WO2019037812A1 - Druckneutrale batterie zum einsatz in der tiefsee - Google Patents

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WO2019037812A1
WO2019037812A1 PCT/DE2018/100688 DE2018100688W WO2019037812A1 WO 2019037812 A1 WO2019037812 A1 WO 2019037812A1 DE 2018100688 W DE2018100688 W DE 2018100688W WO 2019037812 A1 WO2019037812 A1 WO 2019037812A1
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pressure
battery
cover plate
housing
neutral
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PCT/DE2018/100688
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Lemburg
Original Assignee
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a pressure-neutral battery for use in the deep sea with at least one battery cell, which is arranged in at least one housing, filled with a non-washable electrolyte and embedded gas bubbles in a pressure fluid, a cover plate arranged above the battery cells on the housing and a arranged below the cover plate reversibly deformable pressure compensation element for pressure equalization between the pressure fluid and the force acting on the battery cell hydrostatic pressure and a method for producing the pressure-neutral battery.
  • DNS pressure-neutral Systems
  • pressure-tolerant systems engl English, pressure tolerant systems
  • engl English pressure tolerant systems
  • a basic requirement for a DNS is that the components are functional even under high pressures.
  • pressurized fluids are used which fill all possibly existing air spaces (pressure chambers) in the component and thus avoid compressible spaces. DNA therefore does not require stable pressure vessels and can be used at all depths.
  • the larger installation space dimensions to be considered as well as pressure-tight passages and access points into the interior of the pressure vessels with complex opening and closing procedures are eliminated. It results in a significant weight reduction and thus cost savings.
  • liquid-based DNA complete infusion into a seawater-resistant plastic
  • liquid-based DNA completely filling of all pressure chambers with a pressure fluid
  • This may be a displaceable piston, a bellows, a stretchable membrane or a deformable cushion.
  • CN 102637840 A automated translation by Patent Translate - powered by EPO and Google.
  • Described is a pressure-neutral battery for use in the deep sea with multiple battery cells (polymer lithium battery with a gel-shaped electrolyte), which are arranged in a housing and gas bubble free surrounded by a pressure oil as hydraulic fluid.
  • the housing has a floor the and four side walls. It's open at the top.
  • a cover plate in the form of a folded lid is arranged on the housing and screwed to the housing with a plurality of screws.
  • the lid has a plurality of holes and allows the surrounding medium to enter the interior of the housing.
  • Below the lid is a reversibly deformable pressure compensation element for pressure equalization between the
  • the pressure compensation element is designed as an open bellows, which closes the pressure oil filling pressure-tight in the housing. On its upper side, the bellows is acted upon by the water pressure. By reversibly changing its shape, the bellows transfers the water pressure to the pressure oil and thus to the battery cells, so that a pressure-neutral system is given.
  • the housing has a supply valve for the pressurized oil.
  • the bellows has an overflow valve which responds when the entire space between the housing and the bellows is filled with pressurized oil when the battery is being filled.
  • the bellows is a relatively complex pressure compensation element, which must be pressure-tightly attached to the housing. Due to its size, it increases the required amount of pressure oil to be introduced.
  • the at least one housing completely surrounds the battery cells and is valve-free and has on its upper side at least one opening in the region of the pressure fluid. Furthermore, the claimed battery according to the invention is characterized in that the cover plate is pressure-tightly connected to the top of the housing, wherein the cover plate has on its underside a lying above the opening and filled by the hydraulic fluid recess. Finally, the invention claims that the reversibly deformable pressure compensation element lies in the recess of the cover plate and is designed as a closed pressure bag with an open supply hose, which is led out pressure-tight from the cover plate.
  • the battery cells of surrounded by a closed housing and thus securely encapsulated are not a pressure housing and does not have to withstand large pressure differences.
  • the housing can thus be made of a thin, lightweight and inexpensive plastic.
  • the housing has one or more openings, which allow access to the pressure fluid. A filling of the hydraulic fluid in the housing and thus in the spaces between the battery cells is thus readily possible. Cavities that act under pressure as pressure chambers and can be compressed, are safely avoided. A leakage of the pressure fluid under hydrostatic pressure from the battery is reliably avoided by the cover plate according to the invention, which is pressure-tightly connected to the top of the housing or housing.
  • connection can preferably take place with a permanently elastic, highly adhesive adhesive, as is known, for example, in the bonding of metals ("steel adhesive")
  • a reversibly deformable pressure-tight pressure bag is used, which in the case of use is surrounded on its outside by the pressurized liquid under water and which is filled in its interior by water which corresponds to the depth of immersion This is then transferred to the pressure fluid via the pressure bag.There is pressure equalization, all components are subjected to the same high hydrostatic pressure.If the battery is in an airy environment, the pressure bag is exposed to air Valves do not occur in the battery according to the invention. This safely prevents the penetration of water at great depths.
  • the pressure bag can "breathe" in the recess When the pressure increases, the pressure bag becomes larger in volume due to the increasing water pressure in the interior and increasingly compresses the pressure fluid.With decreasing pressure, the pressure bag becomes smaller in volume due to the inside decreasing pressure Water pressure again smaller and leaves an expansion sion of the hydraulic fluid.
  • filling with hydraulic fluid can be adjusted on the amount filled, whether the pressure bag at the beginning of lowering the battery in the intended depth is rather full or empty. The optimum filling quantity depends on the usage profile of the battery. In large depths, the pressure fluid is strongly compressed (it can be filled more pressure fluid), in strong heat (for example, when storing the battery on a sunlit ship deck), the pressure fluid expands (it can be filled less pressure fluid).
  • the bag is then also filled with air in its interior and can be largely compressed. Water and air penetrate via the open supply hose into the interior of the pressure bag, wherein the supply hose is also surrounded by hydraulic fluid and pressure-tight led out of the cover plate.
  • the pressure-neutral battery claimed by the invention is a very compact and cost-effective component, which is particularly suitable for underwater applications. It will be preferred in practice that each device used in the deep sea receives its own battery, so that it can be relatively small dimensions. Central supplies are avoided, in case of failure of one battery, the other decentralized batteries can continue to operate the other devices. In the deep sea, preferably rechargeable secondary batteries are used. However, if their performance is insufficient, primary batteries, which are non-rechargeable unlike secondary batteries, can also be used. However, this is not disadvantageous since, depending on the dimensioning and power demand, such a primary battery can enable a continuous operation of one year under water.
  • a particular advantage of the pressure-neutral battery claimed by the invention is that no pressure-resistant housing, which are large, heavy, expensive to handle and expensive, are used. Rather, the claimed battery is particularly low in weight and extremely flexible in their dimensions and only determined by the number and arrangement of the housing used with battery cells (a housing together with the enclosed NEN battery cells is defined as a battery block). The number in turn depends on the required power of the battery. The arrangement is dependent on the row and / or column-wise positioning of the battery blocks in the battery. The housing of the battery cells directly form the outside of the battery. Not least, the special design of the reversibly deformable pressure compensation element contributes to the particular compactness and cost-effectiveness of the claimed battery. By using a closed pressure bag can - over the known embodiments with mostly rotationally symmetrical designs - a particularly flat and thus space-saving compensation means are provided.
  • connection poles on the upper sides of the housing are electrically conductively connected to each other and contacted by the connecting cable.
  • the pressure-tight lead-out of the connection cable from the cover plate can be implemented for example by gluing with an elastic adhesive.
  • connection cable is movable and can be optimally connected to the device to be supplied, it is furthermore preferred and advantageous if a bevel is provided in the cover plate in the region of the pressure-tight lead-out of the connection cable. For example, just the whole corner can be left out, so that the connection cable is easily positioned in any outgoing direction.
  • the filling of the housing with pressurized oil can be done before or after placing the cover plate.
  • a supply channel for the pressurized liquid is arranged, which in the Recess ends and pressure-tight lockable.
  • the feed channel terminates via at least one opening per intended housing.
  • the pressure-tight closure can for example be implemented by a sealing plug with elastomeric seal. If rechargeable battery blocks are used, it is advantageous, if necessary, during the charging process, to allow escaping gases which have passed into the pressure oil to escape therefrom by opening the battery blocks. This is done by removing the sealing plug, as there are no further openings in the interior of the battery blocks (all possibly existing valves have been removed).
  • the filling of the battery blocks takes place once or several times alternately with a ventilation in a vacuum (for example in a vacuum chamber), in order to be able to guarantee a bubble-free filling safely
  • a ventilation in a vacuum for example in a vacuum chamber
  • the filling takes place under atmospheric pressure, for example with a simple syringe the pressure bag is inflated and pressure sealed with air to its normal volume state.
  • the cover plate is formed transparent. This allows an insight into the interior of the battery or the housing involved.
  • a material for the cover plate for example, transparent polymethyl methacrylate PMMA or polycarbonate PC can be used, which are permanently resistant to salt water, PC is even more impact resistant. is.
  • the cover plate is adhesively bonded to the top of the housing. In this case, preference is given to using a permanently oil-based, highly adhesive and salt-water-resistant silicone-based adhesive, as it is used in the bonding of steel parts. len is used.
  • a plurality of housings each having a plurality of battery cells are arranged adjacent to one another and the cover plate is connected directly and in a pressure-tight manner to the top side of all housings.
  • the cover plate then covers all housings on their top, holds them together and protects them.
  • redundancy is given. If one or more battery blocks fail, (depending on the number provided) the remaining functional battery blocks can still maintain the power supply.
  • a stabilization plate is connected to the underside of the adjacently arranged housing. This may be a simple plastic plate, which has the basic dimensions of the battery and is glued to the underside of all housing.
  • the pressurized fluid used in the claimed pressure-neutral battery prevents compression of gas-filled pressure chambers in the interior under high hydrostatic pressure influence.
  • a pressure oil is used.
  • This may in particular be a commercially available paraffin oil or else white oil.
  • a housing with the battery cells commercially available maintenance-free Primärroder secondary battery blocks with rectangular housing.
  • they preferably and advantageously have a lead-fleece electrolyte.
  • the electrolyte is held as a gel in the fleece, which is why the battery blocks can also be used regardless of location.
  • the electrolyte can still be supported by a modified grid.
  • Lead-based batteries are preferably used under water, since lithium-based batteries are subject to strong country-dependent import controls.
  • lead batteries with simpler and cheaper chargers to charge than lithium batteries can also readily be used in the invention, for example batteries with a solid electrolyte.
  • a commercially available tubular bag with an integrated open supply hose can preferably and advantageously be used as a pressure bag, wherein in the end of the open supply hose, a sealing tube with O-ring is inserted.
  • the sealing tube is held pressure-tight by a takling (tight string wrapping) on the supply hose.
  • the sealing tube is open at its center, so that always a connection between the bag interior and the respective environment is made.
  • the tubular bag is therefore always filled with the appropriate medium (water or air).
  • appropriate medium water or air
  • Such tubular bags are widely used in the medical sector and available on the market as infusion urine or secretion bags in different volume sizes and usually made of polyvinyl chloride. They always have a supply hose, which can be closed at its free end.
  • the tubular bags are made of a solid, reversible deformable plastic and can be easily cut to the desired volume and rewelded.
  • a use of aluminum-coated multi-layer bags, as they are known for example as beverage bags, can also be used.
  • the invention also claims a method for producing the previously described pressure-neutral battery in specific embodiments, which is distinguished by its particular simplicity and the use of primarily commercially available individual components and leads to a particularly cost-effective pressure-neutral battery.
  • a plurality of maintenance-free primary or secondary battery blocks with a rectangular housing are arranged next to one another in rows and columns.
  • two battery blocks 24V / 12Ah or 24V / 7Ah can be placed with their narrow sides. If the battery blocks have vent valves (to vent gas into the atmosphere), they will be removed. Furthermore, one or more openings are sawn into the top of each battery block. The pressure fluid touches each battery cell and thus also the electrolyte completely.
  • Battery blocks with an aqueous electrolyte or with laminated battery cells in which pressure chambers may be located can not be used in the invention be used.
  • the electrical poles of the battery blocks are interconnected (series or parallel) and merged into two terminal poles.
  • a cover plate is created that meets the requirements.
  • the cover plate can be cut out of a thick sheet of transparent polymethyl methacrylate or polycarbonate and the recess can be milled out to fit the pressure bag and the openings in the battery blocks.
  • a simple tubular bag is adapted in its volume by cutting and welding to the recess.
  • a sealing tube is fitted in the end of his hose. Then the tubular bag is placed in the recess, wherein the supply hose and the sealing tube are fitted pressure-tight in the second portion of the recess. Then, a connection cable is inserted into the first section of the recess and led out by gluing pressure-tight from the cover plate. Subsequently, the connection cable is electrically connected to the two output poles of the battery blocks. Next, the cover plate is glued pressure-tight with the recess down on the tops of the battery blocks. The transparency of the cover plate helps with the adjustment and adhesive distribution.
  • the battery blocks are filled by the third portion of the recess and the openings on the top of the housing with pressure oil, the amount of filling depends on the application of pressure-neutral battery.
  • the pressure-neutral battery is completed and ready for use.
  • the adjacently arranged battery blocks can be glued together and / or the stabilizing plate is glued to the underside of the adjacent battery blocks and / or the battery blocks are degassed when filling with the hydraulic fluid under vacuum. This is done, for example, in a sealed vacuum chamber. Since it is difficult in this case to lead out connecting lines from the vacuum, the battery blocks outside the pressure chamber can be filled with oil and then placed in the pressure chamber for degassing and placed under vacuum.
  • Fig. 3C the cover plate in longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a perspective top view of a pressure-neutral battery 01 according to the invention.
  • Two housings 02 in each of which several battery cells 03 (indicated in an opening of the housing 02), can be seen in the lower area.
  • two commercially available battery blocks 04 of the Japanese company YUASA ® with a lead-fleece electrolyte which are each completely surrounded by their rectangular housing 02.
  • the housing 02 also form the outer housing of the pressure-neutral battery 01, other surrounding housing does not occur.
  • the two battery blocks 04 can be, for example, 24 V, 12 Ah rechargeable batteries (secondary batteries, rechargeable) with the dimensions L 303 mm ⁇ W 98 mm ⁇ H 1 16 mm and a dry weight of 9.4 kg. If 24 V, 7 Ah accumulators are used, The dimensions are L 303 mm x B 65 mm x H 1 16 mm and the total volume at about 2.2 I.
  • the two battery blocks 04 are modified by possibly existing valves, the low-pressure valves for gas release, removed and all cavities between the battery cells 03 gas bubbles are filled with a pressure fluid 05.
  • six openings 06 are introduced into the upper sides 07 in each battery block.
  • a pressure oil 08 white oil, trade name Addinol ® WX15 TM, 1, 2 I with the larger battery block 04 with 12 Ah, 0533 I with the smaller battery block 04 with 7 Ah
  • a pressure oil 08 white oil, trade name Addinol ® WX15 TM, 1, 2 I with the larger battery block 04 with 12 Ah,
  • a cover plate 09 is pressure-tightly connected to the two housings 02. In the shown embodiment it is glued with a flexible, highly adhesive, and transparent adhesive (trade name Sika ® flex TM).
  • the cover plate 09 made of transparent polymethyl methacrylate (trade name Plexiglas ®) or polycarbonate (tradename Makrolon ®) is made.
  • the cover plate 09 has on its underside 10 a recess 11 located above the openings 06, which is likewise filled by the pressure oil 08.
  • a reversibly deformable pressure compensation element 12 which is designed as a closed pressure bag 13 with an open supply hose 14.
  • the supply hose 14 is arranged in a second portion 15 of the recess 11 and has at its open end 34 in its middle open sealing tube 16, with which it is led out pressure-tight from the cover plate 09.
  • the pressure bag 13 is a commercially available medical tubular bag 36 made of polyvinyl chloride (PVC), which is adapted in its volume to the recess 11.
  • PVC polyvinyl chloride
  • a pressure bag 13 with a bag volume of 135 ml when filling of 150 ml, the pressure bag 13 is tightly stretched
  • Pressure oil 08 at 600bar ambient pressure corresponds to - is the nominal filling of the pressure bag 13 1 170 ml (completely flat bag minus 30 ml).
  • a pressure bag 13 with a bag volume of 60 ml is inserted. set.
  • the nominal filling of the pressure bag 13 is 513 ml (very flat bag minus 20 ml).
  • connection cable 17 is inserted into a first section 18 in the recess 11 of the cover plate 09 and glued pressure-tight. It serves to make contact with two terminal poles 19, 20 of the two battery blocks 04.
  • two interconnected electrical poles 35 are shown, which close the circuit. It is for example a 60 cm or 50 cm long connecting cable 17 with a commercially available plug 21 (for example, BHF4 the Fa. Subconn ® , pin assignment positive pole, negative pole, two ground poles).
  • a commercially available plug 21 for example, BHF4 the Fa. Subconn ® , pin assignment positive pole, negative pole, two ground poles.
  • a third section 23 is arranged with a supply channel 33, through which the pressure oil 08 is introduced through the openings 06 in the housing 02 of the battery blocks 04 and in the recess 11. After completion of the filling of the supply channel 33 is pressure-tightly sealed with a sealing plug 24 with an elastomeric seal.
  • Fig. 2 is an exploded view of the pressure-neutral battery 01 is shown. Shown in turn are two battery blocks 04 with closed, independent housings 02. Evident are six openings 06 in the top 07 of the housing 02 and two electrical poles 35 per battery block 04. The electrical poles 35 are then contacted by charge together by the two Connecting poles 19, 20.
  • the two battery blocks 04 are set with their end faces 26 to each other in series and glued together. Ranking with the broadsides (column formation) is just as possible as arranging more than two batteries in multiple rows and / or columns.
  • a stabilizing plate 28 made of plastic with the corresponding dimensions of the two series battery blocks 04 to de ren the bottom 27 glued.
  • the reversibly deformable pressure bag 13 is shown schematically in the form of a commercially available tubular bag 36 with the already integrated in the manufacture supply hose 14.
  • the cover plate 09 Above the cover plate 09 is shown. Also shown is the chamfer 22 for the connection cable 17 with plug 21.
  • the connection cable 17 belongs in the first section 18 of the recess 11 (lateral opening shown) Good to realize that the chamfer 22 does not extend over the entire height of the cover plate 09 , There remains a base corner 25, which ensures that the upwardly open battery blocks 04 are pressure-tightly closed by the cover plate 09.
  • the sealing tube 16 and the sealing plug 24 are still shown in FIG. 2.
  • the sealing tube 16 belongs in the second section 15 and the sealing plug 24 in the third section 23 of the cover plate 09 (each side openings shown).
  • Fig. 3A the cover plate 09 (thickness 20 mm) is shown in the perspective plan view. To recognize the bevel 22 (rounded for better cable management) and the base corner 25. Furthermore, the openings for the first, second and third sections 18, 15 and 23 of the cover plate 11 are shown.
  • Fig. 3B the cover plate 09 is shown in the perspective bottom view.
  • a peripheral shoulder 30 This serves the separation between adhesion and oil filling and the distance between the cover plate 11 in the area outside the recess and the top 07 of the housing 02.
  • On the outside 31 of the circumferential shoulder 30 is in the ready state of the pressure-neutral Battery 01 applied the adhesive, on the inside 32 of the peripheral shoulder 30, the pressure oil 08 distributed over the entire recess 11 in all openings 06 of the battery discharge bridge 04 and also encloses the pressure bag 13.
  • FIG. 3C shows a longitudinal section through the cover plate 09.
  • the passages in the area of the first, second and third sections 18, 15 and 23 in the recess 11 can be seen well.
  • the supply channel 33 for the pressurized oil 08 is arranged in the third section 23 ,

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Abstract

Für einen Einsatz von Batterien in tiefen Meerestiefen werden diese in massive Druckgehäuse gekapselt oder druckneutral ausgeführt. Dazu werden die Batterien mit einem Drucköl gefüllt und ein aufwändiges, reversibel verformbares Druckausgleichselement vorgesehen, das sowohl mit der Umgebung als auch mit dem Drucköl in Kontakt steht und für eine Druckübertragung sorgt, sodass die Komponenten keine Druckdifferenz erfahren. Erfindungsgemäß weist die druckneutrale Batterie (01) als Gehäuse direkt das mit Öffnungen (06) versehene Gehäuse (02) der Batteriezellen (03) auf, sodass schwere Druckgehäuse entfallen. Eine Deckplatte (09) verschließt das Gehäuse (02) druckdicht. Auf der Unterseite (10) weist die Deckplatte (09) eine oberhalb der Öffnungen (06) liegende und von der Druckflüssigkeit (05) ausgefüllte Aussparung (11) auf, in der ein Druckbeutel (13) angeordnet ist. Dabei kann es sich um einen kommerziell erhältlichen medizinischen Schlauchbeutel (36) mit offenen Zuleitungsschlauch (14) handeln, der mit der hydrostatischen Drucksäule verbunden wird. Durch eine Aneinanderreihung mehrerer kommerziell erhältlicher Batterieblöcke (04) kann die druckneutrale Batterie (01) in ihrer Leistung angepasst werden.

Description

Anmelder
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, Deutschland
Bezeichnung
Druckneutrale Batterie zum Einsatz in der Tiefsee
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine druckneutrale Batterie zum Einsatz in der Tiefsee mit zumindest einer Batteriezelle, die in zumindest einem Gehäuse angeordnet, mit einem nicht-auswaschbaren Elektrolyten gefüllt und gasblasenfrei in eine Druckflüssigkeit eingebettet ist, einer oberhalb der Batteriezellen am Gehäuse angeordneten Deckplatte und einem unterhalb der Deckplatte angeordneten reversibel verformbaren Druckausgleichselement zum Druckausgleich zwischen der Druckflüssigkeit und dem auf die Batteriezelle einwirkenden hydrostatischen Druck und auf ein Verfahren zur Herstellung der druckneutralen Batterie.
Zur Erforschung der benthischen und pelagialen Gebiete der Tiefsee (90% aller Meere haben eine Tiefe zwischen 1000 m und 5000 m) werden ferngesteuerte oder autonome Messgeräte und Fahrzeuge eingesetzt. Mit deren Hilfe können Daten aller Art über den Boden, die Bewohner und das Wasser der Tiefsee gewonnen werden. Zur Energieversorgung der agierenden Komponenten werden zumeist Batterien verwendet, die jedoch dem großen hydrostatischen Druck in der Tiefsee standhalten müssen. Zur entsprechenden Ertüchtigung der Batterien werden zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte verfolgt. Zum einen werden druckstabile Behälter für die Batterien eingesetzt, die eine große Druckdifferenz zwischen Innenraum und Außenraum zulassen. Zum anderen werden druckneutrale Systeme (DNS, auch drucktolerante Systeme, engl, pressure tolerant Systems) eingesetzt, bei denen alle Komponenten gleichmäßig und damit stabilisierend von allen Seiten dem hohen Druck ausgesetzt werden. Druckdifferenzen treten somit nicht auf. Grundvoraussetzung für ein DNS ist, dass die Komponenten auch unter hohen Drücken funktionsfähig sind. Neben Feststoffen werden daher Druckfluide eingesetzt, die alle ggfs. vorhandenen Lufträume (Druckkammern) in der Komponente ausfüllen und somit kompressible Räume vermeiden. DNS benötigen somit keine stabilen Druckbehälter und können in allen Tiefen eingesetzt werden. Ebenso entfallen die zu berücksichtigenden vergrößerten Bauraumabmessungen sowie druckdichten Durchführungen und Zugänge in das Innere der Druckbehälter mit komplexen Öffnungs- und Schließprozeduren. Es ergibt sich eine erhebliche Gewichtsreduktion und damit Kosteneinsparung. Zu unterscheiden sind feststoffbasierte DNS (vollständiger Einguss in einen seewasserresistenten Kunststoff) und flüssigkeitsbasierte DNS (vollständiges Ausfüllen aller Druckkammern mit einer Druckflüssigkeit). Bei den flüssigkeitsbasierten DNS muss zur Druckübertragung zwischen dem Innenraum der Komponente und Tiefseeumgebung ein in seinen Abmessungen veränderbares Druckausgleichselement vorgesehen sein. Hierbei kann es sich um einen verschieblichen Kolben, einen Faltenbalg, eine dehnfähige Membran oder ein verformbares Kissen handeln.
Stand der Technik
Aus der US 3 717 078 A ist für Unterwasseranwendungen das Grundprinzip für ein bezüglich des Drucks ausbalanciertes System zum Schutz von Komponenten, die nicht salzwasserfest sind, bekannt. In einem einfachen, nicht druckfesten Gehäuse befinden sich eine Batterie und ein Motor als nichtsalzwasserfeste Komponente (zur Versorgung einer salzwasserfesten Kamera außerhalb des Gehäuses) in einem Ölbad. Die Komponenten selbst sind druckfest, aber nicht mit Öl gefüllt. Im Gehäuse befindet sich eine Membran, die für einen Druckausgleich zwischen dem Öl und der umgebenden hydrostatischen Wassersäule sorgt. Aus der DE 10 2009 032 364 B4 ist eine Vorrichtung für den Unterwasserbetrieb bekannt, bei der die Druckkammern in ihrem Volumen minimiert und die Einbauten druckneutral ausgebildet sind. Der zugehörigen Doktorarbeit„Aufbau druckneutraler, autonomer Unterwasserfahrzeuge in der Tiefsee" (M. Lück, TU Berlin 2010, im Internet abgerufen am 14.08.2017 unter der URL1 ) ist zu entnehmen, dass vollvergossene Lithium-Polymer-Batterien (Seite 92 unten) eingesetzt werden. Ein solcher Batterieblock ist beispielsweise aus dem Prospektblatt„Druckneutraler Lithium- Polymer-Batterieblock 26V/80Ah" der Fa. Enitech vom Januar 2014 bekannt (im Internet abgerufen am 14.08.2017 unter der URL 2). In der Einleitung der Doktorarbeit (Seite 37, 38) ist weiterhin zu lesen, dass fluidkompensierte DNS einen Kompensator, eine einzelne deformierbare Wand oder einen formlosen Beutel, in dessen Inneren die Komponenten angeordnet sind, als Druckausgleichselement aufweisen können. Formlose Beutel haben den Vorteil, dass sie eine maximale Deformation zulassen und teure Kompensatoren ersetzen. Nachteilig sind zusätzliche Befestigungselemente und leichte Verletzbarkeit durch die innenliegenden Komponenten. Aus der Veröffentlichung„Pressure-Tolerant Lithium Polymer Bat- teries" (R. Wilson, Sae Technology, April 2009, im Internet abgerufen am
14.08.2017 unter der URL 3) ist eine sehr kompakte Lithium-Polymer-Batterien bekannt, die ebenfalls vollvergossen ist. Ein Nachteil vollvergossener Batterien ist aber in der Aufgabe der eingegossenen Komponenten zu sehen, auf die kein Zugriff mehr besteht. Aus der US 9 637 994 B2 und der Veröffentlichung„Technical Overview of a Safe, Configurable, Pressure tolerant, Subsea Lithium Ion Battery System for Oil and Gas Deep Water Fields" (L. D. Adams 2013, im Internet abgerufen am 14.08.2017 unter der URL 4) ist es weiterhin bekannt, die Batterien in umgebende Gehäuse einzusetzen, die mit Drucköl gefüllt sind und seitlich oder oben eine Druckausgleichsmembran aufweisen.
Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der CN 102637840 A (automatische Übersetzung durch Patent Translate - powered by EPO and Google) offenbart. Beschrieben wird eine druckneutrale Batterie zum Einsatz in der Tiefsee mit mehreren Batteriezellen (Polymer-Lithium-Batterie mit einem gel- förmigen Elektrolyten), die in einem Gehäuse angeordnet und gasblasenfrei von einem Drucköl als Druckflüssigkeit umgeben sind. Das Gehäuse weist einen Bo- den und vier Seitenwände auf. Nach oben hin ist es offen. Oberhalb der Batteriezellen ist am Gehäuse eine Deckplatte in der Ausbildung eines gefalzten Deckels angeordnet und mit einer Vielzahl von Schrauben mit dem Gehäuse verschraubt. Der Deckel weist eine Vielzahl von Löchern auf und lässt das Umgebungsmedium in das Innere des Gehäuses eintreten. Unterhalb des Deckels ist ein reversibel verformbares Druckausgleichselement zum Druckausgleich zwischen dem
Drucköl und dem auf die Batteriezellen einwirkenden hydrostatischen Druck angeordnet. Das Druckausgleichselement ist als offener Faltenbalg ausgebildet, der die Druckölfüllung im Gehäuse druckdicht abschließt. Auf seiner Oberseite wird der Faltenbalg vom Wasserdruck beaufschlagt. Durch reversible Veränderung seiner Form überträgt der Faltenbalg den Wasserdruck auf das Drucköl und damit auf die Batteriezellen, sodass ein druckneutrales System gegeben ist. An der Unterseite weist das Gehäuse ein Zufuhrventil für das Drucköl auf. Der Faltenbalg weist ein Überlaufventil auf, das anspricht, wenn bei der Befüllung der Batterie der gesamte Raum zwischen Gehäuse und Faltenbalg mit Drucköl ausgefüllt ist. Bei dem Faltenbalg handelt es sich aber um ein relativ aufwändiges Druckausgleichselement, welches druckdicht am Gehäuse befestigt werden muss. Durch seine Größe vergrößert es die erforderliche Menge an einzubringendem Drucköl.
Aus der DE 10 2010 041 131 A1 ist es weiterhin bei einer wartungsfreien Batterie für Kraftfahrzeuge bekannt, im Inneren ein flexibles Druckausgleichselement in Form eines luftgefüllten Hohlkörpers vorzusehen. Beim Laden entwickeln sich im Inneren der Batterie Gase aus dem Elektrolyten, die normalerweise über ein Ventil ins Freie abgelassen werden. Dies führt dauerhaft aber zu einer Austrocknung der Batterie, sodass Wasser nachgefüllt werden muss. Ohne Nachfüllen verringert sich die Zahl der Ladezyklen bedeutsam. Bei wartungsfreien Batterien werden die Gase im Inneren der Batterie gehalten und gelangen beim Entladen wieder in den Elektrolyten zurück. Der beim Austreten entstehende Druckanstieg wird durch eine reversible Deformation des Druckausgleichselements kompensiert. Eine Druckölfüllung ist nicht vorgesehen. Für einen druckneutralen Betrieb ist eine derartige Batterie daher nicht geeignet. Aus der DE 10 2012 217 630 A1 ist es schließlich bekannt, mehrere Batteriezellen ohne weiteres umgebendes Gehäuse durch einen oberen Deckel und ein azimutal umlaufendes Spannband miteinander zu verbinden. Dabei weist der Deckel umlenkende Öffnungen zu den Entgasungsöffnungen der einzelnen Batteriezellen auf. Über seitliche Adapterplatten werden die Batteriezellen kontaktiert. Auch eine derartige Batterie ist für einen druckneutralen Betrieb aber nicht geeignet.
Ausgehend von dem zuvor erläuterten nächstliegenden Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, die eingangs beschriebene gattungsgemäße druckneutrale Batterie zum Einsatz in der Tiefsee so weiterzubilden, dass eine besonders einfache Ausgestaltung hinsichtlich Konstruktion und Handhabung unter möglichst weitgehendem Einsatz von handelsüblichen Komponenten erreicht wird. Dabei sollen alle Vorteile eines druckneutralen Systems erhalten bleiben. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden dann noch ein bevorzugtes Mittel zur Anwendung bei der Erfindung und ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Erfindung unter Anwendung des Mittels aufgezeigt.
Erfindungsgemäß ist bei der beanspruchten druckneutralen Batterie vorgesehen, dass das zumindest eine Gehäuse die Batteriezellen vollständig umgibt und ventilfrei ist und auf seiner Oberseite zumindest eine Öffnung im Bereich der Druckflüssigkeit aufweist. Weiterhin ist die beanspruchte Batterie erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte druckdicht mit der Oberseite des Gehäuses verbunden ist, wobei die Deckplatte auf ihrer Unterseite eine oberhalb der Öffnung liegende und von der Druckflüssigkeit ausgefüllte Aussparung aufweist. Schließlich wird erfindungsgemäß beansprucht, dass das reversibel verformbare Druckausgleichselement in der Aussparung der Deckplatte liegt und als geschlossener Druckbeutel mit einem offenen Zuleitungsschlauch, der aus der Deckplatte druckdicht herausgeführt ist, ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen druckneutralen Batterie sind die Batteriezellen von einem geschlossenen Gehäuse umgeben und damit sicher gekapselt. Dabei ist das Gehäuse aber kein Druckgehäuse und muss nicht großen Druckdifferenzen standhalten. Insbesondere kann das Gehäuse somit auch aus einem dünnen, leichten und kostengünstigen Kunststoff sein. Auf der Oberseite weist das Gehäuse eine oder mehrere Öffnungen auf, die einen Zugang zu der Druckflüssigkeit ermöglichen. Ein Einfüllen der Druckflüssigkeit in das Gehäuse und damit in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Batterienzellen ist somit ohne weiteres möglich. Hohlräume, die unter Druck wie Druckkammern wirken und komprimiert werden können, sind sicher vermieden. Ein Austreten der Druckflüssigkeit unter hydrostatischem Druck aus der Batterie wird sicher vermieden durch die erfindungsgemäße Deckplatte, die druckdicht mit der Oberseite des oder der Gehäuse verbunden ist. Dabei kann die Verbindung bevorzugt mit einem dauerelastischen, hochadhäsiven Kleber erfolgen, wie er beispielsweise beim Verkleben von Metallen („Stahlkleber") bekannt ist. Hingegen muss sich auch Druckflüssigkeit in der Aussparung in der Deckplatte befinden. Hier ist das Druckausgleichselement angeordnet, sodass die Deckplatte auch als„Kompensationsdeckel" oder „Kompensationsadapter" bezeichnet werden kann. Bei der Erfindung wird ein reversibel verformbarer druckdichter Druckbeutel eingesetzt, der im Einsatzfall unter Wasser auf seiner Außenseite von der Druckflüssigkeit umgeben und in seinem Inneren vom Wasser ausgefüllt ist, das den der Tauchtiefe entsprechenden hydrostatischen Druck ausübt. Dieser wird dann über den Druckbeutel auf die Druckflüssigkeit übertragen. Es kommt zu einem Druckausgleich, auf alle Komponenten wird gleichmäßig der gleiche große hydrostatische Druck ausgeübt. Befindet sich die Batterie in luftiger Umgebung, ist der Druckbeutel mit Luft gefüllt. Ventile treten bei der erfindungsgemäßen Batterie nicht auf. Hierdurch ist sicher das Eindringen von Wasser in großen Tiefen vermieden.
Der Druckbeutel kann in der Aussparung„atmen". Bei ansteigendem Druck wird der Druckbeutel in seinem Volumen durch den in seinem Inneren zunehmenden Wasserdruck größer und drückt die Druckflüssigkeit zunehmend zusammen. Bei geringer werdendem Druck wird der Druckbeutel in seinem Volumen durch den in seinem Inneren abnehmenden Wasserdruck wieder kleiner und lässt eine Expan- sion der Druckflüssigkeit zu. Beim Befüllen mit Druckflüssigkeit kann über die eingefüllte Menge eingestellt werden, ob der Druckbeutel zu Beginn des Absenkens der Batterie in die vorgesehene Tauchtiefe eher voll oder leer ist. Die optimale Füllmenge hängt vom Einsatzprofil der Batterie ab. In großen Tauchtiefen wird die Druckflüssigkeit stark zusammengedrückt (es kann mehr Druckflüssigkeit eingefüllt werden), bei starker Wärmeeinwirkung (beispielsweise bei einer Lagerung der Batterie auf einem sonnenbeschienenen Schiffsdeck) dehnt sich die Druckflüssigkeit aus (es kann weniger Druckflüssigkeit eingefüllt werden). In diesem Falle ist der Beutel dann aber auch in seinem Inneren mit Luft gefüllt und kann weitgehend komprimiert werden. Wasser und Luft dringen über den offenen Zuleitungsschlauch in das Innere des Druckbeutels, wobei der Zuleitungsschlauch ebenfalls von Druckflüssigkeit umgeben und druckdicht aus der Deckplatte herausgeführt ist.
Die mit der Erfindung beanspruchte druckneutrale Batterie stellt eine sehr kompakte und kostengünstige Komponente dar, die für Unterwasseranwendungen besonders geeignet ist. Dabei wird es in der Praxis bevorzugt sein, dass jedes in der Tiefsee eingesetzte Gerät eine eigene Batterie erhält, sodass diese relativ klein dimensioniert sein kann. Zentralversorgungen werden vermieden, beim Ausfall einer Batterie können durch die anderen dezentralen Batterien die anderen Geräte noch weiterbetrieben werden. In der Tiefsee werden bevorzugt wiederauf- ladbare Sekundärbatterien eingesetzt. Ist deren Leistungsfähigkeit jedoch nicht ausreichend, können auch Primärbatterien, die im Gegensatz zu Sekundärbatterien nicht wiederaufladbar sind, eingesetzt werden. Dies ist aber nicht nachteilig, da je nach Dimensionierung und Leistungsabforderung eine derartige Primärbatterie einen Dauerbetrieb von einem Jahr unter Wasser ermöglichen kann. Ein besonderer Vorteil bei der mit der Erfindung beanspruchten druckneutralen Batterie besteht darin, dass keine druckstabilen Gehäuse, die groß, schwer, aufwändig in ihrer Handhabung und teuer sind, eingesetzt werden. Vielmehr ist die beanspruchte Batterie in ihrem Gewicht besonders gering und in ihren Abmaßen äußerst flexibel und nur festgelegt durch die Anzahl und Anordnung der eingesetzten Gehäuse mit Batteriezellen (ein Gehäuse zusammen mit den eingeschlosse- nen Batteriezellen wird als Batterieblock definiert). Die Anzahl ist wiederum abhängig von der erforderlichen Leistung der Batterie. Die Anordnung ist abhängig von der reihen- und/oder spaltenweisen Positionierung der Batterieblöcke in der Batterie. Die Gehäuse der Batteriezellen bilden direkt die Außenseite der Batterie. Nicht zuletzt trägt auch die besondere Ausgestaltung des reversibel verformbaren Druckausgleichselements zu der besonderen Kompaktheit und Kostengünstigkeit der beanspruchten Batterie bei. Durch die Verwendung eines geschlossenen Druckbeutels kann - gegenüber den bekannten Ausführungsformen mit zumeist rotationssymetrischen Bauformen - ein besonders flaches und damit platzsparendes Kompensationsmittel zur Verfügung gestellt werden.
Vorteilhaft und bevorzugt ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auf der Oberseite des Gehäuses Anschlusspole vorgesehen sind, die von einem Anschlusskabel kontaktiert sind, das in der Aussparung in der Deckplatte angeordnet und druckdicht aus der Deckplatte herausgeführt ist. Wenn mehrere Gehäuse mit Batteriezellen nebeneinander angeordnet werden, können die Pole entsprechend in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander und mit den Anschlusspolen verbunden werden. Bevorzugt und vorteilhaft ist es dann, wenn die Anschlusspole auf den Oberseiten der Gehäuse elektrisch leitend miteinander verbunden und von dem Anschlusskabel kontaktiert sind. Die druckdichte Herausführung des Anschlusskabels aus der Deckplatte kann beispielsweise durch Einkleben mit einem elastischen Kleber umgesetzt werden. Damit das Anschlusskabel beweglich ist und optimal mit dem zu versorgenden Gerät verbunden werden kann, ist es weiterhin bevorzugt und vorteilhaft, wenn eine Abschrägung in der Deckplatte im Bereich der druckdichten Herausführung des Anschlusskabels vorgesehen ist. Beispielsweise kann einfach die ganze Ecke ausgespart werden, sodass das Anschlusskabel in jeder abgehenden Richtung einfach positionierbar ist.
Das Befüllen der Gehäuse mit Drucköl kann vor oder nach dem Aufsetzen der Deckplatte erfolgen. Im zweiten Fall ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn in der Deckplatte ein Zuführungskanal für die Druckflüssigkeit angeordnet ist, der in der Aussparung endet und druckdicht verschließbar ist. Der Zuführungskanal endet über zumindest einer Öffnung pro vorgesehenem Gehäuse. Der druckdichte Verschluss kann beispielswiese durch einen Verschlussstopfen mit Elastomerdichtung umgesetzt werden. Werden wiederaufladbare Batterieblöcke eingesetzt, ist es vorteilhaft, beim Ladevorgang ggfs. entstehende Gase, die in das Drucköl übertreten, aus diesem auch wieder entweichen zu lassen, indem die Batterieblöcke geöffnet werden. Das erfolgt durch Entfernen des Verschlussstopfens, da es keine weiteren Öffnungen in den Innenraum der Batterieblöcke gibt (alle ggfs. vorhandenen Ventile wurden entfernt). Bei einer tiefen Entladung kann unter hohem hydrostatischem Druck ebenfalls Gas entstehen, das beim Auftauchen zur „Dekompressionskrankheit" führen kann. Das Ausgasen beim Laden und Entladen kann aber generell vermieden werden, wenn die maximale Kapazität der Batterieblöcke nicht voll ausgenutzt und der Lade- und Entladevorgang vorsichtig durchgeführt wird. Vorteilhafterweise erfolgt das Befüllen der Batterieblöcke ein- oder mehrfach alternierend mit einer Entlüftung im Vakuum (beispielsweise in einer Vakuumkammer), um eine luftblasenfreie Füllung sicher garantieren zu können. Das Befüllen erfolgt unter Atmosphärendruck beispielsweise mit einer einfachen Spritze. Beim Befüllen ist der Druckbeutel mit Luft auf seinen normalen Volumenzustand aufgebläht und druckdicht verschlossen. Sobald Drückflüssigkeit aus dem Zuführungskanal austritt, wird der Füllvorgang abgebrochen.
Eine einfache Montage und Handhabbarkeit ergibt sich bei der druckneutralen Batterie nach der Erfindung, wenn bevorzugt und vorteilhaft die Deckplatte durchsichtig ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen Einblick in den Innenraum der Batterie bzw. der beteiligten Gehäuse. Als Material für die Deckplatte kann beispielsweise transparentes Polymethylmethacrylat PMMA oder Polycarbonat PC eingesetzt werden, welche dauerhaft resistent gegen Salzwassereinwirkung sind, wobei PC noch schlagfester ist. ist. Um zusätzliche Öffnungen in der Deckplatte zu vermeiden, die druckdicht abzudichten wären, ist es weiterhin bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Deckplatte mit der Oberseite des Gehäuses elastisch verklebt ist. Hierbei wird bevorzugt ein dauereleastischer, hochadhäsiver und salzwasser- resistenter Kleber auf Silikonbasis verwendet, wie er beim Verkleben von Stahltei- len eingesetzt wird. Bevorzugt und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn mehrere Gehäuse mit jeweils mehreren Batteriezellen benachbart angeordnet sind und die Deckplatte unmittelbar und druckdicht mit der Oberseite aller Gehäuse verbunden ist. Die Deckplatte überdeckt dann alle Gehäuse auf deren Oberseite, hält sie zusammen und schützt sie. Durch das Vorsehen mehrerer Gehäuse mit Batteriezellen (Batterieblöcke) ist Redundanz gegeben. Fällt ein oder mehrere Batterieblöcke aus, können (je nach vorgesehener Anzahl) die verbleibenden funktionsfähigen Batterieblöcke die Energieversorgung trotzdem aufrechterhalten. Bei einer größeren Anzahl von Batterieblöcken und damit bei einer großen Abmessung der Batterie ist es darüber hinaus bevorzugt und vorteilhaft, wenn mit der Unterseite der benachbart angeordneten Gehäuse eine Stabilisierungsplatte verbunden ist. Hierbei kann es sich um eine einfache Kunststoffplatte handeln, die die Grundmaße der Batterie aufweist und mit der Unterseite aller Gehäuse verklebt ist.
Die eingesetzte Druckflüssigkeit verhindert bei der beanspruchten druckneutralen Batterie ein Komprimieren von gasgefüllten Druckkammern im Innenraum unter hohem hydrostatischem Druckeinfluss. Bevorzugt und vorteilhaft wird ein Drucköl eingesetzt. Dabei kann es sich insbesondere um ein kommerziell erhältliches Pa- raffinöl oder auch Weißöl handeln. Weiterhin werden bevorzugt und vorteilhaft als Gehäuse mit den Batterienzellen kommerziell erhältliche wartungsfreie Primäroder Sekundär-Batterieblöcke mit rechteckigem Gehäuse eingesetzt. Dabei weisen diese bevorzugt und vorteilhaft einen Blei-Vlies-Elektrolyten auf. Hierbei wird der Elektrolyt als Gel in dem Vlies gehalten, weshalb die Batterieblöcke auch lageunabhängig genutzt werden kann. Zusätzlich kann der Elektrolyt noch durch ein modifiziertes Gitter unterstützt werden. Bevorzugt werden unter Wasser bleibasierte Batterien eingesetzt, da lithiumbasierte Batterien starken landesabhängigen Einfuhrkontrollen unterliegen. Außerdem sind Blei-Batterien mit einfacheren und kostengünstigeren Ladegeräten zu laden als Lithiumbatterien. Andere Batterietypen können bei der Erfindung aber ebenfalls ohne weiteres eingesetzt werden, beispielsweise auch Batterien mit einem Feststoff-Elektrolyten. Weiterhin kann bevorzugt und vorteilhaft als Druckbeutel ein kommerziell erhältlicher Schlauchbeutel mit einem integrierten offenen Zuleitungsschlauch eingesetzt ist, wobei in das Ende des offenen Zuleitungsschlauchs ein Dichtungsrohr mit O-Ring eingesetzt ist. Druckdicht festgehalten wird das Dichtungsrohr durch ein Takling (feste Schnurumwicklung) auf dem Zuleitungsschlauch. Dabei ist das Dichtungsrohr in seiner Mitte offen, sodass immer eine Verbindung zwischen dem Beutelinneren und der jeweiligen Umgebung hergestellt ist. Der Schlauchbeutel ist also immer mit dem entsprechenden Medium (Wasser oder Luft) in gefüllt. Derartige Schlauchbeutel sind im medizinischen Sektor weit verbreitet und als Infusions- Urin- oder Sekretbeutel in unterschiedlichen Volumengrößen und in der Regel aus Polyvinylchlorid bestehend am Markt erhältlich. Sie weisen immer einen Zuleitungsschlauch auf, der an seinem freien Ende verschließbar ist. Die Schlauchbeutel bestehen aus einem festen, reversibel verformbaren Kunststoff und lassen sich einfach auf das gewünschte Volumen zuschneiden und wieder verschweißen. Eine Verwendung von aluminiumbedampften Mehrschichtbeuteln, wie sie beispielsweise als Getränkebeutel bekannt sind, können ebenfalls eingesetzt werden.
Schließlich wird mit der Erfindung auch noch ein Verfahren zur Herstellung der zuvor erläuterten druckneutralen Batterie in speziellen Ausführungsformen beansprucht, das sich durch seine besondere Einfachheit und die Verwendung von vornehmlich kommerziell erhältlichen Einzelkomponenten auszeichnet und zu einer besonders kostengünstigen druckneutralen Batterie führt. Entsprechend der erforderlichen Leistung werden mehrere wartungsfreie Primär- oder Sekundär- Batterieblöcke mit rechteckigem Gehäuse in Reihen und Spalten nebeneinander benachbart angeordnet. Beispielsweise können zwei Batterieblöcke 24V/12Ah oder 24V/7Ah mit ihren Schmalseiten aneinandergestellt werden. Weisen die Batterieblöcke Entlüftungsventile auf (zum Gasablass in die Atmosphäre), werden diese entfernt. Weiterhin werden eine oder mehrere Öffnungen in die Oberseite jedes Batterieblocks gesägt. Dabei berührt die Druckflüssigkeit jede Batteriezelle und damit auch den Elektrolyten komplett. Es sind daher nur solche Batterieblöcke bei der Erfindung einsetzbar, bei der Elektrolyt nicht auswaschbar ist. Batterieblöcke mit einem wässrigen Elektrolyten oder mit einlaminierten Batteriezellen, in denen sich Druckkammern befinden können, können bei der Erfindung nicht eingesetzt werden. Anschließend werden die elektrischen Pole der Batterieblöcke miteinander verschaltet (Reihen- oder Parallelschaltung) und zu zwei Anschlusspolen zusammengeführt. Parallel wird eine Deckplatte erzeugt, die die Anforderungen erfüllt. Beispielsweise kann aus einer dicken Platte aus transparenten Po- lymethylmethacrylat oder Polycarbonat die Deckplatte herausgeschnitten und die Aussparung passend für den Druckbeutel und die Öffnungen in den Batterieblöcken herausgefräst werden. Anschließend wird ein einfacher Schlauchbeutel in seinem Volumen durch Abschneiden und Verschweißen an die Aussparung an- gepasst. In das Ende seines Schlauches wird ein Dichtungsrohr eingepasst. Dann wird der Schlauchbeutel in die Aussparung gelegt, wobei der Zuleitungsschlauch und das Dichtungsrohr in den zweiten Abschnitt der Aussparung druckdicht eingepasst werden. Dann wird ein Anschlusskabel in den ersten Abschnitt der Aussparung eingelegt und durch Verkleben druckdicht aus der Deckplatte herausgeführt. Anschließend wird das Anschlusskabel an die beiden Ausgangspole der Batterieblöcke elektrisch angeschlossen. Als nächstes wird die Deckplatte mit der Aussparung nach unten auf die Oberseiten der Batterieblöcke druckdicht aufgeklebt. Die Transparenz der Deckplatte hilft dabei bei der Justierung und Kleberverteilung. Dann werden die Batterieblöcke durch den dritten Abschnitt der Aussparung und die Öffnungen auf der Oberseite der Gehäuse mit Drucköl gefüllt, wobei die Einfüllmenge von der Anwendung der druckneutralen Batterie abhängig ist. Nach dem Verschließen der dritten Aussparung mit dem Verschlussstopfen ist die druckneutrale Batterie fertiggestellt und einsatzbereit. Zusätzlich können noch die benachbart angeordneten Batterieblöcke miteinander verklebt werden und/oder die Stabilisierungsplatte auf der Unterseite der benachbart angeordneten Batterieblöcke angeklebt und/oder die Batterieblöcke beim Füllen mit der Druckflüssigkeit unter Vakuum entgast werden. Das erfolgt beispielsweise in einer abgeschlossenen Vakuumkammer. Da es hierbei schwierig ist, Anschlussleitungen aus dem Vakuum herauszuführen, können die Batterieblöcke außerhalb der Druckkammer mit Öl befüllt und anschließend zum Entgasen in die Druckkammer gestellt und unter Vakuum gesetzt werden. Dieser Vorgang kann auch mehrfach wiederholt werden, bis alle Gasblasen zuverlässig aus der Batterie ausgetreten sind. Bei einer Druckkammer mit einer Zuleitungsmöglichkeit kann auch der gesamte Füllvorgang im Vakuum erfolgen, wobei dafür zu sorgen ist, dass die Druckflüssigkeit sicher in das Innere der Batterie gelangt. Weitere Details zur Erfindung und ihren Ausführungsformen sind den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden die druckneutrale Batterie zum Einsatz in der Tiefsee nach der Erfindung und ihre vorteilhaften Modifikationen anhand der schematischen Figuren zum besseren Verständnis der Erfindung noch weitergehend erläutert. Dabei zeigt die
Fig. 1 die druckneutrale Batterie in der perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 die druckneutrale Batterie in der Explosionsdarstellung,
Fig. 3A die Deckplatte in der perspektivischen Draufsicht,
Fig. 3B die Deckplatte in der perspektivischen Unteransicht und
Fig. 3C die Deckplatte im Längsschnitt.
In der Fig. 1 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine druckneutrale Batterie 01 nach der Erfindung gezeigt. In einer Darstellung nicht ausreichend deutlich zu erkennende Bezugszeichen sind den anderen Figuren zu entnehmen. Zu erkennen sind im unteren Bereich zwei Gehäuse 02, in denen sich jeweils mehrere Batteriezellen 03 (in einem Aufbruch des Gehäuses 02 angedeutet) befinden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um zwei handelsübliche Batterieblöcke 04 der japanischen Firma YUASA® mit einem Blei-Vlies-Elektrolyten, die jeweils vollständig von ihrem rechteckigen Gehäuse 02 umgeben sind. Die Gehäuse 02 bilden auch das äußere Gehäuse der druckneutralen Batterie 01 , weitere umgebende Gehäuse treten nicht auf. Bei den beiden Batterieblöcken 04 kann es sich beispielsweise um 24 V, 12 Ah Akkumulatoren (Sekundärbatterien, wieder- aufladbar) handeln mit den Abmaßen L 303 mm x B 98 mm x H 1 16 mm und einem Trockengewicht von 9,4 kg. Werden 24 V, 7 Ah Akkumulatoren eingesetzt, liegen die Abmaße bei L 303 mm x B 65 mm x H 1 16 mm und das Gesamtvolumen bei ca. 2,2 I. Die beiden Batterieblöcke 04 sind modifiziert, indem ggfs. vorhandene Ventile, die Niederdruckventile zum Gasablassen, entfernt und alle Hohlräume zwischen den Batteriezellen 03 gasblasenfrei mit einer Druckflüssigkeit 05 gefüllt sind. Zum Befüllen sind in jeden Batterieblock 04 sechs Öffnungen 06 in die Oberseiten 07 eingebracht. Bei der Befüllung kann beispielsweise ein Drucköl 08 (Weißöl, Handelsname Addinol®WX15™, 1 ,2 I beim größeren Batterieblock 04 mit 12 Ah, 0533 I beim kleineren Batterieblock 04 mit 7 Ah) eingebracht werden.
Oberhalb der Batteriezellen 03 ist eine Deckplatte 09 mit den beiden Gehäusen 02 druckdicht verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist sie mit einem elastischen, hochadhäsiven und transparenten Kleber (Handelsname Sika®flex™) aufgeklebt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Deckplatte 09 aus transparentem Polymethylmethacrylat (Handelsname Plexiglas®) oder Polycarbonat (Handelsname Macrolon®) gefertigt. Die Deckplatte 09 weist auf ihrer Unterseite 10 eine oberhalb der Öffnungen 06 liegende Aussparung 11 auf, die ebenfalls vom Drucköl 08 ausgefüllt ist. In der Aussparung 11 befindet sich ein reversibel verformbares Druckausgleichselement 12, das als geschlossener Druckbeutel 13 mit einem offenen Zuleitungsschlauch 14 ausgebildet ist. Der Zuleitungsschlauch 14 ist in einem zweiten Abschnitt 15 der Aussparung 11 angeordnet und weist an seinem offenen Ende 34 ein in seiner Mitte offenes Dichtungsrohr 16 auf, mit dem er aus der Deckplatte 09 druckdicht herausgeführt ist. Bei dem Druckbeutel 13 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen handelsüblichen medizinischen Schlauchbeutel 36 aus Polyvinylchlorid (PVC), der in seinem Volumen an die Aussparung 11 angepasst ist. Bei dem größeren Batterieblock 04 wird ein Druckbeutel 13 mit einem Beutelvolumen von 135 ml (bei Einfüllen von 150 ml ist der Druckbeutel 13 prall gespannt) eingesetzt. Für einen angenommenen Volumenschwund von 7% (84 ml) - was der auftretenden Kompressibilität des
Drucköls 08 bei 600bar Umgebungsdruck entspricht - beträgt die Soll-Füllung des Druckbeutels 13 1 170 ml (ganz platter Beutel minus 30 ml). Bei dem kleineren Batterieblock 04 wird ein Druckbeutel 13 mit einem Beutelvolumen von 60 ml ein- gesetzt. Für einen angenommenen Volumenschwund von 7% (38 ml) - was der auftretenden Kompressibilität des Drucköls 08 bei 600bar Umgebungsdruck entspricht - beträgt die Soll-Füllung des Druckbeutels 13 513 ml (ganz platter Beutel minus 20 ml).
Ein Anschlusskabel 17 ist in einen ersten Abschnitt 18 in der Aussparung 11 der Deckplatte 09 eingebracht und druckdicht verklebt. Es dient der Kontaktierung von zwei Anschlusspolen 19, 20 der beiden Batterieblöcke 04. Im vorderen Bereich der Batterieblöcke 04 sind zwei miteinander verbundene elektrische Pole 35 dargestellt, die den Stromkreis schließen. Es handelt sich beispielsweise um ein 60 cm oder 50 cm langes Anschlusskabel 17 mit einem handelsüblichen Stecker 21 (beispielsweise BHF4 der Fa. Subconn®, Pinbelegung Pluspol, Minuspol, zwei Massepole). Für eine gute Führbarkeit des Anschlusskabels 17 weist die Deckplatte 09 im Bereich einer Ecke eine Abschrägung 22 auf. Schließlich ist in der Aussparung 11 noch ein dritter Abschnitt 23 mit einem Zuführungskanal 33 angeordnet, durch den das Drucköl 08 durch die Öffnungen 06 in die Gehäuse 02 der Batterieblöcke 04 und in die Aussparung 11 eingebracht wird. Nach Beendigung der Einfüllung wird der Zuführungskanal 33 mit einem Verschlussstopfen 24 mit einer Elastomerdichtung druckdicht verschlossen.
In der Fig. 2 ist eine Explosionszeichnung der druckneutralen Batterie 01 aufgezeigt. Dargestellt sind wiederum zwei Batterieblöcke 04 mit geschlossenen, eigenständigen Gehäusen 02. Zu erkennen sind jeweils sechs Öffnungen 06 in der Oberseite 07 der Gehäuse 02 und zwei elektrische Pole 35 pro Batterieblock 04. Die elektrischen Pole 35 werden dann jeweils nach Ladung gemeinsam kontaktiert durch die beiden Anschlusspole 19, 20. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Batterieblöcke 04 mit ihren Stirnseiten 26 zueinander in Reihe gesetzt und miteinander verklebt. Eine Reihung mit den Breitseiten (Spaltenbildung) ist ebenso möglich wie eine Anordnung von mehr als zwei Batterien in mehreren Reihen und/oder Spalten. Zur weiteren Stabilisierung der beiden verklebten Batterieblöcke 04 wird noch eine Stabilisierungsplatte 28 aus Kunststoff mit den entsprechenden Abmaßen der beiden gereihten Batterieblöcke 04 an de- ren die Unterseite 27 angeklebt.
Oberhalb der beiden Batterieblöcke 04 ist der reversibel verformbare Druckbeutel 13 in Form eines kommerziell erhältlichen Schlauchbeutels 36 mit dem bereits bei der Herstellung integrierten Zuleitungsschlauch 14 schematisch dargestellt. Darüber ist die Deckplatte 09 dargestellt. Dargestellt ist auch die Abschrägung 22 für das Anschlusskabel 17 mit Stecker 21. Das Anschlusskabel 17 gehört in den ersten Abschnitt 18 der Aussparung 11 (seitliche Öffnung dargestellt) Gut zu erkennen ist, dass sich die Abschrägung 22 nicht über die gesamte Höhe der Deckplatte 09 erstreckt. Es verbleibt eine Grundecke 25, die mit gewährleistet, dass die nach oben offenen Batterieblöcke 04 von der Deckplatte 09 druckdicht verschlossen sind. Weiterhin sind in der Fig. 2 noch das Dichtungsrohr 16 und der Verschlussstopfen 24 dargestellt. Das Dichtungsrohr 16 gehört in den zweiten Abschnitt 15 und der Verschlussstopfen 24 in den dritten Abschnitt 23 der Deckplatte 09 (jeweils seitliche Öffnungen dargestellt).
In der Fig. 3A ist die Deckplatte 09 (Dicke 20 mm) in der perspektivischen Draufsicht dargestellt. Zu erkennen sind die Abschrägung 22 (zur besseren Kabelführung gerundet verlaufend) und die Grundecke 25. Weiterhin sind die Öffnungen für den ersten, zweiten und dritten Abschnitt 18, 15 und 23 der Deckplatte 11 dargestellt.
In der Fig. 3B ist die Deckplatte 09 in der perspektivischen Unteransicht dargestellt. Zusätzlich sind jetzt gut die in den Ecken gerundete Aussparung 11 mit den ersten, zweiten und dritten Abschnitten 18, 15 und 23 und die innere Öffnung 29 für das Anschlusskabel 17 zu erkennen. Dargestellt ist auch ein umlaufender Absatz 30. Dieser dient der Trennung zwischen Klebung und Ölfüllung und dem Abstand zwischen der Deckplatte 11 im Bereich außerhalb der Aussparung und der Oberseite 07 der Gehäuse 02. Auf der Außenseite 31 des umlaufenden Absatzes 30 ist im betriebsfertigen Zustand der druckneutralen Batterie 01 der Kleber aufgebracht, auf der Innenseite 32 des umlaufenden Absatzes 30 verteilt sich das Drucköl 08 über die gesamte Aussparung 11 in alle Öffnungen 06 der Batterieblö- cke 04 und umschließt dabei auch die Druckbeutel 13.
Die Fig. 3C zeigt einen Längsschnitt durch die Deckplatte 09. Zu erkennen sind gut die Durchgänge im Bereich der ersten, zweiten und dritten Abschnitte 18, 15 und 23 in der Aussparung 11. Im dritten Abschnitt 23 ist der Zuführungskanal 33 für das Drucköl 08 angeordnet.
Bezugszeichenliste
01 druckneutrale Batterie
02 Gehäuse von 04
03 Batteriezelle
04 Batterieblock (primär oder sekundär)
05 Druckflüssigkeit
06 Öffnung in 04
07 Oberseite von 02, 04
08 Drucköl als 05
09 Deckplatte
10 Unterseite von 09
11 Aussparung in 09
12 Druckausgleichselement
13 Druckbeutel als 12
14 Zuleitungsschlauch an 13
15 zweiter Abschnitt in 1 1
16 Dichtungsrohr
17 Anschlusskabel
18 erster Abschnitt in 1 1
19 Anschlusspol (+) von 01
20 Anschlusspol (-) von 01
21 Stecker
22 Abschrägung 23 dritter Abschnitt in 1 1
24 Verschlussstopfen
25 Grundecke von 22
26 Stirnseite von 02, 04
27 Unterseite von 02, 04
28 Stabilisierungsplatte
29 innere Öffnung von 18
30 umlaufender Absatz auf 10
31 Außenseite von 30
32 Innenseite von 30
33 Zuführungskanal
34 Ende von 14
35 elektrischer Pol von 04
36 Schlauchbeutel als 13
URL 1
https://depositonce.tu-berlin.de/handle/1 1303/2754
URL 2
http://www.enitech.de/files/produkte/Datenblatt_Batterie.pdf
URL 3
http://www.bluefinrobotics.com/assets/Papers/Lithium%20Battery%20Technology
_Wilson_April%202009.pdf
URL 4
https://www.swe.eom/media/files/files/1 a41 af98/2013_07_26_Oceans_2013_Pap er_Leon_Adams_SWE_PID2876161_2_.pdf

Claims

Patentansprüche
1. Druckneutrale Batterie (01 ) zum Einsatz in der Tiefsee mit zumindest einer Batteriezelle (03), die in zumindest einem Gehäuse (02) angeordnet, mit einem nichtauswaschbaren Elektrolyten gefüllt und gasblasenfrei in eine Druckflüssigkeit (05) eingebettet ist, einer oberhalb der Batteriezelle (03) am Gehäuse (02) angeordneten Deckplatte (09) und einem unterhalb der Deckplatte (09) angeordneten reversibel verformbaren Druckausgleichselement (12) zum Druckausgleich zwischen der Druckflüssigkeit (05) und dem auf die Batteriezelle (03) einwirkenden hydrostatischen Druck, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (02) die Batteriezelle (03) vollständig umgibt und ventilfrei ist und auf seiner Oberseite (07) zumindest eine Öffnung (06) im Bereich der Druckflüssigkeit (05) aufweist und die Deckplatte (09) druckdicht mit der Oberseite (07) des Gehäuses (02) verbunden ist, wobei die Deckplatte (09) auf ihrer Unterseite (10) eine oberhalb der Öffnung (06) liegende und von der Druckflüssigkeit (05) ausgefüllte Aussparung (1 1 ) aufweist, und dass das reversibel verformbare Druckausgleichselement (12) in der Aussparung (1 1 ) der Deckplatte (09) liegt und als geschlossener Druckbeutel (13) mit einem offenen Zuleitungsschlauch (14), der aus der Deckplatte (09) druckdicht herausgeführt ist, ausgebildet ist.
2. Druckneutrale Batterie (01 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (07) des Gehäuses (04) Anschlusspole (19, 20) vorgesehen sind, die von einem Anschlusskabel (17) kontaktiert sind, das in einem ersten Abschnitt (18) der Aussparung (1 1 ) in der Deckplatte (09) angeordnet und druckdicht aus der Deckplatte (09) herausgeführt ist.
3. Druckneutrale Batterie (01 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschrägung (22) in der Deckplatte (09) im Bereich der druckdichten Herausführung des Anschlusskabels (17) vorgesehen ist.
4. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Deckplatte (09) ein Zuführungskanal (33) für die Druckflüssigkeit (05) angeordnet ist, der in der Aussparung (1 1 ) endet und druckdicht verschlossen ist.
5. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (09) durchsichtig ausgebildet ist.
6. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (09) mit der Oberseite (07) des Gehäuses (02) elastisch verklebt ist.
7. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gehäuse (02) mit jeweils mehreren Batteriezellen (03) benachbart angeordnet sind und die Deckplatte (09) unmittelbar und druckdicht mit der Oberseite (07) aller Gehäuse (02) verbunden ist.
8. Druckneutrale Batterie (01 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Unterseite (27) der benachbart angeordneten Gehäuse (02) eine Stabilisierungsplatte (28) verbunden ist.
9. Druckneutrale Batterie (01 ) nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspole (19. 20) auf den Oberseiten (07) der Gehäuse (02) elektrisch leitend miteinander verbunden und von dem Anschlusskabel (17) kontaktiert sind.
10. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckflüssigkeit (05) ein Drucköl (08) in Form eines kommerziell erhältlichen Paraffinöl eingesetzt ist.
11. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gehäuse (02) mit den Batterienzellen (03) kommerziell erhältliche wartungsfreie Primär- oder Sekundär-Batterieblöcke (04) mit rechteckigem Gehäuse (02) eingesetzt sind.
12. Druckneutrale Batterie (01 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kommerziell erhältlichen Primär- oder Sekundär-Batterieblöcke (04) einen Blei-Vlies-Elektrolyten aufweisen.
13. Druckneutrale Batterie (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckbeutel (13) ein kommerziell erhältlicher Schlauchbeutel (36) mit einem integrierten offenen Zuleitungsschlauch (14) eingesetzt ist, wobei in das Ende (34) des offenen Zuleitungsschlauchs (14) ein Dichtungsrohr (16) eingesetzt ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer druckneutralen Batterie (01 ) nach Anspruch 1 1 oder 12 und 13, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
• reihen- und/oder spaltenweise benachbarte Anordnung mehrerer wartungsfreier Primär- oder Sekundär-Batterieblöcke (04) mit rechteckigem Gehäuse,
• Entfernen von optional vorhandenen Entlüftungsventilen,
• Einbringen von einer oder mehreren Öffnungen (06) in die Oberseite (06) der Gehäuse (02),
• Verbindung der elektrischen Pole (35) der Batterieblöcke (04) in einer Parallel- oder Reihenschaltung unter Bildung von zwei Anschlusspolen (19, 20),
• Erzeugen einer Deckplatte (09) gemäß den Ansprüchen 15 und 16, wobei die Größe an die Anzahl und Aneinanderreihung der eingesetzten Batterieblöcke (04) und die Aussparung (1 1 ) für den reversibel verformbaren Druckbeutel (13) an die Öffnungen (06) in den Batterieblöcken angepasst ist,
• Verkürzen und Verschweißen eines Schlauchbeutels (36) als reversibel verformbarer Druckbeutel (13), sodass sein Volumen an die Aussparung (1 1 ) in der Deckplatte (09) angepasst ist,
• Einsetzen eines Dichtungsrohrs (16) in das Ende (34) des offenen Zulei- tungsschlauchs (14),
• Einlegen des angepassten Schlauchbeutels (36) in die Aussparung (1 1 ) und des Zuleitungsschlauches (14) in den zweiten Abschnitt (15) der Aussparung (1 1 ), wobei das Dichtungsrohr (16) druckdicht eingepasst wird,
• Einlegen eines Anschlusskabels (17) in den ersten Abschnitt (18) der Aussparung (1 1 ) und druckdichtes Herausführen aus der Deckplatte (09),
• elektrisches Anschließen des Anschlusskabels (17) an die beiden Ausgangspole (19, 20) der Batterieblöcke (04),
• druckdichtes Aufkleben der Deckplatte (09) mit der Aussparung (1 1 ) nach unten auf die Oberseiten (07) der Batterieblöcke (04),
• Füllen der Batterieblöcke (04) mit einer Druckflüssigkeit (05, 08) durch den Zuführungskanal (33) im dritten Abschnitt (23) der Aussparung (1 1 ) und durch die Öffnungen (06) auf der Oberseite (07) der Gehäuse (02), wobei die Einfüllmenge an Druckflüssigkeit (05, 08) von der Anwendung der druckneutralen Batterie (01 ) abhängig ist,
• Einbringen eines druckdichten Verschlussstopfens (24) in den dritten Abschnitt (23) der Aussparung (1 1 ).
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
• Verkleben der benachbart angeordneten Batterieblöcke (04) miteinander und/oder
• Ankleben einer Stabilisierungsplatte (28) auf der Unterseite (27) der benachbart angeordneten Batterieblöcke (04) und/oder
• Entgasen der Batterieblöcke (04) beim Füllen mit der Druckflüssigkeit (05, 08) oder alternierend dazu unter Vakuum.
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