В качестве профессиональный производитель литиевой батареиUFOPOWER работает с разработчиками AUV батареи, Батареи ROVи подводных роботизированных систем питания по всему миру. Аккумуляторная система является одной из первых систем, которые следует учитывать при разработке подводного робота, а не компонента, который должен быть выбран после окончательной доработки корпуса и системы движения. Напряжение батареи влияет на двигательную систему и силовую электронику. Емкость влияет на время миссии, вес и плавность. Формат клетки влияет на использование корпуса под давлением, в то время как BMS, разъем, зарядное устройство и тепловый путь должны работать с транспортным средством; Rsquo; Электрическая и механическая архитектура.

Океанографический институт Вудс-Хоул отмечает, что более сильные корпусы под давлением добавляют вес, что требует большей плавности и может увеличить потребление энергии транспортного средства. Круглые корпусы давления широко используются, потому что они распределяют внешнее давление более равномерно, чем конструкции с острыми углами. Вот почему многим разработчикам AUV, батарейных ROV, подводных двигателей и подводного оборудования нужно больше, чем стандартный аккумулятор. Им нужен партнер по батареям, который может участвовать в выборе элементов, электрической архитектуре, разработке BMS, структурной интеграции, испытаниях и планировании производства.

Начните с профиля миссии, а не с модели клетки

Проект батареи не должен начинаться с вопроса, & ldquo; Следует ли использовать 18650 или 21700 клеток? & rdquo; Это должно начаться с подводного робота& Rsquo; с миссией. Инженерная команда должна сначала понять:

• Тип транспортного средства и применение

• Целевая продолжительность миссии

• Круиз и максимальная скорость

• Номинальное и максимальное напряжение системы

• Средняя рабочая мощность

• Непрерывный и пиковый ток

• Размеры внутреннего отделения батареи

• Рабочие и зарядные температуры

• Целевая глубина и конструкция корпуса под давлением

• Метод зарядки, подключения или замены батареи

• Протокол связи

• Требуемый резерв для возвращения на базу или аварийного покрытия

Связь между энергией и эффективностью миссии можно увидеть в установленных исследовательских средствах. Океанографический институт Woods Hole & Rsquo; Автономное подводное транспортное средство ABE несло литий-ионную аккумуляторную систему 5 кВт/ч и потребляло около 210–300 Вт в зависимости от миссии, поддерживая рабочий диапазон 20–40 км и продолжительность миссии 14–20 часов. Автомобиль & Rsquo; с датчики в одиночку также создали непрерывный & ldquo; загрузка отеля& rdquo; Это должно было быть включено в энергетический бюджет.

Поэтому двум подводным роботам, использующим одно и то же номинальное напряжение, могут потребоваться очень разные батареи. В таблице ниже сравнены приоритеты аккумуляторов обычных типов транспортных средств:

Цилиндрические клетки или мешочные клетки: какой формат подходит для проекта?

Цилиндрические элементы, такие как 18650 и 21700, стандартизированы, широко доступны и удобны для модульной сборки. Их фиксированные размеры могут упростить закупку, но пакет с высокой емкостью может потребовать много элементов, сваров, токовых путей и механических опор. Клетки мешка позволяют регулировать емкость, толщину, ширину и длину вокруг доступного пространства. Они могут быть расположены в виде узких модулей, сегментированных пакетов или одноклеточных секций большой емкости внутри цилиндрического корпуса давления.

Исследования клеточного формата (Болонский университет) показывают, что цилиндрические, призматические и мешочные форматы создают различные компромиссы в эффективности упаковки, тепловом поведении, механической поддержке, производстве и плотности энергии на уровне системы. Никакой формат автоматически не является лучшим для каждого транспортного средства:

Основное преимущество UFOPOWER заключается не в поставках стандартных цилиндрических элементов. Это способность разрабатывать высоконапорные и высокомощные решения для мягких упаковок. Портфель компании по полу-твердотельным технологиям охватывает отобранные платформы с плотностью энергии от 300 до 380 Вт·ч/кг, в то время как более широкий ассортимент элементов включает варианты с высокой скоростью разряда, LiHV, для низких температур, индивидуальной формы и LiFePO4. Итоговая стоимость на уровне аккумуляторной батареи будет ниже после добавления BMS, разъемов, проводки, корпуса и механической защиты.

LiFePO4 может рассматриваться, когда термическая стабильность и срок службы важнее минимального веса. Тесты, представленные на семинаре NASA по аэрокосмическим аккумуляторам, показали, что оцениваемые LiFePO4-батареи достигали более низких максимальных температур по сравнению с оцениваемыми NMC-батареями в условиях теплового разгона, а также продемонстрировали, что компоновка модулей и пути теплопередачи сильно влияют на реакцию всего аккумуляторного блока.

Как последовательная и параллельная конфигурация влияют на робота

Последовательная и параллельная конфигурация связывает характеристики ячеек с напряжением, емкостью и мощностью на уровне транспортного средства. Последовательно соединенные ячейки увеличивают напряжение батареи, сохраняя емкость одной последовательной цепи. Параллельно соединенные ячейки увеличивают емкость в ампер-часах и распределяют ток по нескольким ячейкам. Исследования конфигураций литий-ионных модулей (Агентство энергетических ресурсов США) показывают, что последовательно-параллельная архитектура влияет на распределение тока, напряжение, энергетический поток и поведение деградации, особенно когда ячейки не идеально согласованы.

Например:

• 6S стандартный литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение около 22,2 В.

• Стандартный литиевый аккумулятор 12S имеет номинальное напряжение около 44,4 В.

• Два 30-амперных соединения, соединённые параллельно, обеспечивают номинальную ёмкость 60 А·ч, при условии правильного соответствия элементов и токовых путей.

Электрическая мощность определяется по формуле P = V × I. При одинаковой требуемой мощности система с более высоким напряжением может работать при меньшем токе. Это может снизить потери на сопротивление в кабелях и разъёмах, поскольку эти потери возрастают пропорционально квадрату тока (P потерь = I²R). Более высокое напряжение не обязательно лучше — оно может потребовать более высоковольтного контроллера двигателя, зарядного устройства, системы BMS, изоляционной системы, контактора и разъёма. Дополнительные параллельные элементы могут увеличить ёмкость и выходную мощность, но также добавят вес, объём, соединения и требования к однородности элементов. Правильная архитектура должна определяться совместно с системой пропульсии, силовой электроникой, зарядным устройством, разъёмом и доступным пространством корпуса.

Вместимость не равна миссионной выносливости

Ёмкость аккумулятора обычно указывается в ампер-часах, но энергию подводного робота также следует оценивать в ватт-часах: Энергия (Вт·ч) = Напряжение (В) × Ёмкость (А·ч). Время миссии зависит от доступной энергии, а не только от А·ч. Энергетическая модель должна включать движитель, бортовые компьютеры, камеры, освещение, гидролокатор, связь, манипуляторы, насосы и другие вспомогательные нагрузки. Скорость аппарата, течения воды, гидродинамическое сопротивление, эффективность двигателя, температура, старение и необходимый запас на восстановление также влияют на результат.

Практическая предварительная оценка выглядит так: Требуемая энергия = (Средняя мощность × Время миссии) ÷ (Полезная глубина разряда × Эффективность системы). Затем следует добавить инженерный запас на возврат, всплытие, неожиданные течения, изменения маршрута и старение батареи. Исследования дальнего действия АНПА (NOAA Institutional Repository) рассматривают выносливость, планирование маршрута, навигацию и передачу данных как связанные системные ограничения, а не независимые спецификации.

Холодная вода также должна быть учтена в расчетах. Литий-ионные аккумуляторы могут терять доступную емкость и мощность при низких температурах, поскольку транспорт ионов замедляется, а внутреннее сопротивление увеличивается. Лабораторные исследования, поддержанные Пурдюским университетом и Министерством энергетики США, показали значительное снижение емкости с уменьшением температуры тестирования, что объясняет, почему емкость при комнатной температуре не может служить единственной основой для планирования миссий в холодной воде.

Конструкция для непрерывной мощности, пикового тока и провалов напряжения

Подводный робот редко работает при постоянном токе. Крейсерский ход создает умеренную нагрузку, тогда как запуск движителей, быстрые маневры, поддержание позиции в сильных течениях, движение манипулятора или одновременная работа инструментов могут вызывать кратковременные пики мощности. В спецификации батареи следует указать:

• Средний ток

• Постоянный ток

• Пиковый ток

• Продолжительность пика

• Минимальное допустимое системное напряжение

• Максимальная температура BMS и разъема

Аккумулятор может иметь достаточную номинальную емкость, но все равно не справляться с поддержкой силовой системы, если его внутреннее сопротивление слишком высокое. Сильный импульс тока может значительно снизить напряжение на клеммах, что ухудшит работу двигателя, активирует защиту BMS или перезапустит электронику аппарата. Исследования управления подводными двигателями конкретно выявили, что падение напряжения аккумулятора является фактором, ограничивающим выходную мощность двигателя. Поэтому мощность необходимо проверять по всей цепи: от ячейки, шины, сварного шва, предохранителя, BMS, кабеля, разъема до контроллера двигателя. Ток заряда, ток разряда, температура и календарное время также влияют на деградацию аккумулятора, поэтому DNV рекомендует контролируемые и прозрачные методы тестирования ячеек при сравнении характеристик аккумуляторов (DNV-RP-0577).

Опыт UFOPOWER в области высокоскоростных мягких аккумуляторных элементов и промышленных БПЛА обеспечивает полезную инженерную основу для подводных реактивных двигателей и РПН, работающих от аккумуляторов. Обе эти области применения связаны с нагрузками на двигатели, высокими токами, стабильностью напряжения, нагревом разъемов и ограниченным весом. Фактическая скорость разряда все еще требует подтверждения на основе измеренных или смоделированных профилей нагрузки робота.

ПАК-структура, гидроизоляция и механическая защита

Элемент является лишь одной частью подводной батарейной системы. Системе также требуется механическая поддержка, изоляция, проводка управления, размещение BMS, тепловые пути, герметичные соединения, а также защита от вибрации и ударов. Цилиндрические корпуса под давлением распространены, поскольку их геометрия эффективно распределяет внешнее давление. На средней глубине морского дна в 3800 метров гидростатическое давление составляет примерно 380 раз больше атмосферного давления на уровне моря. Поэтому корпуса для батарей и электроники должны быть разработаны с учетом целевой глубины, а не рассматриваться как обычные водонепроницаемые корпуса.

UFOPOWER разработала прочные умные аккумуляторные блоки для сельскохозяйственных и промышленных БПЛА. Существующие продукты сочетают функции BMS, тепловой дизайн, структурированные корпуса, интерфейсы высокого тока и водонепроницаемое исполнение для сложных условий работы на открытом воздухе. Несколько из этих практик напрямую переносятся на подводные проекты:

• Герметизация вокруг винтов и стыков корпуса

• Водонепроницаемые разъемы питания и данных

• Уплотнительные кольца вокруг кнопок и сервисных интерфейсов

• Закрытые кабельные выходы с компенсацией усилий

• Внутренняя изоляция и влажные барьеры

• Контролируемое размещение прокладок и заглушек для герметизации

• Амортизирующие опоры вокруг ячеек и печатных плат

Водонепроницаемость не то же самое, что квалификация для глубоководного плавания. Сельскохозяйственные и уборочные дроны в основном сталкиваются с дождем, распылением, чистящими жидкостями, вибрацией и многократной обработкой на поле. Подводный робот также должен выдерживать постоянное погружение, гидростатическое давление, циклическое давление, коррозию от соленой воды, сжатие уплотнений и длительное старение материалов. Поэтому водонепроницаемость и устойчивость к давлению должны проверяться на уровне полного корпуса батареи или транспортного средства. Та же самая правило применимо к вибрации и ударопрочности: опыт от БПЛА и аккумуляторных блоков высокой мощности может направлять выбор материалов и конструктивное проектирование, но окончательная подводная конфигурация требует специального тестирования для проекта.

Коннекторный дизайн является частью силовой системы

Подводный разъем аккумулятора должен выбираться не только по количеству контактов. Инженерам необходимо учитывать напряжение, постоянный и пиковый ток, контактное сопротивление, диаметр провода, метод фиксации, количество циклов соединения, устойчивость к коррозии, герметичность и требования к передаче данных. Для питания, зарядки и передачи данных могут использоваться отдельные интерфейсы или комбинированный разъем. Некоторые системы подключаются только в сухой среде, в то время как подводные системы швартовки или обслуживания могут требовать технологии соединения в воде. Исследования IEEE по передаче электроэнергии и данных под водой рассматривают соединение в воде как отдельную инженерную проблему подводной среды, а не как стандартное продолжение воздушного электрического разъема.

UFOPOWER работает с XT90S, AS150, AS150U, EC-серия, Molex и индивидуальными интеллектуальными интерфейсами в системах батарей для БПЛА и промышленного оборудования. Это обеспечивает опыт в передаче высоких токов, антиискровом дизайне, блокировке, сигнальных контактах и связи с BMS. Стандартный разъем для БПЛА не должен представляться как подводный, если его герметичность и устойчивость к давлению не были проверены для заданной среды.

BMS и терморегулирование должны быть разработаны отдельно

BMS контролирует и управляет батареей, но это не полная система терморегулирования. Типичные функции BMS включают мониторинг напряжения ячеек, измерение тока, мониторинг температуры, защиту от перезаряда и переразряда, защиту от перегрузки по току и короткого замыкания, балансировку, оценку SOC, запись неисправностей и связь. NASA описывает мониторинг ячеек, балансировку заряда, обнаружение неисправностей и защиту от перенапряжения или пониженного напряжения как основные функции управления высоковольтной батареей.

Термическое управление занимается тем, как тепло передается внутри блока. Оно включает в себя расположение датчиков, расстояние между элементами, термопластики, теплоотводы, изоляцию, материалы корпуса и путь теплопередачи от элементов к корпусу. Исследования NASA в области аккумуляторов подчеркивают, что энергия блока, последовательно-параллельная компоновка, поведение при зарядке и разрядке, конструкция корпуса, условия эксплуатации и теплопроводность все влияют на термическое решение. Нет единой архитектуры, подходящей для любого аккумуляторного блока.

Холодная морская вода не гарантирует, что герметичный аккумуляторный блок останется прохладным. Тепло все равно должен пройти от элемента через опорную конструкцию и корпус, прежде чем он достигнет окружающей воды. UFOPOWER разрабатывает решения BMS с CAN и SMBus-связью, индикацией SOC, обнаружением тока, журналами аномальных событий, балансировкой, температурными сигнализациями и защитой от заряда-разряда. Эти возможности могут быть адаптированы для подводного робота BMS, специфичного для проекта, а не просто повторно использованы без изменений существующая плата UAV.

От EVT до DVT, PVT и серийного производства

Настоящая подводная батарея должна быть разработана поэтапно. На этапе разработки концепции команда определяет химию, напряжение, емкость, мощность, пространство корпуса, архитектуру разъемов, функции BMS и стратегию зарядки. Прототипы EVT проверяют основные электрические функции и первоначальную интеграцию. DVT сосредоточен на тепловом поведении, вибрации, ударе, связи, герметичности, давлении и работе на уровне транспортного средства. PVT подтверждает производственные оснастки, процессы сборки, прослеживаемость, тестирование на конвейере и партийную однородность.

Этот поэтапный подход важен, потому что результаты на уровне ячейки не полностью предсказывают поведение модуля или аккумуляторной батареи. Тестирование NASA и UL показало, что конфигурация модуля и пути отвода тепла могут существенно изменить реакцию полной батареи по сравнению с отдельной ячейкой. Будучи производителем аккумуляторов напрямую от завода, UFOPOWER поддерживает разработку ячеек, инженерию аккумуляторных блоков, BMS, сборку, тестирование и производство в собственных цехах. Его исследовательская организация охватывает технологии высокоэнергетических, высокоскоростных, низкотемпературных, индивидуально-формируемых и интеллектуальных аккумуляторов, что позволяет компании участвовать в проектах раньше, чем поставщики, специализирующиеся только на стандартных готовых блоках. Цель — долгосрочное инженерное сотрудничество: UFOPOWER работает с клиентами с ранней стадии разработки платформы до валидации и серийного производства, включая проекты, начинающиеся с небольшой инженерной команды и позже переходящие в коммерческое производство.

Тестирование, документация и поддержка соответствия

UFOPOWER поддерживает общие испытания безопасности батарей, транспортную документацию и требования к соответствию рынку в зависимости от выбранной конфигурации батареи и целевого рынка. Чтобы начать инженерную оценку, предоставьте целевое напряжение, емкость или энергию, среднюю мощность, постоянный и пиковый ток, доступные размеры, рабочую температуру, целевую глубину, метод зарядки, требования к связи, график разработки и оценочный объем производства. Затем UFOPOWER сможет оценить химию элемента, последовательно-параллельную архитектуру, BMS, разъем, тепловой путь и механическую конструкцию корпуса как единое интегрированное системное решение.