¿Qué agota la batería de un dron submarino? Propulsores, corrientes, luces, sonar y cargas útiles

Los propulsores normalmente drenan un batería de dron submarino más rápido que cualquier otra carga variable, especialmente cuando un ROV debe acelerar, mantener la posición o trabajar contra una corriente. Las luces, el sonar, las cámaras y otros dispositivos electrónicos pueden consumir menos energía individualmente, pero su funcionamiento continuo sigue siendo importante durante una inmersión larga.

Las cargas útiles complican aún más el panorama. Algunos consumen electricidad directamente; otros aumentan la resistencia o alteran la flotabilidad y el equilibrio, lo que obliga al sistema de propulsión a trabajar más. Es por eso que no se puede predecir el tiempo de ejecución útil basándose únicamente en los amperios-hora de la batería. Se debe considerar todo el perfil de la misión.

¿Qué agota más rápido la batería de un dron submarino?

Para la mayoría de los ROV que funcionan con baterías, la propulsión es la mayor demanda variable de la batería. Por lo tanto, la diferencia entre navegar suavemente por aguas tranquilas y mantenerse en posición en una corriente fuerte puede ser más importante que la cifra de capacidad impresa en la mochila.

Carga del propulsor: velocidad, aceleración y mantenimiento de la estación

La potencia del propulsor aumenta a medida que el vehículo solicita más empuje. Como verdadera referencia de ingeniería, Blue Robotics especifica su propulsor T200 a 205 W a máxima aceleración en 12 V, 390 W a 16 V y 645 W a 20 V. Esas cifras se aplican a un solo propulsor en las condiciones indicadas, no a cada ROV ni a cada punto de operación.

Un ROV rara vez hace funcionar todos los propulsores a su máxima potencia de forma continua. Sin embargo, las aceleraciones repetidas, las maniobras agresivas y el mantenimiento de la posición aumentan el ciclo de trabajo del sistema de propulsión. La batería debe suministrar no sólo la carga promedio de la misión sino también las corrientes más altas creadas durante maniobras exigentes.

Esta distinción explica por qué la capacidad nominal de la batería no puede proporcionar por sí sola una cifra de tiempo de ejecución confiable.

Corrientes, arrastre de tether y mantenimiento de posición

La corriente de agua no se conecta eléctricamente a la batería, pero puede aumentar sustancialmente el consumo de la batería al aumentar el empuje necesario para mantener el rumbo o la posición.

Una correa puede agregar otra carga. El exceso de cable en el agua aumenta la resistencia hidrodinámica, mientras que la tensión excesiva de la correa hace que el vehículo trabaje contra el cable. Boxfish Robotics identifica la velocidad del propulsor, la demanda del joystick, la iluminación LED, la resistencia y la tensión de la correa, la corriente y la hinchazón entre las variables que afectan el uso de la batería del ROV.

Esto es particularmente importante en operaciones más profundas. La corriente puede actuar sobre decenas o cientos de metros de cable, así como sobre el propio vehículo. Los operadores que discuten la inspección de naufragios y el trabajo de ROV en aguas más profundas plantean repetidamente la corriente y la resistencia de las ataduras como preocupaciones prácticas, lo que ayuda a explicar por qué el tiempo de funcionamiento en aguas tranquilas rara vez se transfiere directamente a sitios más exigentes.

Por qué difieren el tiempo de ejecución nominal y el tiempo de ejecución de la misión

El tiempo de ejecución publicado normalmente refleja condiciones operativas definidas o típicas, no una operación continua de empuje máximo.

Blue Robotics, por ejemplo, enumera aproximadamente dos horas de uso normal y cuatro horas de uso ligero para un BlueROV2 equipado con su batería de 15,6 Ah. Por lo tanto, la misma batería produce tiempos de funcionamiento muy diferentes simplemente porque el vehículo se utiliza de manera diferente.

Para una batería de dron submarino, una pregunta más útil no es simplemente: “¿Cuántas horas dura?” Es: “¿Cuántos vatios-hora consumirá esta misión específica?”

¿Cuánta energía consumen las luces, el sonar y los dispositivos electrónicos de a bordo?

Las luces, el sonar y los dispositivos electrónicos a bordo suelen consumir menos energía instantánea que los potentes propulsores, pero muchas de estas cargas permanecen activas durante la mayor parte o la totalidad de la inmersión.

Iluminación en agua de baja visibilidad

La demanda de iluminación depende de la claridad del agua, la profundidad operativa, los requisitos de la cámara y la potencia de la lámpara. Las aguas claras y poco profundas pueden requerir poca iluminación adicional, mientras que las inspecciones dentro de estructuras o en aguas turbias pueden requerir luces potentes durante la mayor parte de la misión.

Esto crea una simple compensación operativa: reducir la producción de luz innecesaria puede ahorrar energía, pero los requisitos de visibilidad siguen siendo lo primero. La atenuación suele ser más útil que tratar la iluminación como una carga binaria de encendido/apagado.

Boxfish identifica específicamente la profundidad y la visibilidad, y el uso resultante de luces, como factores que afectan la duración de la batería.

Sonda, cámaras y sensores de navegación

Los sonares, las cámaras y los sensores de navegación crean lo que los ingenieros suelen tratar como parte de la carga continua u “hotel” del vehículo. Los dispositivos individuales pueden parecer modestos al lado de un sistema de propulsión, pero una carga funcionando durante tres horas consume tres veces la energía que usaría en una hora.

Un ejemplo de modelado de sistema de energía de ROV publicado incluye seis propulsores junto con un sonar de 7 W, una cámara, una luz LED regulable y un sistema electrónico de control. Más importante aún, el ejemplo cambia el ciclo de trabajo de esas cargas entre las fases de itinerancia, escaneo e inspección en lugar de asumir que todo funciona a plena potencia durante la inmersión.

Ésa es la forma correcta de evaluar la demanda de sonar o cámara: utilizar las especificaciones reales del dispositivo y el porcentaje de la misión para la que funcionará el equipo.

Electrónica siempre encendida y pérdidas de conversión

Las computadoras, el hardware de comunicaciones, los sensores y la electrónica BMS pueden funcionar continuamente incluso cuando un ROV está casi estacionario.

Los convertidores CC-CC también introducen pérdidas cuando el voltaje de la batería debe convertirse en rieles separados para propulsores, cámaras, sonar o dispositivos electrónicos de control. Unos pocos vatios de demanda auxiliar continua pueden parecer poco importantes al lado de un propulsor de alta potencia, pero esos vatios se acumulan a lo largo de un largo estudio.

Para la planificación de misiones, cada carga persistente pertenece al presupuesto energético.

¿Cómo aumentan las cargas útiles el consumo de batería de los drones submarinos?

Las cargas útiles pueden acortar el tiempo de ejecución de dos maneras diferentes: algunas consumen energía eléctrica directamente, mientras que otras hacen que el sistema de propulsión trabaje más.

Cargas útiles motorizadas frente a cargas útiles pasivas

Un sonar, un manipulador, una cámara adicional o una luz auxiliar son una carga útil motorizada. Su consumo eléctrico se puede agregar directamente al presupuesto de energía de la misión.

Una carga útil pasiva puede no tener ninguna conexión eléctrica y aún así reducir la resistencia. Un marco de sensor, una cesta de muestras o una estructura protectora pueden aumentar el área frontal y la resistencia. La masa adicional también puede requerir cambios en el material de flotabilidad y el equilibrio del vehículo.

La distinción es importante porque eliminar un dispositivo eléctrico de baja potencia puede ahorrar menos energía que corregir una carga útil pasiva mal integrada.

Flotabilidad, compensación y resistencia hidrodinámica

Un ROV que tiene una flotabilidad cercana a la neutral y está correctamente equilibrado necesita menos empuje correctivo continuo que uno que persistentemente quiere elevarse, hundirse, cabecear o rodar.

La ingeniería de aguas profundas complica la relación. Las carcasas de presión más fuertes tienden a añadir masa, lo que a su vez requiere flotabilidad adicional. La Institución Oceanográfica Woods Hole señala que las estructuras más pesadas y resistentes a la presión pueden hacer que los robots submarinos sean más engorrosos y aumentar el consumo de batería.

Por esta razón, especificar una batería para proyectos de drones submarinos es en parte un problema de diseño mecánico. La masa de la batería, el tamaño del recinto, la flotabilidad y la ubicación influyen en la energía necesaria para mover el vehículo completo.

Manipuladores, herramientas y trabajo de propulsor adicional

Los manipuladores y las herramientas eléctricas crean una demanda eléctrica o hidráulica directa, pero su uso también puede aumentar el tiempo dedicado a mantenerse en posición.

Un ROV de inspección puede llegar al lugar de trabajo de manera eficiente y luego pasar gran parte de la inmersión manteniendo una posición precisa mientras opera una pinza, un sonar o un instrumento de inspección. En esa situación, la combinación de la demanda de carga útil y la demanda de propulsión importa más que cualquiera de las cargas de forma aislada.

Por lo tanto, la batería debe dimensionarse en función de la fase de misión con mayor demanda combinada sostenida, no simplemente según los requisitos de crucero del vehículo.

¿Qué paquetes de baterías MANLY se adaptan a diferentes sistemas de energía ROV?

MANLY Battery ofrece plataformas de baterías de robots LiFePO4 que pueden proporcionar puntos de partida para arquitecturas de energía de ROV y robots submarinos compatibles. Deben adaptarse al voltaje del sistema, la corriente promedio y máxima, el espacio disponible, los requisitos de BMS y el diseño de la carcasa de presión del proyecto. Sus clasificaciones de IP no deben interpretarse como clasificaciones de profundidad operativa submarina.

Batería de robot MANLY 24V 30Ah LiFePO4 para sistemas de energía ROV compactos

25,6 V nominales | 30 Ah | 768 Wh | 30 A descarga continua | 60 A pico durante 1 a 3 segundos

Esta plataforma compacta de batería LiFePO4 es adecuada para proyectos cuya arquitectura eléctrica verificada se encuentra dentro de sus límites de voltaje y corriente. El contenido de energía de 768 Wh proporciona un punto de partida útil para robots de inspección más pequeños y sistemas de potencia moderada, mientras que las comunicaciones RS485, RS232 y CANBus opcionales pueden admitir la integración con un controlador de vehículo o una arquitectura de monitoreo.

MANLY también puede personalizar las dimensiones, la carcasa, el conector y los requisitos relacionados con BMS. Esa flexibilidad es importante cuando la batería debe ajustarse a una carcasa de presión en lugar de dictar su forma. La especificación de la batería del robot enumera la protección IP65, por lo que el uso submarino aún requiere un gabinete con clasificación de presión diseñado adecuadamente u otro método de integración submarina específico del proyecto.

Batería de robot MANLY 24V 60Ah LiFePO4 para mayor demanda de energía

25,6 V nominales | 60 Ah | 1.536 Wh | 60 A descarga continua | 120 A pico durante 1 a 3 segundos

Duplicar la capacidad a 60 Ah le da a esta plataforma de 24 V 1536 Wh de energía nominal almacenada y al mismo tiempo aumenta la capacidad de descarga continua y de corta duración. Esa combinación es relevante para robots con ciclos de trabajo de propulsores más exigentes, misiones más largas o un conjunto más amplio de sensores y herramientas motorizados.

El paquete admite comunicación opcional RS485, RS232 y CANBus, y las dimensiones de la carcasa son personalizables. Para los integradores de ROV, esas características hacen que la plataforma sea útil cuando la batería, el BMS y el gabinete mecánico deben diseñarse como parte de la misma arquitectura en lugar de tratarse como componentes separados.

Batería de robot MANLY 48V 60Ah LiFePO4 para arquitecturas de mayor voltaje

51,2 V nominales | 60 Ah | 3.072 Wh | 60 A descarga continua | 90 A pico por debajo de 1 segundo

La plataforma de clase 48 V almacena sustancialmente más energía y está dirigida a sistemas diseñados en torno a una arquitectura eléctrica compatible de mayor voltaje. Un voltaje más alto del sistema puede reducir la corriente para un nivel de potencia determinado, pero cada controlador de motor, convertidor, conector y dispositivo de protección debe estar diseñado para ese voltaje.

MANLY enumera configuraciones de carcasa metálica y ABS, con protección IP67 e IP65 respectivamente, junto con comunicación opcional y personalización OEM. Estas clasificaciones de protección de ingreso son especificaciones de gabinete útiles, pero el paquete aún necesita una integración calificada por presión antes de usarse a la profundidad operativa del ROV.

Por lo tanto, para un OEM o un integrador, el papel importante de un fabricante de baterías no es simplemente suministrar más amperios-hora. el fabricante de baterías necesita el voltaje del vehículo, el perfil de potencia, la duración de la corriente máxima, las dimensiones disponibles, los requisitos de comunicación, el método de carga y el entorno mecánico antes de poder especificar un paquete adecuado.

¿Cómo se calcula el tiempo de funcionamiento de la batería del dron submarino antes de una inmersión?

Una estimación realista del tiempo de ejecución comienza con los vatios-hora y la potencia promedio de la misión, luego agrega las pérdidas y la reserva operativa.

Construya un presupuesto de energía para la misión en vatios

Enumere cada carga importante y divida la misión en fases operativas como:

• tránsito;
• mantenimiento de estación;
• escaneo de sonar;
• inspección visual;
• operación de manipulador o herramienta.

Para cada fase, estime la potencia utilizada por los propulsores activos, luces, sonar, cámaras, computadoras y equipos auxiliares. Luego calcule el promedio ponderado en el tiempo.

Esto es más confiable que sumar la clasificación máxima de cada componente, porque la mayoría de los ROV no operan todos los subsistemas a la máxima demanda simultáneamente.

Convertir vatios-hora en tiempo de ejecución estimado

La energía de la batería es:

Energía (Wh) = Tensión nominal (V) × Capacidad (Ah)

Un cálculo preliminar del tiempo de ejecución es entonces:

Tiempo de ejecución estimado (horas) = Energía utilizable planificada de la batería (Wh) ÷ Potencia promedio de la misión (W)

Supongamos que un sistema tiene 1.500 Wh de energía nominal, el plan de misión permite 80% de esa energía para funcionamiento normal y la carga promedio ponderada es de 600 W:

1.500 × 0,80 ÷ 600 = 2,0 horas

Se trata de una estimación de ingeniería, no de un tiempo de ejecución de campo prometido. Las misiones reales todavía necesitan tener en cuenta las pérdidas de conversión, la corriente, la temperatura, el envejecimiento de la batería y la reserva de recuperación. De manera similar, el presupuesto de energía para los robots submarinos debe incluir propulsión, sensores, iluminación, comunicaciones y otras cargas, en lugar de Ah solo.

Agregue margen para corrientes, picos de energía y temperatura

No se debe planificar que un ROV alcance cero energía utilizable al final de una misión normal.

La reserva debe cubrir corrientes inesperadas, paradas más prolongadas, cambios de ruta, retrasos en la recuperación y la reducción gradual del rendimiento de la batería disponible con el tiempo. Las temperaturas frías de la batería también pueden aumentar la resistencia interna y reducir la energía disponible en las celdas de iones de litio, por lo que las cifras de temperatura ambiente no deben tratarse automáticamente como rendimiento en agua fría.

La reserva apropiada es específica de la misión. Una batería para inspección submarina con drones en un tanque protegido tiene requisitos de recuperación diferentes a los de una utilizada en alta mar en corriente variable.

¿Qué especificaciones de la batería importan más allá de la capacidad?

La capacidad indica cuánta energía nominal se almacena. No le indica si el paquete puede suministrar de forma segura la corriente requerida, instalarse en el vehículo o comunicarse con su sistema de control.

Corriente de descarga continua y máxima

Se deben separar tres figuras:

• corriente promedio de la misión;
• corriente máxima sostenida;
• Corriente máxima de corta duración.

El arranque del propulsor, la aceleración rápida, el mantenimiento de la posición y el uso simultáneo de herramientas pueden crear picos cortos muy por encima de la carga promedio.

La alta resistencia interna también produce una caída de voltaje bajo carga. Si el voltaje cae lo suficiente, el rendimiento de la propulsión puede disminuir o la electrónica de protección puede activarse aunque quede una capacidad nominal significativa. Por lo tanto, el diseño de baterías submarinas debe considerar el recorrido completo de alta corriente a través de celdas, BMS, barras colectoras, cables, conectores y controladores de motor.

Voltaje, BMS y comunicación

El voltaje de la batería debe coincidir con la arquitectura eléctrica, no simplemente con el voltaje nominal impreso en un propulsor.

Se debe seleccionar un BMS en función de los límites requeridos de carga y descarga, protección contra sobrecorriente, monitoreo de temperatura, equilibrio y manejo de fallas. Para los robots comerciales, las comunicaciones como CANBus o RS485 también pueden poner a disposición del controlador del vehículo información sobre el estado de carga y los fallos.

Aquí es donde un configurable Batería de LiFePO4 puede ser valioso: los límites eléctricos, el comportamiento del BMS, la disposición de los conectores y el embalaje físico se pueden desarrollar alrededor de la plataforma en lugar de forzar la plataforma alrededor de un paquete genérico.

Por qué IP67 no es una clasificación de profundidad

Una clasificación IP67 no significa que una batería esté calificada para funcionar a profundidades normales de buceo con ROV.

IEC 60529 define las clasificaciones de protección de ingreso de gabinetes. La prueba estándar IPX7 representa inmersión temporal en condiciones específicas; Las condiciones de prueba IEC 60529 comúnmente aplicadas utilizan aproximadamente 1 metro de agua durante 30 minutos.

Los equipos de aguas profundas se enfrentan a un entorno de presión completamente diferente. A una profundidad media del fondo marino de 3.800 metros, el WHOI señala que la presión hidrostática es aproximadamente 380 veces la presión atmosférica. Por lo tanto, las carcasas de presión para baterías y componentes electrónicos deben diseñarse y validarse para la profundidad prevista.

La resistencia al agua y la calificación de presión deben seguir siendo especificaciones separadas. La misma distinción es importante al integrar cualquier batería MANLY LiFePO4 en un vehículo submarino.

¿Cómo se puede reducir el consumo de batería de drones submarinos durante una misión?

Las mayores ganancias de eficiencia a menudo provienen de la reducción del trabajo de propulsión innecesario antes de apagar los sensores útiles.

Reduzca el trabajo del propulsor antes de cortar el uso del sensor

Evite un alto empuje sostenido cuando una velocidad más baja pueda completar la misma tarea. Planifique los enfoques para que el ROV no acelere, invierta o luche repetidamente contra la corriente innecesariamente.

Para trabajos de inspección, posicionar el vehículo de manera que la corriente ayude en lugar de oponerse a la ruta planificada puede reducir la demanda de mantenimiento de la estación. La estrategia exacta depende del sitio, la correa y la configuración del vehículo, pero el objetivo es consistente: gastar menos vatios-hora generando un empuje evitable.

Gestione los ciclos de trabajo de luces, sonda y carga útil

Utilice una salida de iluminación adecuada a la cámara y la visibilidad en lugar de encender automáticamente cada lámpara con el brillo máximo. Los sonares y otros instrumentos también pueden programarse en torno a las fases en las que realmente se requieren sus datos, siempre que hacerlo no comprometa la misión.

El mismo principio se aplica a los manipuladores y otras cargas útiles motorizadas. La planificación de la misión debe identificar cuándo se requiere cada carga en lugar de asumir que cada accesorio funciona continuamente.

Mantenga eficientes los propulsores, el trimado y la sujeción

Una buena configuración mecánica ahorra energía eléctrica.

Mantenga una flotabilidad neutra o controlada intencionalmente, corrija el mal equilibrio antes del despliegue, minimice las ataduras innecesarias en el agua y revise los propulsores en busca de incrustaciones o daños. Un vehículo mal equilibrado puede consumir energía simplemente manteniendo la actitud que mantiene un vehículo correctamente equilibrado con poco empuje correctivo.

Por lo tanto, en la operación práctica del ROV, la eficiencia de la propulsión, la integración de la carga útil y la gestión de la correa son parte de la gestión de la batería.

Preguntas frecuentes

¿Una clasificación Ah más alta siempre es mejor para un dron submarino?

No. Ah solo describe la capacidad de carga y no se puede comparar correctamente sin voltaje. Utilice vatios-hora para comparar la energía almacenada, luego verifique el peso, las dimensiones, la corriente continua, la corriente máxima y los límites de BMS. Una mochila más grande puede proporcionar más energía, pero su masa y volumen también pueden cambiar la flotabilidad y la integración del vehículo. La selección de la batería debe comenzar con el presupuesto completo de energía de la misión.

¿Se puede instalar una batería IP67 directamente fuera de una carcasa de presión de ROV?

No sólo sobre la base del IP67. IP67 es una clasificación de protección de ingreso en lugar de una calificación general de profundidad submarina. Los componentes del ROV deben resistir la presión hidrostática esperada en su profundidad operativa, así como ciclos de presión repetidos, requisitos de sellado y el entorno previsto. Por lo tanto, se requiere un recinto con capacidad de presión u otra arquitectura de batería submarina validada.

¿Es una batería LiFePO4 adecuada para un dron submarino?

Una batería LiFePO4 puede ser adecuada para un robot submarino cuando su voltaje, energía almacenada, capacidad de descarga, BMS, dimensiones e integración mecánica coinciden con el vehículo. LiFePO4 es particularmente relevante cuando la vida útil y la estabilidad térmica son prioridades de diseño importantes. La química por sí sola no hace que una batería esté preparada para el uso submarino; el recinto completo y el sistema de presión aún requieren ingeniería específica del proyecto.

¿El agua fría acorta el tiempo de funcionamiento de la batería del dron submarino?

Puede. Una temperatura de celda más baja puede aumentar la resistencia interna y reducir la capacidad o potencia disponible en las baterías de iones de litio. El efecto depende de la química, el diseño de la celda, la tasa de descarga y la temperatura real de la batería, por lo que no se debe aplicar un porcentaje fijo a cada ROV. Las estimaciones de misiones en agua fría deben utilizar datos de la batería medidos en condiciones representativas de temperatura y carga.

¿Cuánta reserva de batería debe conservar un ROV para su recuperación?

No existe un porcentaje de reserva universal adecuado para todas las misiones submarinas. El margen debe tener en cuenta la distancia de regreso, la superficie, la corriente, las condiciones de amarre, el uso de la carga útil, la temperatura, el envejecimiento de la batería y los posibles retrasos. Los equipos comerciales y de investigación deberían definir la reserva como parte de la evaluación de riesgos de la misión en lugar de tratar toda la energía nominal de la batería como energía de trabajo disponible.

Conclusión

La batería de un dron submarino rara vez se agota rápidamente debido a un componente aislado. Los propulsores suelen ser la carga variable más grande, pero la corriente, la resistencia de la correa, el mal ajuste, las luces, el sonar y las cargas útiles motorizadas o pasivas pueden cambiar la potencia necesaria para completar una misión.

El enfoque más confiable es crear un presupuesto de energía en vatios, convertir la capacidad de la batería en vatios-hora y verificar la corriente continua, la corriente máxima, el voltaje, el comportamiento del BMS y la integración mecánica antes de estimar el tiempo de ejecución.

Para los desarrolladores de ROV que trabajan con arquitecturas de 24 V o 48 V, las plataformas LiFePO4 configurables de MANLY Battery proporcionan puntos de partida prácticos para sistemas de alimentación de robots personalizados. La batería final para uso de drones submarinos debería diseñarse teniendo en cuenta el perfil real de la misión, la carcasa de presión, la arquitectura eléctrica y los requisitos de recuperación, en lugar de seleccionarse únicamente en función de la capacidad.

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