩電能轉換為振動機械能後，產生向所述能量接收單元定向輻射聚焦聲波； 5)聲波經水介質傳至所述能量接收單元，所述接收換能器將接收的聲波轉換為電能 後，對所述能量接收單元的充電電池進行充電。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於調整所述能量接收單元的接收換能器與所述供電基站單元的發射換能器之間為相互瞄準的方法為調整所述發射換能器的發射端面與所述接收換能器的接收端面相互平行；或者調整所述發射換能器的輻射波束指向所述接收換能器，所述接收換能器的接收端面朝向該輻射波束到達方向。
3.如權利要求I或2所述的方法，其特徵在於所述發射換能器的發射端面與接收換能器的接收端面之間的距離為O 20m ;所述的發射換能器為壓電式換能器、或電動式換能器、或超磁致伸縮換能器。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於將功率放大後的振蕩信號經一匹配電路進行功率調整後發送給所述發射換能器；所述發射換能器經一聲學匹配器，對所述發射換能器輻射表面與水介質聲學阻抗進行最佳匹配後，利用聲透鏡將所發射聲波向所述能量接收單元定向輻射聚焦。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於所述能量接收單元利用一聲透鏡和一聲學匹配器將水中的聲波耦合至與所述接收換能器；所述接收換能器將轉換後的電能經一匹配電路進行功率調整後發送給整流電路模塊；所述整流電路模塊將交變振蕩的電能轉換為直流電能後，對所述能量接收單元的充電電池進行充電。
6.一種水下非接觸供電裝置，包括供電基站單元和能量接收單元；其特徵在於所述供電基站單元包括電源輸入模塊(11)、電源調理模塊(12)、振蕩電路模塊(13)、功率放大模塊(14)、發射換能器(16)、聲透鏡(18);所述能量接收單元包括聲透鏡(21)、接收換能器(23)、整流電路模塊(25)、電源調理模塊(26)、充電電路模塊(27)、可充電電池組(28);其中 電源輸入模塊(11)與電源調理模塊(12)電連接，電源調理模塊(12)分別與振蕩電路模塊(13)、功率放大模塊(14)電連接；功率放大器(14)分別與振蕩電路模塊(13)、發射換能器(16)連接，用於對振蕩電路模塊(13)產生的振蕩信號進行功率放大後輸出到發射換能器(16);發射換能器(16)用於將功率放大後的振蕩電能轉換為振動機械能，並通過與之固定連接的聲透鏡(18)向經對準的接收換能器(23)定向輻射聲波； 聲透鏡(21)用於將水中的聲波耦合至與之固定連接的接收換能器(23);接收換能器(23)用於將耦合接收到的聲波能量轉換為電能後輸出給整流電路模塊(25)，整流電路模塊(25)輸出端依次經電源調理模塊(26)、充電電路模塊(27)與可充電電池組(28)電連接。
7.如權利要求6所述的水下非接觸供電裝置，其特徵在於所述功率放大器(14)經一匹配電路模塊(15)與所述發射換能器(16)電連接。
8.如權利要求6所述的水下非接觸供電裝置，其特徵在於所述發射換能器(16)經一聲學匹配器(17)與所述聲透鏡(18)連接。
9.如權利要求6所述的水下非接觸供電裝置，其特徵在於所述聲透鏡(21)經一聲學匹配器(22)與所述接收換能器(23)連接；所述接收換能器(23)經一匹配電路模塊(24)與所述整流電路模塊(25)電連接。
10.如權利要求6或7或8或9所述的水下非接觸供電裝置，其特徵在於所述發射換能器(16)的發射端面與接收換能器(23)的接收端面相互平行；或者發射換能器(16)的輻射波束指向接收換能器(23),接收換能器(23)的接收端面朝向該福射波束到達方向。
11.如權利要求10所述的水下非接觸供電裝置，其特徵在於所述發射換能器(16)的發射端面與接收換能器(23)的接收端面之間的距離為O 20m ;所述的發射換能器(16)為壓電式換能器、或電動式換能器、或超磁致伸縮換能器。
12.如權利要求6所述的水下非接觸供電裝置，其特徵在於所述振蕩電路模塊(13)為多諧波振蕩電路，所述振蕩信號為設定頻率的方波信號；或者所述振蕩電路模塊(13)為周期性脈衝發生電路，所述振蕩信號為設定頻率的周期性脈衝信號；或者所述振蕩電路模塊(13)為正弦波振蕩電路，所述振蕩信號為設定頻率的單頻正弦波信號。
全文摘要
本發明公開了一種水下非接觸供電方法及裝置，屬於水下供電技術領域。本裝置包括供電基站單元和能量接收單元；其供電方法為首先能量接收單元利用通信鏈路向固定安裝於水中的供電基站單元發出充電請求，獲得應答後，調整能量接收單元的接收換能器與供電基站單元的發射換能器之間為相互瞄準；然後供電基站單元產生設定頻率的振蕩信號並功率放大後，將其轉換為機械能，向能量接收單元定向輻射聚焦聲波；聲波經水介質傳至能量接收單元，將接收的聲波轉換為電能後對能量接收單元的充電電池進行充電。本發明可對AUV及其它水下無人值守設備進行遠距離(米級)非接觸供電，易於實現且能量轉換效率高。
文檔編號H02J7/02GK102684276SQ20121009653
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者李朝暉 申請人:北京大學