كـ مصنع بطارية الليثيوم المهنيةيعمل UFOPOWER مع مطوري بطاريات AUV, بطاريات ROVوأنظمة الطاقة الروبوتية تحت الماء في جميع أنحاء العالم. نظام البطارية هو واحد من أول الأنظمة التي ينبغي النظر فيها عند تطوير روبوت تحت الماء - وليس مكونا يتم اختياره بعد الانتهاء من الهيكل ونظام الدفع بالفعل. يؤثر جهد البطارية على نظام الدفع وإلكترونيات الطاقة. تؤثر القدرة على وقت البعثة والوزن والقدرة على الطفاء. يؤثر شكل الخلية على استخدام الضغط ، في حين يجب أن تعمل BMS والموصل والشاحن والمسار الحراري مع المركبة. رسكو؛ الهندسة المعمارية الكهربائية والميكانيكية.

ويشير معهد وودز هول للأوقيانوغرافيا إلى أن أغلبية الضغط القوية تزيد من الوزن ، مما يتطلب قدرة أكبر على الطفو ويمكن أن تزيد من استهلاك الطاقة للمركبة. تستخدم منازل الضغط الدائري على نطاق واسع لأنها توزع الضغط الخارجي بشكل أكثر تساويا من الهياكل ذات الزوايا الحادة. هذا هو السبب في أن العديد من مطوري السيارات المستقلة، ROV تعمل بالبطاريات، الدفع تحت الماء، والمعدات تحت البحر يحتاجون إلى أكثر من حزمة بطاريات قياسية. يحتاجون إلى شريك بطارية يمكنه المشاركة في اختيار الخلايا والهندسة المعمارية الكهربائية وتطوير BMS والتكامل الهيكلي والاختبار وتخطيط الإنتاج.

ابدأ بملف تعريف المهمة وليس نموذج الخلية

مشروع البطارية لا ينبغي أن تبدأ مع السؤال ، & ldquo ؛ هل يجب أن نستخدم خلايا 18650 أو 21700؟ & rdquo ؛ يجب أن تبدأ مع الروبوت تحت الماء رسكو؛ مهمة. يجب على فريق الهندسة أولاً أن يفهم:

• نوع السيارة وتطبيقها

• مدة البعثة المستهدفة

• السفر والسرعة القصوى

• الجهد الاسمي والحد الأقصى للنظام

• متوسط قوة التشغيل

• مستمر و ذروة التيار

• أبعاد مقصورة البطارية الداخلية

• درجات حرارة التشغيل والشحن

• عمق الهدف وتصميم السكن الضغط

• طريقة الشحن أو الربط أو تبادل البطارية

• بروتوكول الاتصالات

• الاحتياطي المطلوب للعودة إلى القاعدة أو الطوارئ

يمكن رؤية العلاقة بين الطاقة وأداء البعثة في مركبات البحث الراسخة. معهد وودز هول للمحيطات رسكو؛ حملت مركبة ABE المستقلة تحت الماء نظام بطارية ليثيوم أيون 5 كيلوواط/ساعة واستهلكت حوالي 210-300 واط حسب المهمة، ودعمت مدى تشغيل 20-40 كم ومدة مهمة 14-20 ساعة. السيارة & رسكو؛ أجهزة الاستشعار وحدها خلقت أيضا مستمرة & ldquo ؛ تحميل الفندق & rdquo ؛ وكان من الضروري إدراجها في ميزانية الطاقة.

ربما يحتاج روبوتان تحت الماء يستخدمان نفس الجهد الاسمي إلى بطاريات مختلفة جداً. الجدول أدناه يقارن أولويات البطارية لأنواع السيارات الشائعة:

خلايا أسطوانية أو خلايا حقيبة: أي شكل يناسب المشروع؟

الخلايا الأسطوانية مثل 18650 و 21700 موحدة ومتاحة على نطاق واسع ومريحة للتجميع وحدات. يمكن لأبعادها الثابتة تبسيط التوريد ، ولكن حزمة عالية السعة قد تتطلب العديد من الخلايا واللحام والمسارات الحالية والدعم الميكانيكي. تسمح خلايا الحقيبة بتعديل القدرة والسمك والعرض والطول حول المساحة المتاحة. ويمكن ترتيبها بوصفها وحدات ضيقة أو حزم مقسمة أو أقسام ذات خلية واحدة ذات سعة كبيرة داخل مسكن ضغط أسطواني.

تظهر أبحاث تنسيق الخلية (جامعة بولونيا) أن الأشكال الأسطوانية والبرزمية والكيس تخلق تفاوضات مختلفة في كفاءة التعبئة والتغليف والسلوك الحراري والدعم الميكانيكي والتصنيع وكثافة الطاقة على مستوى النظام. لا يوجد شكل أفضل تلقائيا لكل سيارة:

الميزة الرئيسية لـ UFOPOWER ليست توفير خلايا أسطوانية قياسية. إنها القدرة على تطوير حلول كيسية عالية الطاقة والقوة. تغطي المحفظة شبه الصلبة للشركة منصات كثافة طاقة مختارة تتراوح من 300 إلى 380 واط/كجم، بينما تشمل محفظة الخلايا الأوسع خيارات عالية معدل التفريغ، LiHV، منخفضة الحرارة، مخصصة الشكل، وLiFePO4. سيكون القيمة النهائية على مستوى الحزمة أقل بعد إضافة نظام إدارة البطارية (BMS)، والوصلات، والأسلاك، والغطاء، والحماية الميكانيكية.

يمكن النظر في استخدام LiFePO4 عندما تكون الاستقرار الحراري وعمر الخدمة أكثر أهمية من الحد الأدنى من الوزن. أظهرت الاختبارات التي تم تقديمها في ورشة عمل بطاريات الفضاء التابعة لناسا أن بطاريات LFP التي تم تقييمها حققت درجات حرارة قصوى أقل مقارنة ببطاريات NMC التي تم تقييمها في ظل ظروف الانفلات الحراري، كما أظهرت أيضًا أن تخطيط الوحدة ومسارات نقل الحرارة يؤثران بشكل كبير على استجابة الحزمة الكاملة.

كيف تؤثر التكوينات التسلسلية والمتوازية على الروبوت

التكوين التسلسلي والتوازي يربط خصائص الخلايا بجهد السيارة وسعتها وقوتها. الخلايا المتصلة تسلسليًا تزيد جهد الحزمة مع الحفاظ على سعة سلسلة واحدة. الخلايا المتصلة على التوازي تزيد سعة الأمبير-ساعة وتوزع التيار عبر خلايا متعددة. تظهر الأبحاث حول تكوينات وحدات الليثيوم أيون (وزارة الطاقة الأمريكية) أن البنية التسلسلية-التوازية تؤثر على توزيع التيار، وانتشار الجهد، وتدفق الطاقة، وسلوك التدهور، خاصة عندما لا تكون الخلايا متطابقة تمامًا.

على سبيل المثال:

• بطارية ليثيوم قياسية 6S لها جهد اسموسي يقارب 22.2 فولت.

• بطارية ليثيوم قياسية 12S لديها جهد اسموي يبلغ حوالي 44.4 فولت.

• سلعتان 30 أمبير/ساعة متصلتان على التوازي توفران سعة اسمية تبلغ 60 أمبير/ساعة، بشرط أن تكون الخلايا ومسارات التيار متطابقة بشكل صحيح.

الطاقة الكهربائية تتبع صيغة P = V × I. بالنسبة لنفس القدرة المطلوبة، يمكن أن يعمل نظام الجهد العالي بتيار أقل. هذا يمكن أن يقلل من الفقد المقاوم في الكابلات والوصلات، لأن هذه الخسائر تزداد مع مربع التيار (P loss = I²R). الجهد العالي ليس أفضل تلقائياً - فقد يتطلب وحدة تحكم المحرك عالية الجهد، وشاحن، ونظام إدارة البطارية، ونظام عزل، وموصل، ووصلة. يمكن لزيادة الخلايا المتوازية أن تزيد السعة والقدرة الناتجة، ولكنها تضيف أيضًا الوزن، والحجم، والوصلات بين الخلايا، ومتطلبات توافق الخلايا. يجب تحديد الهيكل الصحيح مع نظام الدفع، والإلكترونيات التحكمية، والشاحن، والوصلة، والمساحة المتاحة للهيكل.

القدرة ليست نفسها بقاء المهمة

عادةً ما يتم التعبير عن سعة البطارية بوحدة أمبير-ساعة، ولكن يجب أيضًا تقييم طاقة الروبوت تحت الماء بوحدة واط-ساعة: الطاقة (واط-ساعة) = الجهد الاسمي (فولت) × السعة (أمبير-ساعة). يعتمد وقت المهمة على الطاقة القابلة للاستخدام وليس فقط على السعة بالأمبير-ساعة. يجب أن يشمل نموذج الطاقة الدفع، وأجهزة الكمبيوتر المضمنة، والكاميرات، والأضواء، والرادار الصوتي، والاتصالات، والمناورة، والمراوح، والأحمال المساعدة الأخرى. تؤثر سرعة المركبة، وتيار الماء، والمقاومة الهيدروديناميكية، وكفاءة المحرك، ودرجة الحرارة، وشيخوخة البطارية، وكذلك مخزون الاستعادة المطلوب على النتيجة.

تقدير أولي عملي هو: الطاقة المطلوبة = (الطاقة المتوسطة × وقت المهمة) ÷ (عمق التفريغ القابل للاستخدام × كفاءة النظام). يجب ثم إضافة مخزون هندسي للعودة، والطفو، والتيارات غير المتوقعة، وتغيير المسار، وتقدم البطارية. تبحث دراسة AUV طويلة المدى (مستودع مؤسسة NOAA) في التحمل، وتخطيط المسار، والملاحة، ونقل البيانات كقيود نظامية مترابطة بدلاً من مواصفات مستقلة.

يجب أيضًا تضمين الماء البارد في الحسابات. يمكن أن تفقد بطاريات الليثيوم أيون سعتها المتاحة وقوتها في درجات الحرارة المنخفضة لأن نقل الأيونات يتباطأ ويزداد المقاومة الداخلية. وثقت الأبحاث المعملية المدعومة من جامعة بوردو ووزارة الطاقة الأمريكية انخفاضًا كبيرًا في السعة مع انخفاض درجة حرارة الاختبار، مما يوضح لماذا لا يمكن استخدام سعة درجة حرارة الغرفة كأساس وحيد لتدوين بروتوكول مهمة المياه الباردة.

تصميم للطاقة المستمرة، والتيار القممي، وانخفاض الجهد

الروبوت تحت الماء نادرًا ما يعمل بتيار ثابت واحد. قد يخلق السير بثبات حملًا معتدلًا، بينما قد يؤدي بدء تشغيل الدفعات، المناورة السريعة، الحفاظ على الموضع في تيارات قوية، حركة المаниبُلَاتور، أو تشغيل الأدوات المتزامن إنتاج ذروة طاقة قصيرة. يجب أن تحدد مواصفات البطارية:

• متوسط التيار

• تيار مستمر

• التيار القمّي

• مدة الذروة

• أدنى جهد نظام مقبول

• أقصى درجة حرارة لنظام إدارة البطارية والموصل

قد تمتلك البطارية سعة اسمية كافية ولكنها قد تفشل في دعم نظام الدفع إذا كانت مقاومتها الداخلية مرتفعة جدًا. يمكن لنبضة تيار كبيرة أن تخفض الجهد الطرفي إلى حد كافٍ لتقليل أداء الدافع، أو تشغيل حماية نظام إدارة البطارية، أو إعادة تشغيل الإلكترونيات الخاصة بالمركبة. وقد حددت الأبحاث حول التحكم في الدافع تحت الماء انخفاض جهد البطارية كعامل يمكن أن يحد من إخراج الدافع المتاح. لذلك، يجب التحقق من القدرة الكهربائية عبر مسار التيار الكامل: الخلية، قضيب التوصيل، اللحام، الصمام، نظام إدارة البطارية، الكابل، الموصل، ووحدة تحكم المحرك. كما أن معدل الشحن، معدل التفريغ، درجة الحرارة، والوقت التقويمي يؤثر أيضًا على تدهور البطارية، ولهذا يوصي DNV بأساليب اختبار الخلايا المنضبطة والشفافة عند مقارنة أداء البطارية (DNV-RP-0577).

تقدم تجربة UFOPOWER في خلايا البوتاجاز عالية المعدل والطائرات بدون طيار الصناعية أساسًا هندسيًا مفيدًا لمحركات الغوص والمركبات الآلية المزودة ببطاريات. تشمل كلتا التطبيقتين أحمال المحركات، والتيار العالي، واستقرار الجهد، وتسخين الموصلات، والوزن المحدود. لا يزال معدل التفريغ الفعلي بحاجة إلى التأكيد من خلال ملف الحمل المقاس أو المحاكي للروبوت.

هيكل التغليف، العزل المائي، والحماية الميكانيكية

الخلية هي مجرد جزء واحد من نظام بطارية تحت الماء. يحتاج الحزمة أيضًا إلى دعم ميكانيكي، عزل، التحكم في الأسلاك، وضع نظام إدارة البطارية، مسارات حرارية، واجهات مانعة للتسرب، وحماية ضد الاهتزاز والصدمات. الأسطوانات الضاغطة شائعة لأن هندستها توزع الضغط الخارجي بكفاءة. عند متوسط عمق قاع البحر البالغ 3800 متر، يكون الضغط الهيدروستاتيكي حوالي 380 ضعف الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. لذلك، يجب تصميم حاويات البطاريات والإلكترونيات وفقًا للعمق المستهدف بدلاً من اعتبارها مجرد أغلفة مقاومة للماء عادية.

طورت UFOPOWER حزم بطاريات ذكية متينة للطائرات بدون طيار الزراعية والصناعية. تجمع المنتجات الحالية بين وظائف نظام إدارة البطارية، التصميم الحراري، الهياكل المغلقة، واجهات التيار العالي، وبناء مقاوم للماء للعمليات الخارجية الصعبة. تنتقل العديد من هذه الممارسات مباشرة إلى المشاريع تحت الماء:

• إحكام المناطق حول البراغي وحواف الغلاف

• موصلات الطاقة والبيانات المقاومة للماء

• حلقات الإغلاق حول الأزرار وواجهات الخدمة

• أطراف الكابلات المغلقة مع حل لrelief الإجهاد

• العزل الداخلي وحاجز الرطوبة

• التثبيت المسيطر لشدادات الختم وأقراص الإغلاق

• دعامات ماصة للصدمات حول الخلايا ولوحات الدوائر

مقاومة الماء ليست نفس مؤهلات المياه العميقة. تواجه الطائرات بدون طيار الزراعية والنظافة بشكل رئيسي المطر، والرش، والسوائل التنظيفية، والاهتزازات، والتعامل المتكرر في الحقول. يجب على الروبوت تحت الماء أيضًا تحمل النقع المستمر، والضغط الهيدروستاتيكي، ودورات الضغط، وتأكسد الملح، وضغط الختم، وشيخوخة المواد على المدى الطويل. لذلك يجب التحقق من مقاومة الماء ومقاومة الضغط على مستوى الغلاف البطارية الكامل أو مستوى المركبة. تنطبق نفس القاعدة على أداء الاهتزاز والصدمة: يمكن أن توجه خبرة الطائرات بدون طيار وحزم البطاريات عالية الطاقة في اختيار المواد والتصميم الهيكلي، ولكن التكوين النهائي تحت الماء يتطلب اختبارًا خاصًا بالمشروع.

تصميم الموصل هو جزء من نظام الطاقة

يجب اختيار موصل بطارية تحت الماء بناءً على عامل أكثر من عدد Pins. يحتاج المهندسون إلى مراعاة الجهد، والتيار المستمر والذروة، ومقاومة التلامس، وقطر الأسلاك، وطريقة القفل، ودورات المطابقة، ومقاومة التآكل، والإحكام، ومتطلبات الاتصال. قد يستخدم الطاقة والشحن والبيانات واجهات منفصلة أو موصلًا مجمعًا. بعض الأنظمة تُتصل فقط في بيئة جافة، بينما قد تتطلب أنظمة الالتحام تحت الماء أو الخدمة تقنية الالتحام الرطب. تتعامل أبحاث IEEE حول نقل الطاقة والبيانات تحت الماء مع الاتصال الرطب كمشكلة هندسية تحت الماء مخصصة، وليس كامتداد قياسي لمقبس كهربائي مكشوف.

UFOPOWER تعمل مع XT90S، AS150، AS150U، سلسلة EC، Molex، وواجهات ذكية مخصصة في أنظمة البطاريات للطائرات بدون طيار والصناعية. توفر هذه الخبرة في توصيل التيار العالي، التصميم المضاد للشرر، القفل، ملامح الإشارة، واتصالات نظام إدارة البطارية. لا ينبغي تقديم موصل طائرة بدون طيار قياسي على أنه جاهز للاستخدام تحت الماء إلا إذا تم التحقق من أدائه في الإغلاق والضغط للبيئة المقصودة.

يجب تصميم نظام إدارة البطارية (BMS) وإدارة الحرارة بشكل منفصل

يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بمراقبة وتحكم البطارية، ولكنه ليس نظام إدارة الحرارة الكامل. تشمل وظائف BMS النموذجية مراقبة جهد الخلية، وقياس التيار، ومراقبة درجة الحرارة، وحماية التفريغ والشحن الزائد، وحماية التيار الزائد والدوائر القصيرة، والتوازن، وتقدير حالة الشحن (SOC)، وسجل الأعطال، والتواصل. وصفت ناسا مراقبة الخلايا، وتوازن الشحن، وكشف الأعطال، وحماية الجهد الزائد أو الناقص على أنها وظائف أساسية لإدارة البطاريات عالية الجهد.

إدارة الحرارة تتعلق بكيفية انتقال الحرارة عبر الحزمة. تشملها توزيع أجهزة الاستشعار، وتوزيع الخلايا، والألواح الحرارية، ومشتتات الحرارة، والعزل، ومواد الغلاف، ومسار التوصيل الحراري من الخلايا إلى غلاف الضغط. تؤكد أبحاث بطاريات ناسا أن طاقة الحزمة، وتخطيط التوصيل التسلسلي-التوازي، وسلوك الشحن والتفريغ، وتصميم الغلاف، وبيئة التشغيل، والتوصيل الحراري كلها تؤثر على الحل الحراري. لا يوجد تصميم واحد يناسب كل حزمة بطاريات.

المياه البحرية الباردة لا تضمن بقاء حزمة البطارية المغلقة باردة. لا يزال الحرارة بحاجة إلى السفر من الخلية عبر هيكل الدعم والغلاف قبل أن تصل إلى المياه المحيطة. تطور UFOPOWER حلول إدارة البطارية (BMS) مع اتصال CAN وSMBus، ومؤشر حالة الشحن (SOC)، وكشف التيار، وسجلات الأحداث غير الطبيعية، والتوازن، وتنبيهات درجة الحرارة، وحماية الشحن والتفريغ. يمكن تكييف هذه القدرات لتكون مناسبة لمراقبة البطارية تحت الماء (BMS) لروبوت معين بدلاً من إعادة استخدام لوحة الطائرة بدون طيار (UAV) الحالية دون تغيير.

من EVT إلى DVT وPVT والتصنيع الضخم

يجب تطوير بطارية تحت الماء مخصصة على مراحل. خلال مرحلة تطوير المفهوم، يحدد الفريق الكيمياء والجهد والطاقة والقدرة ومساحة التغليف وعمارة الموصل ووظائف نظام إدارة البطارية واستراتيجية الشحن. تتحقق النماذج الأولية لشركة EVT من الوظائف الكهربائية الأساسية والتكامل الأولي. تركز DVT على السلوك الحراري والاهتزاز والصدمة والتواصل والإغلاق والضغط والتشغيل على مستوى المركبة. تؤكد PVT على أدوات الإنتاج وعمليات التجميع والتتبع واختبار نهاية الخط واتساق الدفعة.

هذا النهج المتدرج مهم لأن نتائج مستوى الخلية لا تتنبأ بالكامل بسلوك الوحدة أو الحزمة. أظهرت اختبارات ناسا وUL أن تكوين الوحدة ومسارات تبديد الحرارة يمكن أن تغير بشكل كبير استجابة البطارية الكاملة مقارنة بالخلية الفردية. كشركة مصنعة لبطاريات مباشرة من المصنع، تدعم UFOPOWER تطوير الخلايا، وهندسة الحزم، ونظام إدارة البطارية (BMS)، والتجميع، والاختبار، والإنتاج داخل المنشأة. تغطي منظمتها للبحث والتطوير تقنيات البطاريات عالية الطاقة، وعالية المعدل، ومنخفضة الحرارة، ومخصصة الشكل، والذكية، مما يتيح للشركة المشاركة في وقت مبكر مقارنةً بالموردين الذين يركزون فقط على الحزم الجاهزة القياسية. الهدف هو علاقة هندسية طويلة الأجل: تعمل UFOPOWER مع العملاء منذ مراحل التطوير المبكرة للمنصة وحتى التحقق والإنتاج الضخم، بما في ذلك المشاريع التي تبدأ بفريق هندسي صغير ثم تنتقل إلى التصنيع التجاري.

الاختبار، الوثائق، ودعم الامتثال

يدعم UFOPOWER اختبارات سلامة البطاريات الشائعة، ومستندات النقل، ومتطلبات الامتثال للسوق بناءً على تكوين البطارية المختار والسوق المستهدف. لبدء التقييم الهندسي، يرجى مشاركة الجهد المستهدف، السعة أو الطاقة، الطاقة المتوسطة، التيار المستمر والذروة، الأبعاد المتاحة، درجة حرارة التشغيل، العمق المستهدف، طريقة الشحن، متطلبات الاتصال، جدول التطوير، وحجم الإنتاج المقدر. يمكن لـ UFOPOWER بعد ذلك تقييم كيمياء الخلية، بنية التسلسل التوازي، نظام إدارة البطارية، الموصل، المسار الحراري، وهيكل الحزمة الميكانيكي كنظام متكامل.