一种基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统及其供能方法

本发明涉及一种基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统及其供能方法，属于水下潜航器混合能源系统。

背景技术：

1、随着海洋战略的进一步深化，各国对深远海域的探索迫在眉睫。水下潜航器由于其隐蔽性强、性价比高、可探测区域广、不会出现人员伤亡等特点受到青睐。在水下潜航器众多关键技术中，动力系统直接决定航行器的航程和航速、传感器携带的多少以及是否能完成既定任务。而随着执行任务越来越复杂，对航行器的能源系统要求也越来越高。

2、目前，主流无人潜航器动力主要采用电池技术，具体包含铅酸电池、银锌电池、锂离子电池、燃料电池、柴电混合。不足之处在于：铅酸电池技术发展较早，技术成熟、性能可靠，但由于其能量密度低（30wh/kg）、充放电易产生有害气体等特点，已逐步被淘汰；银锌电池能力密度大（80-110wh/kg），但其循环寿命低、成本高等特点只应用在少数潜航器中；锂离子电池能力密度高、循环寿命高，但不耐受过充、过放，需要设置保护机制而使一部分电量无法使用。同时内部电芯一致性缺陷易造成起火、爆炸等危险，国内外已发生多起储能电站爆炸事件；燃料电池能量转化效率高、噪音小，但其技术还不够成熟，处于应用初期；柴电混合技术能够以相当高的热效率将热能转变为电能，它具有技术成熟度高、使用成本便宜等优点，可长时间在海中作业，目前主要应用在大型潜航器中，但其需要定期上浮至水面才能进行工作，影响任务执行的效率且易被探测到。

3、此外，还有利用铝水、otto-ⅱ、hap三组元燃料、li/sf6等燃料，通过燃烧产生的热量加热水产生高温蒸汽带动涡轮做功从而产生动力的热推进系统，但存在续航时间短的突出问题，主要用于热动力鱼雷，尚未应用于无人潜航器。

4、专利号为202210486811.1的发明专利，公开了一种基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统。该系统包含储罐、涡流管、蓄热器、透平、压缩机等装置。停泊时输入电能，将二氧化碳压缩储存在高压罐中，航行时将二氧化碳释放，使用热泵和涡流管提高工质温度，并在透平中膨胀释能，释能完毕的二氧化碳储存至低压罐中。该专利在储能时依靠电力，需要基站配置大功率充电设备，储能时间较长影响任务部署。包含6台换热设备且携带4台储罐（2台二氧化碳储罐和2台储水罐），储罐和其内部的工质在储能和释能阶段均在潜航器内部，占用大量体积和重量。而无人潜航器由于需要在水下运行，要求整体结构紧凑，而该专利中的方案会使能源系统占用过多空间，不利于搭载设备和任务执行。

5、因此，亟需设计一种能解决上述技术问题的基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统及供能方法。该系统主要依靠液化空气与燃料作为能量来源，结构简单、冗余度高、通过加注液化空气和燃料可实现快速出动，具有效率高的特点，更加适用于水下能源系统。

2、本发明的一种基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统，其特殊之处在于包括供能单元、能源管理单元23、工作单元；通过供能单元进行储能，供能单元通过能源管理单元23将能量输送至工作单元，使工作单元正常工作。

3、所述供能单元包括燃料-液化空气供能模块a、电化学电池供能模块b24、燃料-空气供能模块c、液化空气供能模块d；燃料-液化空气供能模块a、燃料-空气供能模块c、液化空气供能模块d均向电化学电池供能模块b24储能；

4、所述能源管理单元23与电化学电池供能模块b24、工作单元电连接，同时，能源管理单元23还与燃料-液化空气供能模块a、燃料-空气供能模块c、液化空气供能模块d中的电机、电磁阀电连接；

5、所述工作单元为潜航器用电设备19、发电机&电动机21。

6、优选的，所述燃料-液化空气供能模块a包括燃料储罐1、液化空气储罐2，其中，燃料储罐1通过燃料供给路线将燃料送至内燃机3，液化空气储罐2通过液化空气供给线路4将液化空气送至内燃机3，液化空气供给路线4上由液化空气储罐2向内燃机3方向依次设置的深冷泵5、蒸发器6、高压膨胀机组7、换热器8、低压膨胀机组9，深冷泵5连接有深冷泵驱动电机10，高压膨胀机组7连接有高压膨胀机发电机18，低压膨胀机9组连接有低压膨胀机发电机11；低压膨胀机组9与内燃机3之间的管路上设有阀门12，蒸发器6通过进排海水，将海水热量吸收后对经过蒸发器6的液化空气进行气化，内燃机3与换热器8之间设有第一废气管路12，第一废气管路12上设有第二阀门25，换热器8输出端设有第二废气管路13，第二废气管路13出口通至海水中；

7、优选的，所述燃料-空气供能模块c包括燃料储罐1，燃料储罐1通过燃料供给线路4将燃料送至内燃机3，内燃机3连接有用于向内燃机5输送空气的空气管路14，空气管路14上安装有第一阀门15；

8、优选的，所述燃料储罐1为微正压储罐，包含加注口、增压孔以及出口；所述燃料是汽油、柴油、煤油、重油中的任意一种燃料；

9、优选的，所述内燃机3连接有变速箱22，变速箱22包含两根输出轴，分别连接螺旋桨推进器20和发电机&电动机21，发电机&电动机21既可以作为发电机使用又可以作为电动机使用；变速箱22工作模式分为四种：内燃机3动力全部用来驱动推进器20；内燃机3动力全部用于发电；内燃机同3时驱动推进器20和发电机；内燃机3不工作，发电机&电动机21使用电池中的电量输出机械功带动螺旋桨推进器20产生动力；

10、优选的，所述液化空气供能模块d包括液化空气储罐2、 液化空气供能管路16，液化空气供能管路16一端连接液化空气储罐2，另一端位于海水中，液化空气供能管路16上连接第三阀门17，液化空气供能管路16上由液化空气储罐2向第三阀门17方向依次设置有深冷泵5、蒸发器6、高压膨胀机组7，深冷泵5连接有深冷泵驱动电机10，高压膨胀机组7连接有高压膨胀机发电机18；

11、优选的，所述液化空气储罐2储存压力为（0.5mpa-1mpa）顶部安装有放散阀，底部包含一出口以及备用加注口；

12、优选的，所述能源管理单元23分别电连接深冷泵驱动电机10、高压膨胀机发电机18、低压膨胀机发电机11、电化学电池供能模块b24、潜航器用电设备19、发电机&电动机21、第一阀门15、第二阀门25、第三阀门17。

13、本发明的一种基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统的供能方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

14、1）航行模式下的供能：由供能单元产生的能量在供给潜航器用电设备19的同时，驱动推进器20工作，具体过程如下：

15、燃料-液化空气供能模块a或燃料-空气供能模块c供能模式下，内燃机3输出机械能，通过变速箱22将机械能分为两路，一路驱动推进器20；另一路传递至发电机&电动机21中的发电机将机械能转化为电能，电能输出至能源管理单元23；其中，各个发电机均能将产生的电能经供给能源管理单元23传递至电化学电池供能模块b24进行储能；

16、电化学电池供能模块b24供能模式下，能源管理单元23利用电化学电池供能模块b24的电能，分别供给潜航器用电设备19和推进器20工作，其中能源管理单元23将电能依次传递给电动机、变速箱22，变速箱22将电能转化为机械能后供给推进器20；

17、液化空气供能模块d供能模式下，高压膨胀机发电机18产生电能供给能源管理单元23，能源管理单元23利用电能，分别供给潜航器用电设备19和推进器20工作，其中能源管理单元23将电能依次传递给电动机、变速箱22，变速箱22将电能转化为机械能后供给推进器20；其中，各个发电机均能将产生的电能经供给能源管理单元23传递至电化学电池供能模块b24进行储能；

18、2）在静止模式下的供能：由供能单元产生的能量仅供给潜航器用电设备19，具体过程如下：

19、燃料-液化空气供能模块a或燃料-空气供能模块c供能模式下，内燃机3输出机械能，变速箱22将机械能传递至发电机&电动机21中的发电机将机械能转化为电能，电能输出至能源管理单元23；其中，各个发电机均能将产生的电能经供给能源管理单元23传递至电化学电池供能模块b24进行储能；

20、电化学电池供能模块b24供能模式下，能源管理单元23利用电化学电池供能模块b24的电能，供给潜航器用电设备19；

21、液化空气供能模块d供能模式下，高压膨胀机发电机18产生电能供给能源管理单元23，能源管理单元23利用电能，分别控制潜航器用电设备19；其中，各个发电机均能将产生的电能经供给能源管理单元23传递至电化学电池供能模块b24进行储能；

22、3）供能单元的选择：

23、当潜航器被允许上浮至海面时，默认供能单元为燃料-空气供能模块c；

24、当潜航器不被允许上浮至海面时，供能单元为燃料-液化空气供能模块a、电化学电池供能模块b24、液化空气供能模块d；一般默认供能单元为燃料-液化空气供能模块a；

25、当潜航器被要求降低噪音时，供能单元为电化学电池供能模块b24、液化空气供能模块d，默认供能单元为电化学电池供能模块b24；当潜航器被要求静音避免被探测到时，默认供能单元为电化学电池供能模块b24。

26、本发明一种基于液化空气储能的水下潜航器混合能源系统具有以下有益效果：

27、1、本发明在无人潜航器能源中引入液化空气，既可以作为氧化剂用于内燃机的燃烧供能，又能够独立给潜航器用电设备及推进器供能，还能给电化学电池储能。相比专利号为202210486811.1的发明专利采用2台二氧化碳储罐和2台储水罐以及多个储热罐，且航行全程，储存的二氧化碳和水不会排出系统，一直携带；本技术只需燃料储罐、液化空气储罐两个储罐，且航行中逐渐消耗减少，逐渐减轻系统重量，减少负载。

28、2、本发明可以减少电化学电池的配置容量，减轻系统重量，增加安全性。

29、3、液化空气供能模块a/燃料-空气供能模块c/液化空气供能模块d供能时,均可利用管路上的发电机对电化学电池供能模块b进行储能。不论潜航器下潜至水中还是上浮至水面状态，均可对电化学电池供能模块b进行充电。

30、4、充分利用内燃机废气中的热量对液化空气进行加热，提高能量利用率。

31、5、液化空气的冷能通过蒸发器传递至海水，海水被冷却，被冷却的海水既可以直接排放，也可以收集起来用于潜航器电子设备的冷却。

32、6、多种供能方式可供选择，续航时间长，增加了潜航器的可靠性、安全性，同时可满足航行、静止、噪声要求、下沉上浮多种不同场景的要求。且供能方式可手动和自动切换，操作方便。

33、7、高压膨胀机发电机、低压膨胀机发电机和工作模块的发电机，将能量收集转化为电能传递至能源管理单元，提高能量利用率。高压膨胀机发电机、低压膨胀机发电机可合并为一个发电机，一个发电机同时驱动高压膨胀机和低压膨胀机，简化结构，降低成本。