LiFePO4 vs. Lithium-Ionen-Batterien für ROVs und AUVs

Auswahl zwischen LiFePO4 und anderen Lithium-Ionen-Batterien für ROVs und AUVs beginnt mit der Mission, nicht nur mit dem Namen der Chemie. LiFePO4 begünstigt thermische Stabilität, lange Zyklenlebensdauer und Wiederholbarkeit, während nickelbasierte Chemikalien wie NMC einen Vorteil bieten können, wenn Energie in einer eng begrenzten Masse oder einem eng begrenzten Volumen konzentriert werden muss. In den Leitlinien des US-Energieministeriums werden in ähnlicher Weise die Vorteile von LFP in puncto Lebensdauer und thermischer Stabilität genannt, wobei gleichzeitig auf das geringere Betriebspotenzial und die geringere Energiedichte im Vergleich zu nickelreichen Chemikalien hingewiesen wird.

ROVs und AUVs stellen außerdem Anforderungen, die bei herkömmlichen mobilen Batterieanwendungen nicht gelten. Triebwerkslasten können große Stromschwankungen erzeugen, die AUV-Ausdauer hängt direkt von der gespeicherten Energie ab und ein für die Tiefe ausgelegter Rucksack benötigt eine geeignete Druckarchitektur und kein einfaches wasserdichtes Gehäuse. Batteriemanagement, Anschlüsse, Wärmepfade, Kommunikation, Transportdokumentation und Fahrzeugintegration sind daher fast genauso wichtig wie die Zellchemie.

LiFePO4 vs. Lithium-Ionen-Batterien: Was ist besser für ROVs und AUVs?

Es gibt keine universelle Chemie für jedes Unterwasserfahrzeug. A LiFePO4-Batterie ist besonders überzeugend, wenn es auf häufige Zyklen, thermische Stabilität und einen vorhersehbaren Langzeitbetrieb ankommt, während NMC oder ähnliche Lithium-Ionen-Batterien dort in Betracht gezogen werden sollten, wo das Fahrzeug innerhalb strenger Gewichts- und Volumengrenzen so viel Energie wie möglich transportieren muss.

Die technische Entscheidung sollte eine nützlichere Frage beantworten: Welche Kombination aus Energie, Leistung, Lebensdauer, Druckarchitektur und Missionswende benötigt das Fahrzeug?

LiFePO4 ist Teil der Lithium-Ionen-Familie

LiFePO4 ist selbst eine Lithium-Ionen-Chemie. Der Begriff “LiFePO4 vs. Lithium-Ion” ist in kommerziellen Suchanfragen üblich, technisch gesehen erfolgt der Vergleich jedoch normalerweise zwischen Lithiumeisenphosphat und anderen Lithium-Ionen-Kathodenchemikalien wie NMC oder NCA.

NREL behandelt LFP und NMC als zwei Chemikalien innerhalb der breiteren Lithium-Ionen-Batteriefamilie. Diese Unterscheidung ist wichtig, da ROV- und AUV-Ingenieure die tatsächlichen Zell- und Packeigenschaften vergleichen sollten, anstatt davon auszugehen, dass “Lithium-Ionen” eine standardisierte Technologie beschreibt.

In diesem Artikel bezieht sich “andere Lithium-Ionen-Batterien” hauptsächlich auf nickelbasierte Chemikalien mit höherer Energiedichte wie NMC, sofern nicht anders angegeben.

Schneller Vergleich: Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer und Spannung

Designfaktor	LiFePO4	Lithium-Ionen-Chemikalien mit höherer Energiedichte wie NMC
Energiedichte	Typischerweise niedriger, was bei gleicher gespeicherter Energie mehr Masse oder Volumen erfordern kann	Normalerweise höher, nützlich, wenn Platz und Gewicht knapp sind
Thermische Stabilität	Starkes Merkmal der LFP-Chemie	Erfordert eine sorgfältige Zellauswahl und thermischen Schutz, insbesondere bei Chemikalien mit hohem Nickelgehalt
Lebensdauer	Gut geeignet für wiederholte Lade-/Entladevorgänge	Hängt stark von der Zellchemie, dem Betriebsfenster, der Temperatur und der Entladerate ab
Packspannung	Bestimmt durch die Anzahl der Serienzellen und die Systemarchitektur	Bestimmt durch die Anzahl der Serienzellen und die Systemarchitektur
ROV/AUV-Wert	Attraktiv für wiederholte Einsätze, kommerzielle Einsatzzyklen und sicherheitsbewusste Designs	Attraktiv, wenn die Maximierung der Energie innerhalb eines kompakten Fahrzeugs ein Hauptkriterium ist

Bei diesen Unterschieden handelt es sich eher um Designtendenzen als um Garantien. Zellqualität, BMS-Grenzwerte, Kühlung, Gehäusekonstruktion, Ladestrategie, Entladerate und Betriebstemperatur können die Leistung der endgültigen Batterie erheblich verändern. Die Batteriesicherheitsforschung des DOE weist insbesondere auf den Kompromiss zwischen der thermischen Stabilität und Zyklenlebensdauer von LFP und seiner verringerten Energiedichte hin.

Die kurze Antwort von Mission Profile

Ein kompaktes AUV, von dem erwartet wird, dass es vor der Bergung lange Vermessungsdistanzen zurücklegt, kann außergewöhnlichen Wert auf die gravimetrische und volumetrische Energiedichte legen. WHOI hat Lithium-Ionen-Systeme von etwa 1 bis 16 kWh für AUVs der REMUS-Serie entwickelt, wobei die Missionsanforderungen bestimmen, wie viele Batteriemodule installiert werden.

Ein kommerzielles Inspektions-ROV kann eine andere Priorität haben. Es kann einen Großteil seines Arbeitslebens damit verbringen, wiederholt zu tauchen, die Position zu halten, Lichter und Sensoren zu bedienen, aufzutauchen und wieder in Betrieb zu gehen. In diesem Arbeitszyklus spielen neben der Gesamtenergie auch die Ladehäufigkeit, die Spitzenstromunterstützung, der Batteriewechsel, die Lebensdauer und der Fehlerschutz eine wichtige Rolle.

Die Fahrzeugbeschriftung allein gibt also nicht den Ausschlag für die Chemie. Zwei AUVs können völlig unterschiedliche Energieprioritäten haben, genauso wie zwei ROVs sehr unterschiedliche Triebwerks- und Nutzlastlasten haben können.

Wie sich LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien auf die Leistung von ROV- und AUV-Missionen auswirken

Die Batteriechemie wird erst dann nützlich, wenn ihre Eigenschaften in die Fahrzeugleistung umgesetzt werden. Bei ROVs und AUVs sind die wichtigen Ergebnisse die nutzbare Missionsenergie, die Spitzenleistungsabgabe, die Fahrzeugmasse, das thermische Verhalten, die Lebensdauer und die Fähigkeit, die Mission mit einer angemessenen Wiederherstellungsmarge abzuschließen.

Energiedichte, Gewicht und Auftrieb

Die Energiedichte ist am wichtigsten, wenn ein AUV erhebliche Energiemengen transportieren muss, ohne dass das Batteriesystem die Masse oder das Innenvolumen des Fahrzeugs dominiert.

Eine größere Batteriemasse kann Änderungen an der Strukturunterstützung und der Fahrzeugverkleidung erforderlich machen. Ein größeres Gehäusevolumen kann sich auf die Rumpfgeometrie, das Auftriebsmaterial, die Nutzlastverteilung und das hydrodynamische Design auswirken. Bei einem AUV mit großer Reichweite können diese Wechselwirkungen dazu führen, dass die Energiedichte auf Packungsebene aussagekräftiger ist als die isolierte Betrachtung eines Zelldatenblatts.

Die REMUS-Batteriesysteme des WHOI veranschaulichen diesen Ansatz auf Systemebene. Verschiedene REMUS-Konfigurationen verwenden modulare Lithium-Ionen-Batteriebaugruppen, und der REMUS 6000 verwendet Batteriemodule, die in Druckgehäusen für Einsätze bis zu 6.000 Metern installiert sind.

Die Lehre ist nicht, dass jedes AUV die gleiche Chemie braucht. Die Energiedichte der Zellen muss unter Berücksichtigung von BMS-Hardware, Verkabelung, strukturellen Stützen, thermischen Materialien und dem Druckgehäuse, das die Zellen unter Wasser nutzbar macht, bewertet werden.

Spitzenstrom, Spannungsabfall und Triebwerkslasten

A ROV-Batterie kann genug Wattstunden für den geplanten Tauchgang haben und dennoch elektrisch unterdimensioniert sein.

Triebwerke ziehen während einer Mission keinen konstanten Strom. Beschleunigung, Manövrieren, Halten der Position in der Strömung, vertikale Korrekturen und gleichzeitiger Betrieb des Triebwerks können dazu führen, dass das elektrische System für kurze Zeiträume weit über den Reisebedarf hinausgeht. Sonar, Lichter, Manipulatoren, Bordprozessoren, Kameras und andere Nutzlasten fügen ihre eigenen Lasten hinzu.

Ein aktuelles kommerzielles ROV-Beispiel macht den Unterschied deutlich. Der 14,8-V-18-Ah-Lithium-Ionen-Akku von Blue Robotics speichert 266,4 Wh, ist aber auch für 60 A Dauerstrom und einen 132 A-Burst für 10 Sekunden spezifiziert. Diese aktuellen Grenzwerte gelten unabhängig von der Energiekapazität.

Aus diesem Grund benötigt ein ROV-Leistungsbudget mindestens zwei Berechnungen: wie viel Energie die Mission verbraucht und wie viel Strom das System gleichzeitig benötigen darf.

Wenn das Paket, das BMS, die Verkabelung, der Stecker oder das Schutzgerät die transiente Last nicht unterstützen kann, kann die Spannung abfallen und der Schutz aktiviert werden, obwohl noch erhebliche Energie in der Batterie verbleibt.

Zyklusleben, Kaltwasser und Wiederholungsmissionen

Die Lebensdauer wird wirtschaftlich wichtig, wenn ein Fahrzeug häufig eingesetzt und aufgeladen wird. Ein Paket, das jede Woche für mehrere Inspektionszyklen verwendet wird, weist ein anderes Lebensprofil auf als ein experimentelles AUV, das nur gelegentlich eingesetzt wird.

Die Temperatur muss auch als Betriebsbedingung auf Paketebene behandelt werden. Kaltes Meerwasser bedeutet nicht, dass die Batteriezellen automatisch die gleiche Temperatur wie das umgebende Wasser haben, denn die Zellen sitzen in einem Gehäuse und erzeugen unter Last Wärme. Umgekehrt kann eine Batterie, die zwischen Missionen kalt wird, unterschiedliche Ladebeschränkungen und Leistungsverhalten aufweisen.

Die entsprechenden Grenzwerte sind daher die Grenzwerte des Herstellers für die tatsächliche Packung. Beispielsweise ist in den aktuellen Spezifikationen für 24V 30Ah- und 24V 50Ah-Roboterbatterien von MANLY ein Ladebereich von 0 °C bis 45 °C aufgeführt, während die angegebenen Entladebereiche bis unter den Gefrierpunkt reichen.

Die moderne AUV-Forschung betrachtet das Batterie-Wärmemanagement auch als spezielles technisches Problem, da der Akku in einem begrenzten Gehäuse mit begrenztem Volumen und anspruchsvollen Leistungslasten betrieben wird.

MANLY-Batterie-LiFePO4-Plattformen für das Design von ROV- und AUV-Stromversorgungssystemen

Für ein OEM-Unterwasserroboterprojekt sollten die vorhandenen Roboterbatterien von MANLY Battery am besten als elektrische Plattformen und nicht als fertige Unterwasserbaugruppen mit Tiefenbewertung behandelt werden. MANLY unterstützt kundenspezifische Roboterbatterien und zählt ausdrücklich Unterwasserroboter zu den Anwendungen, für die Spannung, Kapazität, Stromstärke, Abmessungen und andere Packeigenschaften angepasst werden können.

Diese Unterscheidung ist für Ingenieure nützlich: Erstellen Sie zunächst die elektrische Architektur, dann konstruieren oder spezifizieren Sie das Gehäuse und die Qualifikation, die für die tatsächliche Tiefe und Umgebung des Fahrzeugs geeignet sind.

MANLY 24V 30Ah LiFePO4 Roboterbatterie

Kernspezifikationen: 25,6 V nominal, 30 Ah, 768 Wh, 30 A kontinuierliche Entladung, 60 A Spitze für 1–3 Sekunden, mehr als 5.000 spezifizierte Zyklen, optionaler RS485/RS232/CAN-Bus, anpassbares Gehäuse und Anschlüsse.

Die 24-V-30-Ah-Plattform ist ein nützlicher Ausgangspunkt, wenn ein OEM eine LiFePO4-Architektur mit mittlerer Energie benötigt, ohne sofort auf eine viel größere Batterie umzusteigen. Seine Nennleistung von 768 Wh gibt Ingenieuren ein konkretes Energiebudget an die Hand, mit dem er arbeiten kann, während die Nennwerte von 30 A für Dauerbetrieb und 60 A für Kurzzeitspitzen eine getrennte Bewertung des Leistungsbedarfs von der Laufzeit ermöglichen.

Die optionalen Kommunikationsschnittstellen sind insbesondere für autonome Geräte relevant. Batteriedaten können in einen Überwachungscontroller integriert werden, sodass Spannung, Zustandsinformationen, Fehler und Betriebsbedingungen Teil des Missionsmanagements werden können, anstatt isoliert im Paket zu bleiben.

MANLY ermöglicht auch die individuelle Anpassung von Abmessungen, Gehäuse, BMS-Lade-/Entladestrom, Anschlüssen, Gehäuse und Verkabelung. Diese Flexibilität ist für die ROV- oder AUV-Entwicklung wertvoll, da die Batteriegeometrie häufig durch den Druckbehälter oder die verfügbare Fahrzeugbucht eingeschränkt wird.

Die Standardspezifikation listet IP65 auf. Diese Bewertung sollte nicht als Bewertung der Unterwassertiefe interpretiert werden. Ein Projekt, das für Eintauchen oder hohen hydrostatischen Druck vorgesehen ist, benötigt dennoch ein ordnungsgemäß konstruiertes und qualifiziertes Druckgehäuse oder eine drucktolerante Architektur.

MANLY 24V 50Ah LiFePO4 Roboterbatterie

Kernspezifikationen: 25,6 V nominal, 50 Ah, 1.280 Wh, 50 A kontinuierliche Entladung, 100 A Spitze für 1–3 Sekunden, mehr als 3.500 spezifizierte Zyklen, optionaler RS485/RS232/CAN-Bus, anpassbare Abmessungen, Gehäuse, Verkabelung und BMS-Strom.

Die 24V 50Ah-Plattform konzentriert sich auf einen anderen Energie- und Stromumfang. Seine Kapazität von 1,28 kWh schafft mehr Raum für längere Arbeitszyklen oder zusätzliche elektrische Lasten an Bord, während die 50-A-Dauernennleistung und die 100-A-Kurzspitzenunterstützungssysteme auf einen höheren Momentanbedarf ausgelegt sind.

Diese Kombination ist relevant, wenn der Antrieb nur einen Teil der Last ausmacht. Bildgebungsgeräte, Sonar, Beleuchtung, integrierte Berechnungs-, Sensor- und Interventionshardware verbrauchen alle denselben Energiehaushalt, es sei denn, das Fahrzeug nutzt separate elektrische Bereiche.

Der optionale CAN-Bus, RS485 und RS232 bieten einem OEM außerdem mehrere Integrationspfade für Batterietelemetrie und Überwachungssteuerung. Da das Gehäuse und die elektrische Konfiguration individuell angepasst werden können, ist die Batterieherstellungr kann anhand von Anforderungen auf Fahrzeugebene arbeiten, anstatt den Designer zu zwingen, auf einer festen Paketgeometrie aufzubauen.

Wie bei der 30-Ah-Plattform ist die IP65-Spezifikation des Standardprodukts eine Eindringschutzklasse. Für den tatsächlichen Einsatz unter Wasser muss das fertige System entsprechend der geplanten Tiefe, Dichtungsstrategie, Druckarchitektur, Anschlüssen und Qualifikationsanforderungen konstruiert werden.

Maßgeschneiderte MANLY LiFePO4-Akkus für Unterwasserroboter

Kernkonfiguration: Benutzerdefinierte Spannung, Kapazität, Abmessungen, BMS-Strom, Gehäuse, Verkabelung, Anschlüsse und Kommunikation können entsprechend den elektrischen und mechanischen Anforderungen des Roboters spezifiziert werden.

Ein kundenspezifisches Paket ist besonders nützlich, wenn das ROV oder AUV nicht auf der Grundlage einer rechteckigen Standardbatterie konstruiert werden kann. MANLY kann Spannung und Kapazität sowie physikalische Abmessungen, BMS-Lade- und Entladestrom, Verkabelung, Anschlüsse und Gehäuseeigenschaften anpassen.

Bei einem Unterwasser-OEM-Projekt sollte der Spezifikationsprozess mit Fahrzeugdaten beginnen: DC-Busspannung, durchschnittliche und Spitzenlast, erforderliche Wh, Aufladestrategie, zulässige Masse und Volumen, Controller-Schnittstelle, Betriebstemperatur und die geplante Druckkapselung. A Batteriehersteller kann diese Einschränkungen dann in Zellenanzahl, Packtopologie, BMS-Einstellungen, Strompfade und mechanische Verpackung umsetzen.

Dieser Ansatz verhindert auch einen häufigen technischen Fehler: Zuerst eine große Ah-Zahl zu wählen und anschließend zu versuchen, das Fahrzeug darauf einzustellen.

Was ist in einem Unterwasserbatteriesatz außer der Chemie noch wichtig?

Eine geeignete Zellchemie ergibt nicht automatisch eine geeignete Unterwasserbatterie. Das Gesamtpaket muss den hydrostatischen Druck, den Feuchtigkeitsausschluss, den elektrischen Schutz, die thermischen Bedingungen, die Kommunikation, die Anschlüsse und die strukturelle Integration bewältigen.

Eine technisch angemessene AUV-Batterie kann die Entwurfsüberprüfung auf Fahrzeugebene nicht bestehen, wenn seine Druckarchitektur oder sein Überwachungssystem nicht mit der Mission übereinstimmt.

Druckgehäuse und Tiefenbewertung

Wasserbeständigkeit und Tiefenfähigkeit sind unterschiedliche technische Anforderungen.

IP-Schutzarten beschreiben definierte Formen des Schutzes vor eindringendem Wasser unter bestimmten Testbedingungen. Sie allein beweisen nicht, dass ein Rudel in 100 Metern, 1.000 Metern oder 6.000 Metern Meerestiefe operieren kann.

Tiefseesysteme verfolgen im Allgemeinen einen von zwei allgemeinen Ansätzen: Sie schützen herkömmliche Batteriekomponenten in einem druckbeständigen Gehäuse oder verwenden eine drucktolerante/druckkompensierte Architektur. Beim REMUS 6000 des WHOI werden beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriemodule in Druckgehäusen untergebracht, während neuere Forschungen in Öl getauchte, druckkompensierte Batteriestrukturen untersucht haben, insbesondere um die Strukturmasse zu reduzieren, die für Tiefsee-AUV-Systeme erforderlich ist.

Dieser Unterschied hat direkte Auswirkungen auf den Kauf. Wenn ein OEM einen Batteriehersteller um ein Unterwasserpaket bittet, ist “wasserdicht” keine ausreichende Anforderung. In der Spezifikation sollten die vorgesehene Tiefe, die Druckarchitektur, die Testmethode, die Dauer, die thermische Umgebung, die Anschlussstrategie und ob die Batterie selbst oder ein Fahrzeugdruckbehälter Druckschutz bietet, angegeben werden.

BMS, Ladezustand und Kommunikation

Ein AUV muss Energieentscheidungen treffen, ohne dass ein Pilot ständig die Batterie beobachtet. Genaue Informationen zum Ladezustand haben daher einen operativen Wert, der über die bloße Anzeige eines Prozentsatzes hinausgeht.

Ein BMS überwacht normalerweise den Zellen- und Packzustand und kann den Schutz vor Überladung, Tiefentladung, Überstrom, Kurzschluss und Temperaturbedingungen verwalten. In einem autonomen System können BMS-Daten auch Entscheidungen darüber beeinflussen, ob das Fahrzeug über genügend Energie verfügt, um eine Vermessungsstrecke fortzusetzen, zu einem Andockpunkt zurückzukehren oder mit der Bergung zu beginnen.

Von Experten überprüfte AUV-Forschung identifiziert die SOC-Schätzung als einen wichtigen Teil der Energieoptimierung von Lithium-Ionen-Batterien, da die verbleibende Ladung nicht direkt anhand der möglichen Kraftstoffmenge gemessen werden kann.

CAN und RS485 können diese Batterieinformationen mit der Fahrzeugsteuerung verbinden. Die 24V 30Ah- und 24V 50Ah-Roboterpakete von MANLY bieten beide RS485, RS232 und CAN-Bus als optionale Kommunikationsschnittstellen.

Für einen OEM sollte die Kommunikationsspezifikation über die Benennung der physischen Schnittstelle hinausgehen. Definieren Sie die Datenobjekte, die Aktualisierungsrate, Fehlerzustände, das SOC-Verhalten, Nachrichten-IDs oder -Register, die Interaktion mit dem Ladegerät und was das Fahrzeug tun soll, wenn die Kommunikation verloren geht.

Dichtungen, Anschlüsse und Wärmepfade

Das Gehäuse ist nur eine Barriere zwischen einer Batterie und Meerwasser. Kabeldurchführungen, Anschlüsse, Druckdurchführungen, Dichtungen, Gehäuseschnittstellen und Serviceöffnungen sind alle Teil der Umweltintegrität des Systems.

An diesen Schnittstellen spielt auch die aktuelle Kapazität eine Rolle. Ein Stecker, der für einen niedrigen Durchschnittsstrom geeignet ist, kann bei einem Manöver mit hohem Schub zu einem thermischen Engpass werden. Kontaktwiderstand, Kabelquerschnitt, Schutzeinstellungen und Steckernennstrom sollten daher anhand des gleichen Spitzenstrommodells überprüft werden, das zur Dimensionierung der Batterie verwendet wurde.

Das thermische Design verdient den gleichen Systemansatz. Ein versiegelter Druckbehälter kann die direkte Wärmeübertragung einschränken, selbst wenn das umgebende Meerwasser kalt ist. In der veröffentlichten AUV-Forschung wurden daher dedizierte Batterie-Wärmemanagementstrukturen untersucht, um die Zelltemperatur in kompakten, versiegelten Modulen zu steuern.

Wie sollten Sie eine Batterie für eine ROV- oder AUV-Mission dimensionieren?

Bemessen Sie die Batterie anhand der Wattstunden und des Strombedarfs, nicht allein anhand der Amperestunden. Beginnen Sie mit der durchschnittlichen Systemleistung und Einsatzzeit und berücksichtigen Sie dann nutzbare Energie, Temperatur, Batteriealterung, Umwandlungsverluste, Spitzenlasten und die erforderliche Wiederherstellungsreserve des Projekts.

Diese Methode erzeugt eine an das tatsächliche Fahrzeug gebundene Batteriespezifikation anstelle eines allgemeinen Kapazitätsziels.

Berechnen Sie die erforderliche Energie in Wattstunden

Die erste Konvertierung ist unkompliziert:

Energie (Wh) = Nennspannung (V) × Kapazität (Ah)

Ein Akku mit nominal 25,6 V und 30 Ah speichert daher:

25,6 × 30 = 768 Wh

Die MANLY 24V 30Ah-Plattform ist mit genau 768 Wh spezifiziert, da “24 V” die Systemklasse beschreibt, während die angegebene Nennspannung des Packs 25,6 V beträgt. Die 50-Ah-Version nutzt die gleiche Nennspannung von 25,6 V und speichert 1.280 Wh.

Die Missionsenergie kann dann geschätzt werden aus:

Erforderliche Missionsenergie ≈ Durchschnittliche elektrische Leistung × Missionsdauer

Wenn ein ROV während einer zweistündigen Mission durchschnittlich 300 W leistet, liegt der mathematische Ausgangspunkt bei 600 Wh. Das geht nicht bedeutet, dass ein 600-Wh-Akku automatisch ausreicht. Die endgültige Dimensionierung muss noch das nutzbare SOC-Fenster des Projekts, die Reservepolitik, Leistungsumwandlungsverluste, das Temperaturverhalten, die erwartete Alterung und alle missionsspezifischen Eventualitäten berücksichtigen.

Kommerzielle ROV-Spezifikationen zeigen, warum die durchschnittliche Belastung wichtig ist. Blue Robotics gibt unterschiedliche BlueROV2-Betriebszeiten für normale und leichte Nutzung an, während Blueye ausdrücklich darauf hinweist, dass die Laufzeit je nach Ausrüstung und Nutzung variiert.

Fügen Sie Triebwerksspitzen, Nutzlastlasten und Wiederherstellungsreserve hinzu

Energie bestimmt, wie lange ein System theoretisch betrieben werden kann. Die aktuelle Kapazität bestimmt, ob sie die Last zu einem bestimmten Zeitpunkt tragen kann.

Das Missionsmodell sollte Antrieb, Lichter, Sonar, Kameras, Bordcomputer, Kommunikation, Sensoren, Manipulatoren, Pumpen und gegebenenfalls wissenschaftliche Nutzlasten umfassen. Triebwerke sollten im Hinblick auf eine realistische gleichzeitige Belastung bewertet werden, anstatt einfach den maximalen Strom mit der Anzahl der Motoren zu multiplizieren und davon auszugehen, dass dieser Zustand während der gesamten Mission anhält.

Eine aktuelle technische Diskussion von Blue Robotics verdeutlicht den Unterschied: Bei einem Fahrzeug mit acht Triebwerken kann es abhängig von den Betriebsbedingungen und der Aggressivität, mit der das Fahrzeug manövriert wird, zu großen Stromschwankungen kommen.

Nachdem Sie das Lastprofil verstanden haben, vergleichen Sie es mit dem Dauerstrom des Packs, der Spitzenstromdauer, der BMS-Abschaltung, der Anschlussleistung, der Verkabelung, der Sicherung oder dem Unterbrecher und der minimal zulässigen Busspannung.

Die Reserve sollte dann durch das operationelle Risikomodell des Fahrzeugs definiert werden. Ein AUV, das autonom von einer entfernten Vermessungsstrecke zurückkehren muss, benötigt möglicherweise eine andere Reservepolitik als ein angebundenes Inspektions-ROV, das neben seinem Startpunkt betrieben wird.

Überprüfen Sie das Aufladen, den Batteriewechsel und die Missionsabwicklung

Bei der Batteriedimensionierung sollte auch berücksichtigt werden, was zwischen den Tauchgängen passiert.

Bei ganztägigen Inspektionsarbeiten kann die Betriebsverfügbarkeit manchmal dadurch verbessert werden, dass man auf austauschbare Batterien setzt, anstatt die Kapazität eines Akkus zu maximieren. Blueye vermarktet ein 216-Wh-Paket für den Feldwechsel und die Laufzeit, und die BlueROV2-Batterie kann auch zwischen den Einsätzen ausgetauscht werden.

Ein OEM sollte daher den gesamten Arbeitszyklus modellieren: Einsatzzeit, Wiederherstellung, Inspektion, Austausch des Akkus, Aufladen, Abkühlen oder Aufwärmen, falls erforderlich, und Vorbereitung auf den nächsten Start.

Hier liegt auch die Beziehung zum Batteriehersteller wird wichtig. Kapazität, zulässiger Ladestrom, Steckerdesign, Ladekommunikation, Zugänglichkeit des Akkus und Ersatzakku-Strategie können sich alle auf die Fahrzeugnutzung auswirken, selbst wenn sie sich nicht direkt auf die Unterwasserleistung auswirken.

Sicherheits- und Transportanforderungen für Lithium-Ionen-Batterien in US-amerikanischen ROV/AUV-Projekten

Transportkonformität, Batteriesicherheitsstandards und Unterwasserqualifikation sind unterschiedliche Anforderungen. Eine Batterie kann eine dieser Anforderungen erfüllen und für die anderen noch zusätzliche Tests oder technische Maßnahmen erfordern.

Für US-OEMs sollte die Beschaffungsdokumentation daher die genaue Batteriekonfiguration angeben und sich nicht auf die allgemeine Aussage verlassen, dass die Zellen “zertifiziert” sind.”

UN 38.3 ist eine Transportanforderung

Lithium-Ionen-Batterien, die für den Transport in den Vereinigten Staaten angeboten werden, unterliegen den Vorschriften für gefährliche Stoffe. PHMSA weist Verlader auf 49 CFR 173.185 hin und gibt an, dass die für den Transport angebotenen Lithiumbatteriedesigns die Anforderungen des geltenden UN-Handbuchs für Tests und Kriterien, Unterabschnitt 38.3, erfüllen müssen.

Hersteller und nachfolgende Händler müssen außerdem die erforderliche Testzusammenfassung für Lithiumbatterien für die entsprechenden Batterien zur Verfügung stellen. In den aktuellen Leitlinien der PHMSA heißt es, dass die Zusammenfassung nachvollziehbare Informationen über das Zellen- oder Batteriedesign und die durchgeführten Tests liefert.

UN 38.3 sollte nicht als Tiefenqualifikation, Marine-Leistungstest oder Beweis dafür präsentiert werden, dass das Batteriegehäuse hydrostatischem Druck standhalten kann. Sein Zweck ist die Transportsicherheit.

Produktsicherheit und Marinequalifikation sind getrennt

IEC-Normen haben auch definierte Anwendungsbereiche und fungieren nicht als universelle “Unterwasserzertifizierungen”.”

IEC 62133-2 deckt Sicherheitsanforderungen für tragbare versiegelte sekundäre Lithiumzellen und -batterien ab, die in tragbaren Anwendungen verwendet werden. IEC 62619:2022 deckt sekundäre Lithiumzellen und -batterien für industrielle Anwendungen ab und schließt ausdrücklich auch Seefahrzeuge als beispielhafte Antriebsanwendungen ein.

Welche Standards für ein bestimmtes ROV- oder AUV-Programm gelten, hängt von der endgültigen Batteriearchitektur, der Endausrüstung, den Projektanforderungen, dem beabsichtigten Markt, den Klassifizierungsanforderungen und den Kundenspezifikationen ab.

Tiefenprüfung, Druckbehälterdesign, Korrosionsschutz, elektrische Isolierung, Schutz vor eindringenden Flüssigkeiten, Steckverbinderqualifizierung und Sicherheitsanalyse auf Fahrzeugebene können daher neben Batteriestandards stehen, anstatt durch diese ersetzt zu werden.

Ein Verantwortlicher Batteriehersteller soll dem OEM dabei helfen, zu erkennen, welche Ansprüche zur Standardbatteriekonfiguration gehören und welche eine Qualifizierung der endgültigen kundenspezifischen Baugruppe erfordern.

Dokumentieren Sie den gesamten Akku, nicht nur die Zellen

Die Konformitätsdatei sollte der Batteriekonfiguration entsprechen, die tatsächlich versendet und installiert wird.

PHMSA verlangt, dass die UN 38.3-Testzusammenfassung identifizierende Informationen enthält, einschließlich des Herstellers, der Testeinrichtung, der Modellbeschreibung, der Masse, der Wattstundenleistung, der Details des Testberichts und der durchgeführten Tests. Eine allgemeine Aussage, dass die zugrunde liegenden Zellen UN 38.3 bestanden haben, ist nicht dasselbe wie eine vollständige Testzusammenfassung für das entsprechende Batteriedesign.

Für ein OEM-Programm ist die Konfigurationskontrolle daher Teil des Batterie-Engineerings. Änderungen an Zelltyp, Reihen-/Paralleltopologie, BMS-Hardware, Gehäuse, Verkabelung, Anschlüssen oder anderen relevanten Elementen sollten auf ihre Auswirkungen auf Tests, Dokumentation, Fahrzeugintegration und Transportstatus überprüft werden.

Diese Disziplin wird immer wichtiger, wenn ein Prototyp in die Serienfertigung übergeht.

Welche Batteriechemie passt zu Ihrem ROV oder AUV?

Wählen Sie die Chemie, indem Sie die Einschränkung identifizieren, die den Missionserfolg am stärksten beeinflusst.

Wenn ein AUV die gespeicherte Energie innerhalb einer eng begrenzten Masse und eines eng begrenzten Rumpfvolumens maximieren muss, verdienen Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte wie geeignete NMC-basierte Zellen eine sorgfältige Prüfung. Der Einsatz modularer Lithium-Ionen-Systeme durch WHOI in mehreren REMUS-Fahrzeugen verdeutlicht, wie wertvoll es ist, die Batteriekapazität an die Missions- und Nutzlastanforderungen anzupassen, anstatt eine universelle Konfiguration zu verwenden.

Wenn bei dem Projekt wiederholte Zyklen, thermische Stabilität, vorhersehbare Lebensdauer und eine konfigurierbare OEM-Energiearchitektur im Vordergrund stehen, bietet LiFePO4 eine starke technische Grundlage. Der Wert der Chemie wird besonders deutlich, wenn sie mit dem richtigen BMS, der richtigen Spitzenstromfähigkeit, der richtigen Kommunikation und dem richtigen mechanischen Design kombiniert wird.

Achten Sie bei ROVs genau auf den momentanen Antriebsbedarf und den Einsatzablauf. Bei AUVs haben gespeicherte Energie, Packungsmasse, SOC-Genauigkeit, Rücklaufreserve und Drucksystemintegration oft eine größere Bedeutung.

Die 24-V-30-Ah- und 24-V-50-Ah-LiFePO4-Roboterplattformen von MANLY Battery bieten verifizierte elektrische Startpunkte bei 768 Wh bzw. 1.280 Wh, während kundenspezifische Spannung, Kapazität, Abmessungen, BMS-Strom, Verkabelung, Anschlüsse und Kommunikation die Entwicklung eines OEM-Designs rund um das Fahrzeug ermöglichen, anstatt das Fahrzeug um ein festes Paket zu zwingen.

Die endgültige Entscheidung sollte daher auf Gesamtsystemebene getroffen werden: Chemie + Energie + Strom + BMS + Druckarchitektur + thermisches Design + Kommunikation + Qualifizierung.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein LiFePO4-Akku direkt unter Wasser verwendet werden?

Nicht nur, weil es LiFePO4 verwendet oder über eine IP-Schutzart verfügt. Die Zellen und das BMS benötigen eine Gehäusearchitektur, die dem vorgesehenen Eintauchen und hydrostatischen Druck entspricht. In der Tiefsee-AUV-Forschung werden druckbeständige Gehäuse oder druckkompensierte Strukturen verwendet, und zwar insbesondere deshalb, weil ein gewöhnlicher Eindringschutz keinen nutzbaren Tiefenwert festlegt. MANLY-Roboterpakete können die elektrische Plattform bereitstellen, während das endgültige Unterwassersystem für die vorgesehene Tiefe konstruiert und qualifiziert werden muss.

Verwenden AUVs normalerweise Lithium-Ionen-Batterien?

Die Lithium-Ionen-Technologie ist in modernen AUVs weit verbreitet, da sie wiederaufladbare Energiespeicher mit nutzbarer Energie und Leistungsdichte kombiniert. Im REMUS-Programm des WHOI wurden Lithium-Ionen-Batteriesysteme mit einer Kapazität von etwa 1 bis 16 kWh verwendet, während in der aktuellen Forschungsliteratur Lithium-Ionen-Batterien als eine wichtige AUV-Energiespeichertechnologie beschrieben werden. Die genaue Chemie und Packungsarchitektur sollte dennoch entsprechend der Missionsreichweite, der Masse, dem Volumen, der Leistung, der Temperatur, der Tiefe und den Serviceanforderungen ausgewählt werden.

Kann ein ROV mit einer Bordbatterie betrieben werden, anstatt Strom über die Leine zu beziehen?

Ja. Batteriebetriebene ROV-Architekturen werden bereits kommerziell genutzt; Der BlueROV2 beispielsweise verwendet normalerweise eine integrierte Lithium-Ionen-Batterie, während seine Leine die Kommunikation überträgt. Oberflächenbetriebene ROVs sind eine weitere gültige Architektur. Die Entscheidung wirkt sich auf die Größe des Halteseils, die Bordmasse, die verfügbare Energie, die Einsatzlogistik und die Betriebszeit aus. Daher sollte die Energiearchitektur ausgewählt werden, bevor die Kapazität der ROV-Batterie endgültig festgelegt wird.

Gibt ein größerer Ah-Wert einem ROV immer eine längere Laufzeit?

Nur wenn auch Spannung, nutzbare Kapazität, Belastung und Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Amperestunden allein beschreiben nicht die gespeicherte Energie; Wattstunden tun es. Ein 25,6-V-30-Ah-Akku speichert beispielsweise 768 Wh. Die Laufzeit hängt dann von der durchschnittlichen Fahrzeugleistung, der Triebwerksnutzung, den Nutzlasten, den Verlusten, der Temperatur und dem Reservebedarf ab. Auch die Spitzenstromfähigkeit muss separat geprüft werden, da eine Batterie zwar über genügend Energie verfügen kann, aber dennoch nicht in der Lage ist, einen kurzfristigen hohen Leistungsbedarf zu decken.

Was sollte ein OEM einem Batteriehersteller für eine kundenspezifische AUV-Batterie bieten?

Beginnen Sie mit der nominalen DC-Busspannung, der erforderlichen Missionsenergie in Wh, dem Durchschnitts- und Spitzenstrom, der zulässigen Masse und den zulässigen Abmessungen, den Betriebs- und Ladetemperaturen, den BMS-Funktionen, den CAN- oder RS485-Anforderungen, den Anforderungen an Anschlüsse und Verkabelung, der Ladestrategie und der Druckarchitektur des Fahrzeugs. Auch die vorgesehene Tiefe und Qualifikationsanforderungen sollten explizit dargelegt werden. MANLY kann Spannung, Kapazität, Abmessungen, BMS-Strom, Gehäuse, Stecker, Verkabelung und Kommunikationsfunktionen an die Anforderungen von OEM-Robotern anpassen.

Abschluss

Der nützliche Unterschied zwischen LiFePO4 und anderen Lithium-Ionen-Batterien besteht nicht darin, dass eine Chemie in jedes ROV und eine andere in jedes AUV gehört. Der entscheidende Faktor ist die Mission.

AUV-Projekte, die durch Rumpfvolumen und Fahrzeugmasse eingeschränkt sind, sollten der Energiedichte ein erhebliches Gewicht verleihen. ROV-Projekte mit wiederholten Inspektionszyklen sollten neben der Gesamt-Wh auch die aktuelle Leistungsfähigkeit, die Zykluslebensdauer, die Ladelogistik und den Batteriewechsel bewerten. Beide benötigen ein BMS und eine elektrische Architektur, die in der Lage sind, Antriebs- und Nutzlastlasten zu unterstützen.

Der Unterwasserbetrieb fügt eine weitere Ebene hinzu: Der IP-Schutz kann eine verifizierte Druckarchitektur nicht ersetzen, und die Einhaltung der UN 38.3-Transportvorschriften kann die Unterwasserqualifikation nicht ersetzen.

Für OEM-Teams, die ein speziell angefertigtes Produkt entwickeln Rov-Batterie oder AUV-Batterie, MANLY Battery kann auf bestehenden LiFePO4-Roboterplattformen aufbauen oder kundenspezifische Spannungs-, Kapazitäts-, BMS-, Kommunikations-, Verkabelungs-, Steckverbinder- und Verpackungskonfigurationen entwickeln. Definieren Sie zunächst die Missionslast und den mechanischen Bereich. Dann kann die Batterie so konstruiert werden, dass sie den tatsächlichen Anforderungen des Fahrzeugs entspricht.

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