Qu'est-ce qui draine la batterie d'un drone sous-marin ? Propulseurs, courants, lumières, sonar et charges utiles

Les propulseurs drainent normalement un batterie de drone sous-marin plus rapide que toute autre charge variable, en particulier lorsqu'un ROV doit accélérer, maintenir sa position ou travailler à contre-courant. Les lumières, le sonar, les caméras et autres appareils électroniques peuvent consommer moins d’énergie individuellement, mais leur fonctionnement continu reste important au cours d’une longue plongée.

Les charges utiles compliquent encore davantage la situation. Certains consomment directement de l’électricité ; d'autres augmentent la traînée ou perturbent la flottabilité et l'assiette, obligeant le système de propulsion à travailler plus fort. C’est pourquoi l’autonomie utile ne peut pas être prédite uniquement à partir des ampères-heures de la batterie. L’ensemble du profil de la mission doit être pris en compte.

Qu'est-ce qui vide le plus rapidement la batterie d'un drone sous-marin ?

Pour la plupart des ROV alimentés par batterie, la propulsion constitue la plus grande demande variable sur la batterie. La différence entre une navigation douce en eau calme et une position de maintien dans un courant fort peut donc être plus importante que le chiffre de capacité imprimé sur l'emballage.

Charge du propulseur : vitesse, accélération et maintien en position

La puissance du propulseur augmente à mesure que le véhicule demande plus de poussée. Véritable référence en ingénierie, Blue Robotics spécifie son propulseur T200 à 205 W à plein régime sur 12 V, 390 W à 16 V et 645 W à 20 V. Ces chiffres s'appliquent à un seul propulseur dans les conditions indiquées, et non à chaque ROV ou à chaque point de fonctionnement.

Un ROV fait rarement fonctionner chaque propulseur à puissance maximale en continu. Néanmoins, les accélérations répétées, les manœuvres agressives et le maintien en position augmentent le cycle de service du système de propulsion. La batterie doit fournir non seulement la charge moyenne de la mission, mais également les courants plus élevés créés lors de manœuvres exigeantes.

Cette distinction explique pourquoi la capacité nominale de la batterie ne peut pas, à elle seule, fournir une autonomie fiable.

Courants, traînée d'attache et maintien de la position

Le courant d'eau ne se connecte pas électriquement à la batterie, mais il peut augmenter considérablement la décharge de la batterie en augmentant la poussée nécessaire pour maintenir le cap ou la position.

Une attache peut ajouter une autre charge. Un excès de câble dans l'eau augmente la traînée hydrodynamique, tandis qu'une tension excessive de l'attache fait travailler le véhicule contre le câble. Boxfish Robotics identifie la vitesse du propulseur, la demande du joystick, l'éclairage LED, la traînée d'attache, la tension d'attache, le courant et la houle parmi les variables qui affectent l'utilisation de la batterie du ROV.

Ceci est particulièrement important dans les opérations plus profondes. Le courant peut agir sur des dizaines ou des centaines de mètres d’attache ainsi que sur le véhicule lui-même. Les opérateurs discutant de l'inspection des épaves et des travaux en eaux plus profondes des ROV soulèvent à plusieurs reprises le courant et la traînée d'attache comme des problèmes pratiques, ce qui explique en partie pourquoi l'autonomie en eaux calmes est rarement transférée directement vers des sites plus exigeants.

Pourquoi la durée d'exécution nominale et la durée d'exécution de la mission diffèrent

La durée d'exécution publiée reflète normalement des conditions de fonctionnement définies ou typiques, et non un fonctionnement continu à poussée maximale.

Blue Robotics répertorie par exemple environ deux heures d’utilisation normale et quatre heures d’utilisation légère pour un BlueROV2 équipé de sa batterie de 15,6 Ah. Une même batterie produit donc des durées de fonctionnement très différentes, tout simplement parce que le véhicule est utilisé différemment.

Pour une batterie de drone sous-marin, une question plus utile n’est pas simplement : “ Combien d’heures dure-t-elle ? La question est : ” Combien de wattheures cette mission spécifique consommera-t-elle ? “

Quelle est la consommation d’énergie des lumières, du sonar et de l’électronique embarquée ?

Les lumières, le sonar et l'électronique embarquée consomment généralement moins d'énergie instantanée que les propulseurs qui travaillent dur, mais bon nombre de ces charges restent actives pendant la majeure partie ou la totalité de la plongée.

Éclairage dans l’eau à faible visibilité

La demande d'éclairage dépend de la clarté de l'eau, de la profondeur de fonctionnement, des exigences de la caméra et de la puissance de la lampe. Une eau claire et peu profonde peut nécessiter peu d'éclairage supplémentaire, tandis que les inspections à l'intérieur des structures ou dans des eaux troubles peuvent nécessiter des éclairages puissants pendant la majeure partie de la mission.

Cela crée un compromis opérationnel simple : réduire le flux lumineux inutile peut économiser de l’énergie, mais les exigences de visibilité restent prioritaires. La gradation est souvent plus utile que de traiter l’éclairage comme une charge binaire marche/arrêt.

Boxfish identifie spécifiquement la profondeur et la visibilité, ainsi que l'utilisation des lumières qui en résulte, comme facteurs affectant l'endurance de la batterie.

Sonar, caméras et capteurs de navigation

Le sonar, les caméras et les capteurs de navigation créent ce que les ingénieurs considèrent souvent comme faisant partie de la charge continue ou “ hôtelière ” du véhicule. Les appareils individuels peuvent paraître modestes à côté d’un système de propulsion, mais une charge fonctionnant pendant trois heures consomme trois fois l’énergie qu’elle utiliserait en une heure.

Un exemple publié de modélisation de système d'alimentation de ROV comprend six propulseurs ainsi qu'un sonar de 7 W, une caméra, une lumière LED à intensité variable et une électronique de commande. Plus important encore, l'exemple modifie le cycle de service de ces charges entre les phases d'itinérance, de numérisation et d'inspection plutôt que de supposer que tout fonctionne à pleine puissance tout au long de la plongée.

C'est la bonne façon d'évaluer la demande en matière de sonar ou de caméra : utiliser les spécifications réelles de l'appareil et le pourcentage de la mission pour laquelle l'équipement fonctionnera.

Electronique toujours active et pertes de conversion

Les ordinateurs, le matériel de communication, les capteurs et l'électronique BMS peuvent fonctionner en continu même lorsqu'un ROV est presque à l'arrêt.

Les convertisseurs DC-DC introduisent également des pertes chaque fois que la tension de la batterie doit être convertie en rails séparés pour les propulseurs, les caméras, le sonar ou l'électronique de commande. Quelques watts de demande auxiliaire continue peuvent sembler sans importance à côté d'un propulseur de haute puissance, mais ces watts s'accumulent tout au long d'une longue enquête.

Pour la planification de mission, chaque charge persistante appartient au budget énergétique.

Comment les charges utiles augmentent-elles la consommation de batterie des drones sous-marins ?

Les charges utiles peuvent réduire la durée d'exécution de deux manières différentes : certaines consomment directement de l'énergie électrique, tandis que d'autres font travailler plus fort le système de propulsion.

Charges utiles alimentées et charges utiles passives

Un sonar, un manipulateur, une caméra supplémentaire ou une lumière auxiliaire est une charge utile motorisée. Sa consommation électrique peut être ajoutée directement au budget électrique de la mission.

Une charge utile passive peut n’avoir aucune connexion électrique, tout en réduisant néanmoins son endurance. Un cadre de capteur, un panier d'échantillons ou une structure de protection peut augmenter la surface frontale et la traînée. Une masse supplémentaire peut également nécessiter des modifications du matériau de flottabilité et de l'équilibre du véhicule.

La distinction est importante car la suppression d’un dispositif électrique de faible consommation peut permettre d’économiser moins d’énergie que la correction d’une charge utile passive mal intégrée.

Flottabilité, assiette et traînée hydrodynamique

Un ROV dont la flottabilité est proche de la neutralité et qui est correctement réglé a besoin de moins de poussée corrective continue qu'un ROV qui veut constamment monter, couler, tanguer ou rouler.

L’ingénierie en eau profonde rend la relation plus compliquée. Les boîtiers sous pression plus résistants ont tendance à ajouter de la masse, ce qui nécessite une flottabilité supplémentaire. La Woods Hole Oceanographic Institution note que des structures plus lourdes et résistantes à la pression peuvent rendre les robots sous-marins plus encombrants et augmenter la consommation de la batterie.

Pour cette raison, la spécification d’une batterie pour les projets de drones sous-marins relève en partie d’un problème de conception mécanique. La masse de la batterie, la taille de l'enceinte, la flottabilité et l'emplacement influencent tous l'énergie nécessaire pour déplacer l'ensemble du véhicule.

Manipulateurs, outils et travaux supplémentaires sur les propulseurs

Les manipulateurs et les outils électriques créent une demande électrique ou hydraulique directe, mais leur utilisation peut également augmenter le temps passé à rester en poste.

Un ROV d'inspection peut atteindre efficacement le chantier, puis passer une grande partie de la plongée à maintenir une position précise tout en utilisant une pince, un sonar ou un instrument d'inspection. Dans cette situation, la combinaison de la demande de charge utile et de la demande de propulsion compte plus que l’une ou l’autre charge prise isolément.

La batterie doit donc être dimensionnée autour de la phase de mission présentant la demande combinée soutenue la plus grande, et pas simplement pour les besoins de croisière du véhicule.

Quelles batteries MANLY conviennent aux différents systèmes d'alimentation ROV ?

MANLY Battery propose des plates-formes de batteries robotisées LiFePO4 qui peuvent fournir des points de départ pour des architectures d'alimentation compatibles pour ROV et robots sous-marins. Ils doivent être adaptés à la tension du système, au courant moyen et de crête, à l'espace disponible, aux exigences du BMS et à la conception du boîtier sous pression du projet. Leurs indices IP ne doivent pas être interprétés comme des indices de profondeur d’exploitation sous-marine.

Batterie robot MANLY 24 V 30 Ah LiFePO4 pour systèmes d'alimentation ROV compacts

25,6 V nominal | 30 Ah | 768 Wh | Décharge continue 30 A | 60 A en crête pendant 1 à 3 secondes

Cette plate-forme de batterie LiFePO4 compacte est adaptée aux projets dont l'architecture électrique vérifiée se situe dans ses limites de tension et de courant. Le contenu énergétique de 768 Wh constitue un point de départ utile pour les petits robots d'inspection et les systèmes à puissance modérée, tandis que les communications RS485, RS232 et CANBus en option peuvent prendre en charge l'intégration avec un contrôleur de véhicule ou une architecture de surveillance.

MANLY peut également personnaliser les dimensions, le boîtier, le connecteur et les exigences liées au BMS. Cette flexibilité est importante lorsque la batterie doit s'adapter à un boîtier sous pression plutôt que de dicter sa forme. La spécification de la batterie du robot indique une protection IP65, de sorte que l'utilisation sous-marine nécessite toujours un boîtier résistant à la pression correctement conçu ou une autre méthode d'intégration sous-marine spécifique au projet.

Batterie robot MANLY 24 V 60 Ah LiFePO4 pour une demande énergétique plus élevée

25,6 V nominal | 60 Ah | 1 536 Wh | Décharge continue 60 A | 120 A en crête pendant 1 à 3 secondes

Le doublement de la capacité à 60 Ah donne à cette plate-forme 24 V 1 536 Wh d'énergie nominale stockée tout en augmentant également la capacité de décharge continue et de courte durée. Cette combinaison est pertinente pour les robots dotés de cycles de service de propulseur plus exigeants, de missions plus longues ou d'une suite plus large de capteurs et d'outils motorisés.

Le pack prend en charge les communications RS485, RS232 et CANBus en option, et les dimensions du boîtier sont personnalisables. Pour les intégrateurs de ROV, ces fonctionnalités rendent la plate-forme utile lorsque la batterie, le BMS et le boîtier mécanique doivent être conçus dans le cadre de la même architecture plutôt que traités comme des composants séparés.

Batterie robot MANLY 48 V 60 Ah LiFePO4 pour architectures à haute tension

51,2 V nominal | 60 Ah | 3 072 Wh | Décharge continue 60 A | 90 A pic en dessous de 1 seconde

La plate-forme de classe 48 V stocke beaucoup plus d'énergie et est destinée aux systèmes conçus autour d'une architecture électrique compatible à haute tension. Une tension système plus élevée peut réduire le courant pour un niveau de puissance donné, mais chaque contrôleur de moteur, convertisseur, connecteur et dispositif de protection doit être conçu pour cette tension.

MANLY répertorie les configurations de boîtiers ABS et métalliques, avec respectivement une protection IP67 et IP65, ainsi qu'une communication en option et une personnalisation OEM. Ces indices de protection contre la pénétration sont des spécifications de boîtier utiles, mais le pack nécessite toujours une intégration qualifiée en pression avant d'être utilisé à la profondeur de fonctionnement du ROV.

Pour un OEM ou un intégrateur, le rôle important d’un fabricant de batteries ne consiste donc pas simplement à fournir davantage d’ampères-heures. Le fabricant de batteries a besoin de la tension du véhicule, du profil de puissance, de la durée du courant de pointe, des dimensions disponibles, des exigences de communication, de la méthode de charge et de l'environnement mécanique avant qu'un pack approprié puisse être spécifié.

Comment calculer l’autonomie de la batterie d’un drone sous-marin avant une plongée ?

Une estimation réaliste de l'autonomie commence par les wattheures et la puissance moyenne de la mission, puis ajoute les pertes et la réserve de fonctionnement.

Construire un budget de puissance de mission en watts

Répertoriez chaque charge importante et divisez la mission en phases opérationnelles telles que :

• transits;
• maintien en poste ;
• balayage sonar;
• inspection visuelle ;
• fonctionnement du manipulateur ou de l’outil.

Pour chaque phase, estimez la puissance utilisée par les propulseurs actifs, les lumières, le sonar, les caméras, les ordinateurs et les équipements auxiliaires. Calculez ensuite la moyenne pondérée dans le temps.

C'est plus fiable que d'ajouter la valeur maximale de chaque composant, car la plupart des ROV ne font pas fonctionner simultanément tous les sous-systèmes à la demande maximale.

Convertir les watts-heures en durée d'exécution estimée

L’énergie de la batterie est :

Énergie (Wh) = Tension nominale (V) × Capacité (Ah)

Un calcul préliminaire du temps d’exécution est alors :

Autonomie estimée (heures) = Énergie utilisable prévue de la batterie (Wh) ÷ Puissance de mission moyenne (W)

Supposons qu'un système dispose de 1 500 Wh d'énergie nominale, que le plan de mission autorise 80% de cette énergie pour un fonctionnement normal et que la charge moyenne pondérée est de 600 W :

1 500 × 0,80 ÷ 600 = 2,0 heures

Il s’agit d’une estimation technique et non d’une durée d’exécution sur le terrain promise. Les missions réelles nécessitent toujours une prise en compte des pertes de conversion, du courant, de la température, du vieillissement de la batterie et de la réserve de récupération. De la même manière, la budgétisation énergétique des robots sous-marins doit inclure la propulsion, les capteurs, l’éclairage, les communications et autres charges plutôt que Ah seul.

Ajouter une marge pour les courants, les pointes de puissance et la température

Un ROV ne doit pas être prévu pour atteindre zéro énergie utilisable à la fin d’une mission normale.

La réserve doit couvrir le courant inattendu, le maintien en station plus long, les changements d'itinéraire, les délais de récupération et la réduction progressive des performances de la batterie disponible avec l'âge. Les températures froides des batteries peuvent également augmenter la résistance interne et réduire la puissance disponible dans les cellules lithium-ion, de sorte que les valeurs de température ambiante ne doivent pas automatiquement être traitées comme des performances en eau froide.

La réserve appropriée est spécifique à la mission. Une batterie pour l’inspection sous-marine par drone dans un réservoir abrité a des exigences de récupération différentes de celles utilisées en mer en courant variable.

Quelles spécifications de batterie sont importantes au-delà de la capacité ?

La capacité vous indique la quantité d’énergie nominale stockée. Il ne vous indique pas si le pack peut fournir en toute sécurité le courant requis, s'adapter au véhicule ou communiquer avec son système de contrôle.

Courant de décharge continu et de pointe

Trois chiffres doivent être séparés :

• courant de mission moyen ;
• courant maximum soutenu ;
• courant de crête de courte durée.

Le démarrage du propulseur, l'accélération rapide, le maintien en position et l'utilisation simultanée d'outils peuvent créer de courts pics bien supérieurs à la charge moyenne.

Une résistance interne élevée produit également une chute de tension sous charge. Si la tension chute suffisamment, les performances de propulsion peuvent diminuer ou l'électronique de protection peut s'activer même s'il reste une capacité nominale importante. La conception des batteries sous-marines doit donc prendre en compte le cheminement complet du courant élevé à travers les cellules, le BMS, les jeux de barres, les câbles, les connecteurs et les contrôleurs de moteur.

Tension, BMS et communication

La tension de la batterie doit correspondre à l'architecture électrique, et pas seulement à la tension nominale imprimée sur un propulseur.

Un BMS doit être sélectionné en fonction des limites de charge et de décharge requises, de la protection contre les surintensités, de la surveillance de la température, de l'équilibrage et de la gestion des défauts. Pour les robots commerciaux, les communications telles que CANBus ou RS485 peuvent également mettre des informations sur l'état de charge et les défauts à la disposition du contrôleur du véhicule.

C'est ici qu'un configurable Batterie LiFePO4 peut être utile : les limites électriques, le comportement du BMS, la disposition des connecteurs et l'emballage physique peuvent être développés autour de la plate-forme plutôt que de forcer la plate-forme autour d'un pack générique.

Pourquoi IP67 n'est pas un indice de profondeur

Un indice IP67 ne signifie pas qu'une batterie est qualifiée pour fonctionner à des profondeurs normales de plongée avec un ROV.

La CEI 60529 définit les classifications de protection contre la pénétration des boîtiers. Les tests standard IPX7 représentent une immersion temporaire dans des conditions spécifiées ; Les conditions de test CEI 60529 couramment appliquées utilisent environ 1 mètre d'eau pendant 30 minutes.

Les équipements en eau profonde sont confrontés à un environnement de pression totalement différent. À une profondeur moyenne du fond marin de 3 800 mètres, l’OMSI note que la pression hydrostatique est environ 380 fois supérieure à la pression atmosphérique. Les boîtiers sous pression pour batteries et appareils électroniques doivent donc être conçus et validés pour la profondeur prévue.

La résistance à l’eau et la qualification de pression doivent rester des spécifications distinctes. La même distinction est importante lors de l'intégration d'une batterie MANLY LiFePO4 dans un véhicule sous-marin.

Comment réduire la consommation de batterie d’un drone sous-marin pendant une mission ?

Les gains d'efficacité les plus importants proviennent souvent de la réduction des travaux de propulsion inutiles avant de désactiver les capteurs utiles.

Réduisez le travail du propulseur avant d’utiliser le capteur de coupe

Évitez les poussées élevées et soutenues lorsqu'une vitesse inférieure peut accomplir la même tâche. Planifiez les approches de manière à ce que le ROV n'accélère pas, n'inverse ou ne combatte pas le courant à plusieurs reprises inutilement.

Pour les travaux d'inspection, le positionnement du véhicule de manière à ce que le courant assiste plutôt que s'oppose à l'itinéraire prévu peut réduire la demande de maintien en station. La stratégie exacte dépend du site, du système d'attache et de la configuration du véhicule, mais l'objectif est cohérent : dépenser moins de wattheures pour générer une poussée évitable.

Gérer les cycles de service des lumières, du sonar et de la charge utile

Utilisez une puissance d'éclairage adaptée à la caméra et à la visibilité plutôt que d'allumer automatiquement chaque lampe à la luminosité maximale. Le sonar et d'autres instruments peuvent également être programmés autour des phases dans lesquelles leurs données sont réellement requises, à condition que cela ne compromette pas la mission.

Le même principe s’applique aux manipulateurs et autres charges utiles motorisées. La planification de la mission doit identifier le moment où chaque charge est requise au lieu de supposer que chaque accessoire fonctionne en continu.

Gardez les propulseurs, les trims et les attaches efficaces

Une bonne configuration mécanique permet d'économiser de l'énergie électrique.

Maintenez une flottabilité neutre ou intentionnellement contrôlée, corrigez une mauvaise assiette avant le déploiement, minimisez l'attache inutile dans l'eau et vérifiez que les propulseurs ne sont pas encrassés ou endommagés. Un véhicule mal équilibré peut consommer de l'énergie simplement en conservant l'attitude qu'un véhicule correctement réglé maintient avec peu de poussée corrective.

Dans le fonctionnement pratique d'un ROV, l'efficacité de la propulsion, l'intégration de la charge utile et la gestion du câble d'attache font donc partie de la gestion de la batterie.

FAQ

Un indice Ah plus élevé est-il toujours préférable pour un drone sous-marin ?

Non. Ah décrit uniquement la capacité de charge et ne peut pas être comparé correctement sans tension. Utilisez les wattheures pour comparer l'énergie stockée, puis vérifiez le poids, les dimensions, le courant continu, le courant de crête et les limites du BMS. Un pack plus grand peut fournir plus d'énergie, mais sa masse et son volume peuvent également modifier la flottabilité et l'intégration du véhicule. La sélection de la batterie doit commencer par le budget énergétique complet de la mission.

Une batterie IP67 peut-elle être installée directement à l’extérieur d’un boîtier sous pression ROV ?

Pas uniquement sur la base de l’IP67. IP67 est une classification de protection contre la pénétration plutôt qu'une qualification générale de profondeur sous-marine. Les composants du ROV doivent résister à la pression hydrostatique attendue à leur profondeur de fonctionnement ainsi qu'aux cycles de pression répétés, aux exigences d'étanchéité et à l'environnement prévu. Un boîtier résistant à la pression ou une autre architecture de batterie sous-marine validée est donc requis.

Une batterie LiFePO4 est-elle adaptée à un drone sous-marin ?

Une batterie LiFePO4 peut convenir à un robot sous-marin lorsque sa tension, son énergie stockée, sa capacité de décharge, son BMS, ses dimensions et son intégration mécanique correspondent au véhicule. LiFePO4 est particulièrement pertinent lorsque la durée de vie et la stabilité thermique sont des priorités de conception importantes. La chimie à elle seule ne rend pas une batterie prête pour le sous-marin ; l'enceinte complète et le système de pression nécessitent encore une ingénierie spécifique au projet.

L'eau froide réduit-elle l'autonomie de la batterie du drone sous-marin ?

Ça peut. Une température de cellule plus basse peut augmenter la résistance interne et réduire la capacité ou la puissance disponible dans les batteries lithium-ion. L'effet dépend de la chimie, de la conception des cellules, du taux de décharge et de la température réelle de la batterie. Un pourcentage fixe ne doit donc pas être appliqué à chaque ROV. Les estimations des missions en eau froide doivent utiliser les données de batterie mesurées dans des conditions représentatives de température et de charge.

Quelle réserve de batterie un ROV doit-il conserver pour la récupération ?

Il n’existe pas de pourcentage de réserve universel adapté à chaque mission sous-marine. La marge doit tenir compte de la distance de retour, du revêtement, du courant, des conditions d'attache, de l'utilisation de la charge utile, de la température, du vieillissement de la batterie et des retards possibles. Les équipes commerciales et de recherche devraient définir la réserve dans le cadre de l'évaluation des risques de la mission plutôt que de traiter toute l'énergie nominale de la batterie comme de l'énergie de travail disponible.

Conclusion

Une batterie de drone sous-marin se vide rarement rapidement à cause d’un composant isolé. Les propulseurs constituent normalement la charge variable la plus importante, mais le courant, la traînée d'attache, une mauvaise assiette, les lumières, le sonar et les charges utiles motorisées ou passives peuvent tous modifier la puissance requise pour accomplir une mission.

L'approche la plus fiable consiste à établir un bilan de puissance en watts, à convertir la capacité de la batterie en wattheures et à vérifier le courant continu, le courant de crête, la tension, le comportement du BMS et l'intégration mécanique avant d'estimer la durée de fonctionnement.

Pour les développeurs de ROV travaillant autour d'architectures 24 V ou 48 V, les plates-formes LiFePO4 configurables de MANLY Battery fournissent des points de départ pratiques pour des systèmes d'alimentation de robot personnalisés. La batterie finale destinée aux drones sous-marins doit ensuite être conçue en fonction du profil de mission réel, du boîtier sous pression, de l'architecture électrique et des exigences de récupération plutôt que d'être sélectionnée uniquement en fonction de la capacité.

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