UUV用动力锂电池综述

本文综述了动力锂电池应用于无人水下潜航器(UUV)的研究现状。通过与UUV传统动力电池、铝氧半燃料电池和燃料电池对比,分析了锂电池作为UUV动力能源的必然性。展望了UUV用动力锂电池未来的发展方向,包括提高单体电池比能量,加强电源系统安全性,建立模块化、标准化体系和应用于混合动力系统。     

联合动力船舶废热回收系统设计及有效能分析

联合动力系统和双燃料主动力是绿色船舶节能减排低碳降耗的发展趋势,然而大量的废热排放及船舶发电机噪声污染降低了新系统的能源利用率与舒适度。因此,将固体氧化物燃料电池（SOFC）取代船舶发电机,并在废气涡轮（ET）与SOFC联合的母型船运行参数的基础上,将SOFC废热和ET与有机朗肯循环（ORC）结合,提出一种余热回收系统,构建相应的系统能量及?模型,选取不同工质对系统进行设计,并对整个系统各部件进行热力学及有效能分析。结果表明：R245fa为最合适有机工质,净输出功为55.68k W。整个系统的有效能损失中,内源性有效能损失占比为89.73%,可避免损失占比63.25%。通过废热回收和SOFC/ET的联合使用有助于提高船舶的能源效率,同时降低运营成本。     

船用高温固体氧化物燃料电池方案的可行性探讨

相比于其他氢能燃料电池方案,高温固体氧化物燃料电池（SOFC）与天然气燃料方案具有燃料成本低、联合循环的系统效率高、天然气燃料储-输-用经济和安全性高等优点,适合于中大型船舶与远海航行的应用场景。本文从船用紧凑式制氢重整器、船用能源系统集成等关键技术方面讨论讨论该方案在船上应用的可行性,为船用SOFC技术路线的发展提供可行性参考。     

无人潜水器及其动力系统技术发展现状及趋势分析

介绍了国外典型的UUV及动力系统的发展概况,论述了UUV将在未来海洋资源开发和竞争中发挥重要作用;燃料电池、热气机将是未来UUV动力系统发展的主要方向;采用Li+SF6的金属燃料化学反应或蓄热材料为能源的热气机系统,具有较高的能量密度,无排放物、可满足UUV的超大潜深工作要求,是未来UUV的理想动力系统.     

燃料电池混合动力系统的极小值控制策略

质子交换膜燃料电池和蓄电池构成的混合动力系统在UUV上有着广阔的应用前景。由于燃料电池自身的工作效率和循环寿命与其工作状态直接相关,因此协调2个能量单元之间的功率分配就成了混合动力系统在开发过程中的关键任务。为了利用能量分配使整个系统工况达到最优,一系列最优化控制理论在混合动力系统中得到应用,并发挥了重要作用。为了将系统的等效氢气消耗总量降到最低,本文重点介绍一种针对UUV混合动力系统的基于极小值原理的能量管理策略。相比之前的控制策略,本文方法能够将全局优化问题转化为局部优化问题,且无需全航程的功率信息作为先验知识。最后利用某小型UUV的典型功率负载曲线开展模拟计算,计算结果显示,从3种不同的初始值开始计算过程最终都能收敛至最优解的某个邻域内,说明提出的控制算法具有很好的鲁棒性,能够在UUV的能量管理系统中实现很好的在线功率分配,达到等效氢耗量最小的优化目标。本文方法具有计算效率高、占用内存少的优势,为实现工程应用中的在线调节创造了可能。     

燃料电池混合动力系统的极小值控制策略

质子交换膜燃料电池和蓄电池构成的混合动力系统在UUV上有着广阔的应用前景。由于燃料电池自身的工作效率和循环寿命与其工作状态直接相关,因此协调2个能量单元之间的功率分配就成了混合动力系统在开发过程中的关键任务。为了利用能量分配使整个系统工况达到最优,一系列最优化控制理论在混合动力系统中得到应用,并发挥了重要作用。为了将系统的等效氢气消耗总量降到最低,本文重点介绍一种针对UUV混合动力系统的基于极小值原理的能量管理策略。相比之前的控制策略,本文方法能够将全局优化问题转化为局部优化问题,且无需全航程的功率信息作为先验知识。最后利用某小型UUV的典型功率负载曲线开展模拟计算,计算结果显示,从3种不同的初始值开始计算过程最终都能收敛至最优解的某个邻域内,说明提出的控制算法具有很好的鲁棒性,能够在UUV的能量管理系统中实现很好的在线功率分配,达到等效氢耗量最小的优化目标。本文方法具有计算效率高、占用内存少的优势,为实现工程应用中的在线调节创造了可能。     

无人水下航行器与操雷

对未来水下信息战中用途广泛的无人水下航行器(UUV)与操雷进行了比较,分析了操雷的动力系统、控制系统、自导系统、内测系统、线导系统、操雷系统及操雷仪表等,提出应用成熟的操雷技术研究开发UUV,以及把操雷改装为UUV的技术捷径。介绍了成本低廉的人控水下航行器(MUV),建议利用MUV来部分替代UUV的技术。     

船用固体氧化物燃料电池多物理场耦合模型与热应力分析

为拓展燃料电池在船舶领域内的应用,针对固体氧化物燃料电池（SOFC）作为典型船舶电力推进系统动力时的电化学性能和热应力场分布规律进行研究。以实际生产的SOFC为原型,基于有限元法分别建立了矩形和弧形流道的多物理场三维模型,分析了典型工况下电极电化学反应、多组分传质和传热过程的耦合特性,并模拟了不同功能层的热应力。结果表明：相同工况下,相较于矩形流道,弧形流道在气体组分和温度梯度分布上更均匀;阴极电解质接触面上的热应力要高于阳极侧,且弧形流道的最大值相较于矩形流道,减少了43.3%;电流密度的最大值均位于肋板与电极交界处。     

世界首艘燃料电池船诞生

全球第一艘把燃料电池作为动力系统的船舶试验项目“FellowShip”，2010年1月在挪威和德国资金支持下顺利实施，由DNV（挪威船级社）对燃料电池的安全和风险进行了核查和认定，并制定出全球首个船用燃料电池入级认证规范。     

船舶用燃料电池-锂电池混合动力系统协同控制策略

船舶用燃料电池-锂电池混合动力系统是由燃料电池作为主电源,锂电池作为辅助电源。本文提出一种基于功率解耦的外部能效最大协同优化策略对混合能源进行输出功率分配,并与双闭环PI控制策略、传统外部能效最大化策略（EEMS）进行对比分析,以验证所提出协同控制策略的优越性。     

海底对无人水下航行器水动力性能的影响

为了保证无人水下航行器（UUV）近海底作业时的安全性及作业效率,需要分析海底对UUV水动力性能的影响。基于计算流体力学（CFD）方法对UUV靠近海底时的水动力参数进行求解,通过数值模拟UUV近海底附近的流场,得到了UUV阻力系数和升力系数随雷诺数、距海底的距离和攻角3个参数的变化规律,并针对UUV受到的阻力、吸引力以及流场特性的变化进行具体分析。结果表明,在距离海底一定范围内,UUV受到的阻力和吸引力都会增大,吸引力更为明显,这为UUV的实际工作提供了一定指导。     

铝水燃烧UUV混合动力系统性能计算

介绍了一种基于铝水燃烧的UUV混合动力系统(HAC)概念,并在给定燃烧室温度及换热器效率条件下结合系统组件建立性能计算模型。根据结果分析可知,输出功率相同时,系统能量密度随燃烧室温度升高而升高,随工作深度增加而降低;绝热压缩时较低涡轮压力比(PR)及等温压缩时较高PR均有利于系统性能提升;HAC系统能量密度相比现有锂电池技术提升10倍,相比SOFC提升近5倍;在考虑中性浮力时仍可达到锂电池的9倍以上。计算结果可为HAC系统评估和设计提供参考。     

燃烧电池—21世纪常规潜艇的新能源

描述了常规潜艇ＡＩＰ（Ａｉｒ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ）动力系统的发展状况,探讨了燃料电池ＡＩＰ的基本原理、特点及发展现况,由此展望２１世纪燃料电池新能源将成为常规潜艇的发展方向。     

基于MATLAB平台的燃料电池系统建模及外特性仿真

本文建立了燃料电池系统的数学模型,采用MATLAB/SIMULINK平台建立了燃料电池系统及动力系统的仿真模型;通过仿真计算,研究了燃料电池系统与动力系统之间的关系。结果表明,仿真模型具有良好的匹配性及适用性,该研究方法可以应用于燃料电池及动力系统的特性仿真、优化设计和控制系统的研究。     

基于DoDAF和SysML的潜艇与UUV协同作战概念描述方法

随着UUV等水下无人装备及技术的不断发展,水下无人装备在作战领域逐渐深入,探索潜艇与UUV协同的作战概念对于牵引水下装备发展具有重要意义。基于DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)框架和SysML语言（Unified Modeling Language）,建立潜艇与UUV协同作战概念描述方法,对潜艇与UUV协同反舰的作战概念进行了顶层、规范化的描述,可为潜艇与UUV协同作战概念研究提供参考。     

适用于UUV的闭式循环热动力系统

锂/六氟化硫热源的能量密度很高,生成液体产物且体积小于消耗的锂的体积,航行中无需向外界排放。锂/六氟化硫在热管反应器中反应并将热量传给工质。热管反应器与汽轮机、斯特林发动机或布赖顿涡轮机结合可构成闭式循环动力系统,适合用于无人水下航行器(UUV)的动力。本文介绍了热管反应器的工作特性,以及闭式循环汽轮机动力系统、斯特林发动机动力系统和布赖顿涡轮机动力系统的组成,对系统的工作参数与循环效率进行分析。     

UUV操纵性能综合优化模型研究

操纵性能是无人潜器（UUV）航行的重要性能之一,其优劣直接影响到UUV的航行安全和稳定性,UUV操纵性能评判和优化是UUV优化设计的重要组成部分.基于AUTOSUB型无人潜器的设计模型,在充分分析艇体操纵性能的基础上,重点研究UUV水平运动和垂直运动性能,提出了较为完备的UUV操纵性能优化数学模型.采用模糊评判方法构造操纵性系统总目标函数,利用专家咨询法确定了各子系统的权重;通过大量艇体操纵性能数据对各个性能指标进行统计分析,选择模糊数学中对应的隶属度函数进行拟合,确定相应隶属度函数参数;利用禁忌搜索算法对遗传算法的改进而得到的遗传禁忌搜索算法（GA-TS）,由并行和分层策略改进遗传算法得到的并行遗传算法（PGA）以及遗传二次载波算法（LGA）,将数学模型与这3种算法集成,利用C＋＋语言编写了UUV操纵性能优化软件.通过对总系统优化得到的遗传禁忌搜索算法寻优能力最强,利用该算法研究水平面运动和垂直面运动2个子系统,得到各个性能指标权重对系统目标函数影响程度的排序,同时分别得到-组最佳性能的权重分配.     

无人水下航行器自航出管可行性浅析

通过鱼雷发射管进行布放回收是潜艇使用无人水下航行器（UUV）的最佳方式之一,而UUV自航出管是否具有可行性是首要问题。首先,根据潜艇发射自航鱼雷的技术要求来建立UUV自航运动方程和边界条件,并通过计算分析求得UUV自航出管所需满足的条件。随后,在鱼雷内弹道仿真研究的基础上,建立UUV在鱼雷发射管内运动的数学模型,并对其受力和速度进行实时仿真。最后,将仿真结果与UUV自航出管条件进行对比分析。结果表明：UUV自航出管的可行性与其重力浮力差、最低出管速度及出管时的潜艇航速相关。因此,可通过设定恰当的性能参数来实现UUV自航出管的可行性。     

船用PEM燃料电池系统动态特性仿真研究

为研究船舶在航行过程中质子交换膜（PEM）燃料电池的动态特性。基于船舶混合动力系统模型建立PEM燃料电池系统集总参数模型,根据船舶航行典型工况,对PEM燃料电池的动态特性进行仿真分析。结果表明在船舶启动、靠离泊航程中,PEM燃料电池电堆工作温度存在明显的滞后性,导致活化过电压、欧姆过电压、浓差过电压存在着明显的过冲现象,从而使得燃料电池输出电压滞后。在船舶负载大幅度变化时,氢气压力、氧气压力和其他组分气体出现大范围变化。本文的研究结果对船用PEM燃料电池控制系统的性能分析、优化设计和实时控制具有一定的指导意义。     

未来常规潜艇对新型动力系统的需求

本文从未来常规潜艇作战需求出发,提出必须发展新型动力系统,以满足全程水下、隐蔽作战需要的观点;分析了燃料电池的先进性,得出燃料电池是常规潜艇AIP最佳的动力方案;介绍燃料电池在国外常规潜艇的应用情况及我国潜艇用燃料电池发展情况;提出了我国燃料电池技术有关科研单位应当继续跟踪世界燃料电池技术并加强研究、有关职能部门应当及时推进燃料电池实艇应用的建议。