CN104396047A - 水下充电站 - Google Patents

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迈克尔·A·帕罗特
杰弗里·C·德莫特
达美施·H·巴克塔
丹尼斯·迪万
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Abstract

可潜入水中的供电设备提供给用于操作载人和无人操纵的水下航行器的再充电电池供电的能力。提供电池充电站设备，其包括具有多个隔室的至少一个模块化的贮备电池储架。多个贮备电池模块可分别设置于多个隔室内，多个贮备电池模块的每一个配置成当设置于其内的贮备电池被激活时供电。

Description

水下充电站
技术领域
本非临时申请要求于2012年8月7日提交的申请号为61/680,518的美国临时申请的权益。
本发明涉及利用由充电站所提供的电池能量给用于水下航行器和应用的电池进行海底充电。
背景技术
本公开涉及水下充电设备以及它们的用途，所述水下充电设备具有多个贮备电池模块以便在远程访问应用中提供电力。这种应用的一个实例是诸如在遥远的沿岸带中给海底电力功能元件提供电力(例如，备用电源)，在所述沿岸带中为了许多目的都需要电力，诸如经由直流电给潜水艇(载人和无人操纵的，包括军事应用)进行充电。
由于在海底条件下用于给水下航行器充电所需的能量需求，电池选择成为主要因素。随着时间的推移，原电池降解导致电池的保持电荷以及将电荷传送到负载的能力降低。由于原电池的激活状态，电池将会随着电池老化而失去功效。类似地，可再充电电池随着时间的推移而降解。虽然可再充电电池具有再充电的能力，但是这些电池随着电池老化和/或被使用而丧失其保持相同原有电荷量的能力。此外，可再充电电池需要知晓电池需要被再充电以及给电池再充电的时间/能力。本发明适用于需要使用可随着时间的推移而降解的电池的任何电力功能元件。
由于在诸如海水和高外部压力的海底(包括深水)应用中所遭遇的恶劣环境，海底关键电力应用要求电源能够具有超高的可靠性和超低的维护且便于远程更换而无需将装置带到表面上来。
为了增加水下航行器(尤其是执行关键工作的那些，或在偏远或危险地区工作的那些)在充电之间的操作范围和持续时间，期望具有安装能有效延长航行器可操作性的水下充电站的能力。这还优化航行器的电池寿命，同时提高整个航行器的效率和安全性。
鉴于上述情况，期望提供一种利用容易且可远程更换的多个贮备电池而用于多种应用的电源。
发明内容
贮备电池是原电池，其是惰性的直到电池被激活并使用。更具体地，贮备电池的活性化学成分是非活化的，直到电池被需要的那些时刻，从而有利于长久的存储寿命。因此，贮备电池有益于需要延长存储时间的应用，因为它们避免了在存储期间活性物质的变质并消除了由于自放电而导致的容量损失。贮备电池可存储20年或更多年，并且在需要时仍然提供满电力。
因此，期望提供一种具有贮备电池的贮备电池系统，所述贮备电池当长时间存储时不变质，这样在关键情况下电池将即刻准备好使用。
贮备电池的结构和操作在申请号为13/735,480和13/760,746的美国申请中更详细地描述，其公开内容特此援引加入本文。
提供用于将来自贮备电池模块的电力提供成给例如海底系统供电的设备和方法将是有利的。在一个优选的实施例中，提供可更换的贮备电池模块，其电连接到设备的控制系统，当贮备电池被激活时其给充电站供电。因此，贮备电池模块可在当正常电源不能给设备提供足够电力时的紧急情况下被激活。此外，由于贮备电池模块是一次性使用的装置，因此提供下述贮备电池模块将是有利的：所述贮备电池模块适于容易地在其使用环境下被更换，所述环境例如可是高压的恶劣海底环境。此外，由于不同的电力需求，还期望提供多个贮备电池模块，使得一个或多个贮备电池模块可根据需要被激活。此外，除了充电站的贮备电池之外，还可提供可再充电电池和充电电子器件作为补充或备用电源。
电池是诸如电池组的模块化设计，以适应在充电站上更换或安装另外的电池。
除了贮备电池之外，原电池模块可用作一种选择。
为了提供在充电中的最大灵活性，特别是在远程条件下或充电接口受限之处，可再充电电池可作为用于给贮备电池补充和/或备用电力的选择来被安装，从而提供额外的电力能力。可在密封的、耐压的、航海级的外壳内采用可再充电的化学构成，包括镍-氢、锂离子、铅酸、镍-镉电化学构成。例如，诸如密封的镍-氢单个电池和电池组的电池具有传统的功能，在关键应用中在不可能进行维护的极端环境下给航天器可靠地供电，提供多年的使用寿命。类似地，锂离子电池提供具有低的自放电的高能量输出，并很少或不需要维护。在采用可再充电电池的实施例中，可再充电电池可通过外部源来再充电，所述外部源可包括可再生能源，诸如波浪力、风力和太阳能。
在另一个实施例中，水下充电站可包含贮备电池、原电池、和可再充电电池，它们可单独使用或以它们的任意组合来使用。
水下充电站可配置有多种外部附件以协助给水下航行器充电。例如，可添加照明设备以便有助于在海底上的光线不足的区域。在替代性的实施例中，浮标、全球定位的定位器、或无线电和声纳信标可设置以协助定位充电站。可部署用于锚固和稳定的附件，以确保充电站保持正确定位在海底上。诸如机械手、微型无人机的各种束缚附件或其它对接设备可协助与航行器接口连接，通过协助操纵航行器到达充电站，或延伸充电能力使其超出充电站直接到达车辆装置。也可根据需要使用保护性外壳或护罩。
此外，用于将航行器连接到充电站的配电板可使用各种类型的连接器来提供各种不同的连接器件。
除了提供给水下航行器再充电的能力，可潜入水中的供电设备可用于为各种海洋应用提供关键的备用电源或再充电，在海洋应用中需要可靠的远程电源，无论是在水下还是在表面处。例如，再充电或备用电源可给与公共安全相关的远程安装的固定式海洋装备供电，所述装备诸如像监测飓风和恶劣天气的仪器或探测海啸、地震活动或污染的装备。其它可能的应用可包括用于给科学仪器供电，所述科学仪器用于测量关于诸如海洋学、气象学和气候学领域的海洋环境条件。此外，充电站的变型可配置成在海底石油和天然气钻井中使用，以给在这些行业中所使用的可用设备提供充电。军事应用诸如与近海防御或监测相关的那些也可以使用，在这种情况下，可以使用针对充电站的伪装或安全措施。
根据一个实施例，提供一种供电设备，其具有设有多个隔室的至少一个模块化贮备电池储架。多个贮备电池模块可分别设置于多个隔室的相应隔室内。多个贮备电池模块的每一个可单独更换。多个贮备电池模块的每一个可配置成当设置于其内的贮备电池被激活时供电。多个贮备电池模块的每个贮备电池模块可包括套筒和设置于套筒内的贮备电池。所述套筒可配置成以预定的取向装配到多个隔室之一内。每个套筒可拆卸地连接在多个隔室的任何隔室内，并且可包括电连接件，使得在水下充电站设备保留遥远地定位的同时多个贮备电池模块的每个贮备电池模块可单独更换。
在一个示例性实施例中，充电站设备可包括用于控制所述充电站的电动控制系统。充电站设备还可包括通信单元，所述通信单元在多个贮备电池模块的至少一个贮备电池模块被激活时进行通信。所述通信单元可配置成与外部控制单元通信，以远程地控制电动控制系统。所述通信单元还可配置成通信多个贮备电池模块的被激活的贮备电池模块的输出电力。电动控制系统可取决于所需的电量来激活预定数目的贮备电池模块。
在另一个示例性实施例中，在至少一个贮备电池储架内的多个隔室可包括线性地对准的至少五个隔室。至少一个贮备电池储架可包括设置于其一个侧表面上的手柄。
根据一方面，第一贮备电池储架可附接到基板，至少一个第二贮备电池储架可在与基板相对的一侧上以堆叠的布置附接到第一贮备电池储架。每一个贮备电池储架可设有便于堆叠的导轨和沟槽之一。贮备电池储架可螺栓连接到一起。
根据另一方面，所述设备可包括四个贮备电池储架，所述贮备电池储架堆叠在彼此的顶部上以便形成隔室阵列，在所述阵列中的至少一些隔室具有布置在其中的贮备电池模块。
还根据另一方面，每个隔室的开口可具有倒角边缘以便于将每个套筒安装到每个隔室内。每个套筒可包括沟槽以及设置于沟槽内的O形环以便在储架隔室内将每个套筒锁定在位。此外，每个隔室可包括沟槽，当每个贮备电池模块以预定的取向设置时，所述隔室所包括的沟槽与设置于所述套筒上的沟槽和O形环对准。每个套筒还可包括导轨，以便于在贮备电池储架内将每个套筒定位在相应的储架隔室内。每个套筒可具有倒角边缘以便于将每个套筒安装于每个隔室内。每个套筒可设有配置成由机器人夹具抓握的手柄。
还根据另一方面，多个贮备电池模块中的贮备电池可选自于组，所述组包括锂合金/二硫化铁热电池、熔融盐高温热电池、银锌电池和锂/卤氧化物电池。
还根据另一方面，多个贮备电池模块的每个贮备电池模块可包括电激活件。备选地，多个贮备电池模块的每个贮备电池模块可包括机械激活件。
还根据另一方面，所述电连接件可以是防水的、耐高压的连接件。供电设备可设置于下述系统内：所述系统为负载点电力分配系统、混合电力系统以及关键系统的至少之一。
在一个方面，原电池可电联接到控制系统。多个贮备电池模块的每一个中的贮备电池可以是连接到所述原电池的备用电池，这样只有当原电池不能够支持电力需求时才使用所述贮备电池。
在另一个实施例中，公开通过供电设备提供备用电源的一种方法。该方法可包括可更换地电联接在具有多个隔室的至少一个贮备电池储架的相应隔室内的多个贮备电池模块的至少一个贮备电池模块，所述至少一个贮备电池储架设置于供电设备内。所述至少一个贮备电池模块可配置成当设置于其内的贮备电池被激活时供电。所述至少一个贮备电池模块可包括套筒以及设置于套筒内的贮备电池。所述套筒可配置成以预定的取向装配在所述多个隔室之一内。套筒可以可拆卸的方式连接在多个隔室的任何隔室内，并包括电连接件，这样在供电设备保持遥远定位的同时所述至少一个贮备电池模块可单独更换。
根据一方面，方法可包括当所述至少一个贮备电池模块被激活时进行通信。该方法还可包括从外部控制单元接收命令，以远程激活所述至少一个贮备电池模块。此外，该方法可包括通信多个贮备电池模块的被激活的贮备电池模块的输出电力。此外，该方法可包括取决于所需的电量来激活多个贮备电池模块的预定数目的贮备电池模块。
可潜入水中的供电设备可具有为连接器形式的多个充电输出件。连接器类型可包括防水D型连接器，以及其它适用于水下航行器的变型。也可使用协助接口连接的适配器。可另外包括用于与水下航行器接口连接的可选的脐带型连接件。
可潜入水中的供电设备的结构可由航海级材料制成。该结构可使用用于经由船舶、潜水艇、或航空器将所述充电站降低以及定位到海底上的附接点，在选择取回所述充电站的情况下。
可潜入水中的供电设备可取决于预期的功率需求和应用需求而在尺寸上缩放。
任选地，对于数据和诊断信息，从可潜入水中的供电设备的遥测可通过水下航行器和/或安装来监测，经由电缆或无线装置传送。
作为选项，出于功率调节的目的可安装电逆变器。可单独或组合使用的其它组件可包括变压器和电容器。
在一个示例性的实施例中，两个或更多的这些水下充电站可在现场电互连，提供利用多个充电站的远程电网的能力，具有给水下航行器充电的增加量的可用电力。
可以将任何数目的各种外部附件与充电站结合使用以协助水下充电，所述外部附件包括但不限于照明设备、全球定位发射器、无线电/声纳信标、机械手、对接设备、和附接到充电站以便与其它水下航行器接口连接来提供充电的无人机。此外，也可以使用用于军事应用的安全性和/或伪装特征。
此外，水下充电站可配置成与非水下航行器的应用接口连接，其包括用于给在海底上或锚固到海底上的仪器和设备供电的能力。
附图说明
将参照以下附图对所公开的水下充电站设备和方法的各种示例性实施例进行详细描述，其中：
图1示出了根据一个实施例的可潜入水中的供电设备的透视图；
图2示出了根据一个实施例的可潜入水中的供电设备的贮备电池的透视图；
图3示出了根据一个实施例的供电设备的一个贮备电池储架；以及
图4示出了根据一个实施例的可潜入水中的供电设备和外部装置如何通信的示意图。
具体实施方式
示例性实施例提供设备和方法，所述设备和方法用于使用贮备电池来给例如海底应用提供备用或补充的电力。本发明适用于多种海底应用，例如包括负载点电力分配、混合动力系统、以及诸如像用于给紧急防喷器供电(或用于给其提供备用电源)的任何关键系统备用。因此，虽然实施例描述为在海底应用中使用，但是所描述的实施例仅是示例性的。其它实施例可适用于各种紧急情况、长期存储情况以及需要一个电池/多个电池可靠性的情况。
图1是根据一个实施例的可潜入水中的供电设备10的透视图。如图1中所看到的，可潜入水中的供电设备10包括在贮备电池储架20内的多个贮备电池模块40，贮备电池储架20堆叠在彼此的顶部上。可潜入水中的供电设备10可任选地包括原电池模块15。此外，如图1中所示，可潜入水中的供电设备10包括电接口板25和用于监测和控制贮备电池模块40的控制电子器件35。
优选地，贮备电池模块40例如经由无人遥控潜水器(ROV)单独地从贮备电池储架20拆卸下来和可附接到贮备电池储架20。还优选地，贮备电池储架20例如经由无人遥控潜水器(ROV)可从彼此拆卸下来和可附接到彼此。优选地，使得贮备电池模块40是可拆卸/可附接的(即，可更换的)，从而贮备电池模块40例如可在海底位置处(例如，在海底上)被更换。当贮备电池模块40在甚至在贮备电池模块40已被激活之后将继续操作的海底应用中使用时，在旧(废)电池模块40已被激活之后用新的电池模块更换废贮备电池模块40将是必要的。由此，使得贮备电池模块40和贮备电池储架20容易地更换将避免需要将由供电设备供电的整个系统从海底位置简单地移除来更换贮备电池。
贮备电池模块40可以是例如锂合金/二硫化铁热电池、熔融盐高温电池(也称为热电池)、银锌电池或锂/卤氧化物电池。在一个实施例中，贮备电池模块40是一种热电池。然而，贮备电池并不限于热电池。取而代之的是，贮备电池可包括任何电化学配置，其允许分离电池的活性化学品，使得在电池在变为具有功能性之前需要激活电池。贮备电池的一个实例可以在专利号为7,504,177的美国专利中找到，其公开内容以其全文援引加入本文。
贮备电池模块40可通过导致电解质被释放的外部输入来激活，所述电解质与贮备电池的其它电化学组分分离。在电解质释放并与贮备电池的其它电化学组分接触时，贮备电池模块40的能量可用。因为贮备电池模块40直到需要时才被激活，因此贮备电池模块40可以使用在应急储备中。
用于激活贮备电池模块40所需的外部输入例如可以是经由电激活的短的电脉冲/触发器(未示出)或者可以是经由机械激活的机械输入(未示出)。将提供用于激发贮备电池的电能的离散的电连接件可用于电激活。按钮或手柄可用于机械激活件。但是应当理解的是，用于激活的上述方法并不限于此，并且可以使用用于电激活和/或机械激活的任何合适的装置。例如当贮备电池是一种熔融盐高温热电池时，贮备电池模块40通过利用电激活和机械激活中的任一个将电池内的烟火热源点火而激活。
原电池模块15可任选地包括原电池或可再充电电池或与所述贮备电池模块40组合的原电池或可再充电电池。可再充电电池可利用从替代能源和/或发电厂所产生的电力进行充电。替代能源可使用风能和潮汐能产生。在另一个实施例中，贮备电池可配置成给可再充电电池和/或原电池供电。在另一个实施例中，贮备电池可配置成给储能电容器供电。
图2是根据一个实施例的可潜入水中的供电设备10的贮备电池的透视图。可潜入水中的供电设备10可包括可堆叠在彼此顶部上(以及远程地附接到彼此)的多个模块化贮备电池储架20。贮备电池储架20可通过凸耳部分80附接到一起，凸耳部分80设置于每个贮备电池储架20的侧表面上。凸耳部分80使得贮备电池储架20能够例如通过螺栓连接到一起。如图2中所示，最下层的贮备电池储架20可附接到基板70。每个贮备电池储架20包括多个隔室30。每个隔室30可接收贮备电池模块40。此外，每个贮备电池储架20可包括设置于一侧上的手柄60。手柄60在图2中示出为位于每个贮备电池储架60的左侧上，但也可以设置在右侧或两侧上。图2示出只设置于贮备电池储架20之一内的贮备电池模块40；然而，贮备电池模块40可设置于图2中所示的任何或所有隔室30内。图2示出堆叠在彼此顶部上的四个贮备电池储架20；然而，供电设备10可根据特定应用的电力需求包括任何数目的贮备电池储架20。
图3示出根据一个实施例的贮备电池储架20。如图3中所示，贮备电池储架20可具有五个隔室30，其中每一个隔室30配置成接收贮备电池模块40。每个隔室30可包括倒角边缘110和导向槽120，以便于将贮备电池模块40插入并正确取向到每个储架隔室30内。每个储架隔室30也可具有槽130(环形槽或沟槽)，其用作锁定机构以将相应的贮备电池模块40固定在位。每个贮备电池储架20的顶部和底部可设有至少一个导轨90和至少一个沟槽100以确保贮备电池储架20将适当地进行组装和组合。导轨90可替代性地设置于贮备电池储架20的顶部上，沟槽100可设置于底部上。贮备电池储架20可由聚合物形成，聚合物诸如乙酰共聚物或适用于预期使用环境中的任何其它材料。当期望移除/更换至少一个贮备电池储架20或设置于其内的一个或多个贮备电池模块40时，图2和图3中所示的手柄60设置成允许无人遥控潜水器(ROV)(未示出)闩锁到每个贮备电池储架20上。
图4示出供电设备10可如何与外部装置进行通信的一个实例的示意图。如图4中所示，供电设备10包括控制系统160和通信单元150。通信单元150可经由有线或无线通信而通信到外部装置170。控制系统160可根据所需的电量选择性地激活一个或多个贮备电池模块40。此外，控制系统160可通过通信单元150指示给外部装置170何时以及多少贮备电池模块40已被激活。而且，控制系统160可通过通信单元150指示被激活的贮备电池模块40的电性能。此外，控制系统160可由外部装置170远程地进行控制。
期望贮备电池储架20和贮备电池模块40被设计成能承受8500磅的ROV以0.5节行驶的正面冲击。此外，期望贮备电池储架20和贮备电池模块40可经受在100平方毫米面积上的5千焦耳的一次落物的冲击。
如上所述的用于提供备用电力系统的设备和方法的所示的示例性实施例旨在是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种改变。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.可潜入水中的供电设备，包括：
贮备电池模块；
模块化的贮备电池储架，其具有容纳所述贮备电池模块的隔室；
布置于所述贮备电池模块内的贮备电池；以及
用于控制所述供电设备的电动控制系统，其中：
所述贮备电池模块配置成在设置于其内的所述贮备电池被所述电动控制系统激活的情况下供电。
2.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述模块化的贮备电池储架包括容纳多个贮备电池模块的多个隔室；以及
多个贮备电池，每个贮备电池布置于多个贮备电池模块中的相应的一个内。
3.(删除)
4.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，还包括：
通信单元，当多个贮备电池模块的至少一个贮备电池模块被激活时通信单元进行通信。
5.根据权利要求4所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述通信单元配置成与外部控制单元通信以便远程地控制所述电动控制系统。
6.根据权利要求4所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述通信单元配置成通信多个贮备电池模块的被激活的贮备电池模块的电性能。
7.根据权利要求4所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述电动控制系统根据所需的电量激活预定数目的贮备电池模块。
8.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述供电设备作为海底系统的一部分设置，其中所述海底系统包括载人航行器、无人操纵水下航行器、分布式能量存储装置以及负载点能量存储装置中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述贮备电池模块中的贮备电池选自组，所述组包括锂合金/二硫化铁热电池、熔融盐高温热电池、银锌电池和锂/卤氧化物电池。
10.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述贮备电池模块包括电激活件。
11.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述贮备电池模块包括机械激活件。
12.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，还包括为原电池的贮备电池，其中所述原电池可被激活或停用。
13.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，还包括：
可再充电电池，其中可再充电电池利用从替代能源和/或发电厂所产生的电力来充电。
14.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中：
供电设备设置于系统内，所述系统是负载点电力分配、混合电力系统以及关键系统的至少之一。
15.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，供电设备设置于海底系统内，所述海底系统布置于海底上。

Claims (15)

1.可潜入水中的供电设备，包括：
贮备电池模块；
模块化的贮备电池储架，其具有容纳所述贮备电池模块的隔室；以及
布置于所述贮备电池模块内的贮备电池，其中：
所述贮备电池模块配置成在设置于其内的所述贮备电池被激活的情况下供电。
2.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述模块化的贮备电池储架包括容纳多个贮备电池模块的多个隔室；以及
多个贮备电池，每个贮备电池布置于多个贮备电池模块中的相应的一个内。
3.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，还包括：
用于控制所述供电设备的电动控制系统。
4.根据权利要求3所述的可潜入水中的供电设备，还包括：
通信单元，当多个贮备电池模块的至少一个贮备电池模块被激活时通信单元进行通信。
5.根据权利要求4所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述通信单元配置成与外部控制单元通信以便远程地控制所述电动控制系统。
6.根据权利要求4所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述通信单元配置成通信多个贮备电池模块的被激活的贮备电池模块的电性能。
7.根据权利要求4所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述电动控制系统根据所需的电量激活预定数目的贮备电池模块。
8.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述供电设备作为海底系统的一部分设置，其中所述海底系统包括载人航行器、无人操纵水下航行器、分布式能量存储装置以及负载点能量存储装置中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述贮备电池模块中的贮备电池选自组，所述组包括锂合金/二硫化铁热电池、熔融盐高温热电池、银锌电池和锂/卤氧化物电池。
10.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述贮备电池模块包括电激活件。
11.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，所述贮备电池模块包括机械激活件。
12.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，还包括为原电池的贮备电池，其中所述原电池可被激活或停用。
13.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，还包括：
可再充电电池，其中可再充电电池利用从替代能源和/或发电厂所产生的电力来充电。
14.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中：
供电设备设置于系统内，所述系统是负载点电力分配、混合电力系统以及关键系统的至少之一。
15.根据权利要求1所述的可潜入水中的供电设备，其中，供电设备设置于海底系统内，所述海底系统布置于海底上。
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