水下机器人供电电池组怎么选？AUV与ROV电池设计及选型指南

水下机器人供电电池组怎么选？AUV与ROV电池设计及选型指南

水下机器人是海洋监测、水下测绘、海洋工程、港口检测、水下搜救、渔业养殖、管道检测和科研探测等领域的重要装备。

根据工作方式不同，水下机器人通常可以分为AUV自主式水下机器人和ROV遥控式水下机器人。两类设备对供电电池组的要求并不完全相同。

AUV需要依靠自身电池完成推进、控制、导航、通信和传感器供电，因此更加关注能量密度、续航时间、重量以及压力舱设计。

ROV则可能通过脐带电缆从水面获得部分或全部能源，也有采用水下电池组作为主电源或辅助电源的方案，更关注水密、防腐、耐压、安全和维护。

因此，水下机器人供电电池组不能简单按照普通工业锂电池进行选择，而需要结合工作深度、续航时间、功率需求、舱体结构和浮力系统进行整体设计。

一、水下机器人供电电池组是什么？

水下机器人供电电池组，是安装在AUV、ROV及其他水下无人装备内部，为推进器、控制器、传感器、通信系统、导航系统和执行机构提供电能的动力电池系统。

一个完整的水下机器人电池组通常包括：

锂电芯；

电池模组；

BMS；

电池PACK；

动力输出接口；

保险保护；

电压及温度采集；

密封结构。

根据使用深度和设备结构，还可能增加：

耐压壳体；

压力补偿结构；

水密连接器；

绝缘监测；

加热系统；

多级安全保护；

CAN或RS485通讯。

对于深海应用，还需要重点考虑压力环境对电池箱体、连接器、密封件和内部结构的影响。

二、水下机器人常用什么电池？

目前水下机器人可以根据任务需求选择不同锂电池体系。

比较常见的包括：

磷酸铁锂；

三元锂；

其他适用于特定水下设备的锂离子电池体系。

其中，磷酸铁锂具有较好的热稳定性和较长循环寿命，适合对安全性、循环寿命要求较高的水下装备。

三元锂通常具有较高的能量密度，在对重量和体积敏感的AUV等设备中，可以根据具体电芯性能和安全设计进行评估。

对于水下机器人来说，电池体系不是唯一决定因素，还需要综合考虑：

工作深度；

电池重量；

能量需求；

峰值功率；

舱体空间；

工作温度；

耐压方式。

三、水下机器人电池一般是多少伏？

水下机器人没有统一的电池电压。

常见电压平台可以包括：

24V；

36V；

48V；

51.2V；

72V；

96V；

120V；

192V；

240V；

300V级。

小型水下机器人可以采用24V、36V或48V系统。

中型AUV、ROV可以根据推进功率采用48V、72V、96V甚至更高电压。

如果水下机器人推进功率较高，提高系统电压可以降低相同功率下的工作电流。

基本公式：

P＝U×I

例如水下机器人需要输出10kW。

48V系统理论电流：

10000÷48≈208A。

96V系统理论电流：

10000÷96≈104A。

192V系统理论电流：

10000÷192≈52A。

因此，在相同功率下，提高电压可以降低动力系统电流。

不过水下设备使用高压电池时，需要同步考虑绝缘、水密连接、高压安全以及维护要求。

四、水下机器人电池容量怎么计算？

水下机器人电池容量主要根据任务时间和平均功率确定。

基本公式：

E＝P×t

例如：

水下机器人平均功率2kW；

计划连续工作8小时。

理论能量：

2×8＝16kWh。

如果采用96V电池：

16000÷96≈167Ah。

因此可以初步评估96V160Ah至200Ah级别的电池方案。

实际容量还需要考虑：

推进效率；

控制系统功耗；

传感器功耗；

通信功耗；

电池可用SOC；

环境温度；

电池老化；

任务余量。

对于AUV，还需要考虑返航能源储备，不能将电池全部额定能量用于正常任务。

五、水下机器人为什么需要高能量密度电池？

AUV尤其关注电池重量和体积。

因为水下机器人在水中需要保持合理的浮力平衡。

电池过重可能导致：

浮力增加需求；

推进功率增加；

设备重心改变；

姿态控制难度增加。

因此，在相同可用能量下，如果能够降低电池系统重量和体积，就有利于优化整机结构。

但是水下电池不能只追求能量密度。

还必须综合考虑：

安全性；

循环寿命；

放电倍率；

低温性能；

耐压设计；

密封结构。

因此，水下机器人电池属于典型的系统级选型问题。

六、水下机器人电池组需要耐压吗？

需要根据工作深度确定。

水下设备受到的静水压力可以近似计算：

P＝ρgh。

其中：

ρ为水的密度；

g为重力加速度；

h为水深。

水深增加后，外部压力也会随之增加。

例如：

100米水深；

500米水深；

1000米水深；

6000米水深。

对应的压力环境差异非常明显。

因此，水下机器人电池组需要首先明确：

最大工作深度；

最大耐压深度；

压力舱形式；

压力补偿方式。

不同深度不能采用完全相同的PACK结构。

七、水下机器人电池为什么需要压力舱？

一种常见方案是将电池安装在耐压舱内。

电池本身在常压环境工作，而由耐压壳体承受外部水压。

这种方案的主要特点是：

电池工作环境相对稳定；

BMS设计更加容易；

电芯选择范围相对较广；

维护相对方便。

但耐压舱需要承担主要压力，因此需要重点设计：

壳体材料；

壁厚；

端盖；

密封；

水密连接器；

内部固定。

耐压舱设计需要根据实际深度和安全系数进行工程验证。

八、水下机器人电池可以采用压力补偿吗？

可以。

对于某些深水设备，可以采用压力补偿设计，使电池舱内部压力与外部水压保持一定程度的平衡。

这种设计可以减少耐压壳体承受的压差。

但压力补偿系统本身会增加：

结构复杂度；

密封要求；

维护要求；

介质兼容性要求。

因此究竟采用耐压舱还是压力补偿，需要根据：

工作深度；

电池类型；

设备尺寸；

维护条件；

任务周期

进行设计。

九、水下机器人电池组需要防水吗？

需要。

但水下机器人电池的“防水”不能简单理解为普通IP防护。

普通设备可能采用IP67或IP68等级。

而长期水下工作的机器人，还需要关注：

持续浸水；

水压；

水密连接；

密封寿命；

海水腐蚀；

压力循环。

因此水下电池组通常需要从：

PACK密封；

连接器；

线缆；

穿舱件；

耐压壳体

多个方面进行设计。

如果用于海水环境，还需要进一步考虑盐雾和腐蚀问题。

十、水下机器人电池组需要考虑海水腐蚀吗？

需要。

海洋环境与普通淡水环境不同。

海水可能对：

金属壳体；

连接器；

螺钉；

铜排；

线缆；

密封件

产生长期影响。

因此海洋机器人电池PACK可以根据环境考虑：

耐腐蚀材料；

表面处理；

密封结构；

防腐涂层；

水密连接器。

对于长期部署的海洋监测设备，腐蚀防护尤其重要。

十一、水下机器人电池BMS有什么作用？

BMS是水下机器人电池系统的重要组成部分。

主要负责：

单体电压监测；

总电压监测；

电流监测；

温度监测；

SOC计算；

SOH管理。

同时可以提供：

过充保护；

过放保护；

过流保护；

短路保护；

过温保护；

低温保护。

对于大容量水下电池，还可以增加：

绝缘监测；

故障记录；

单体一致性监控；

充放电权限控制。

如果电池组安装在密闭耐压舱内，BMS可靠性更加重要，因为水下任务过程中通常无法像陆地设备一样随时打开电池进行维护。

十二、水下机器人电池需要CAN通讯吗？

很多水下机器人会使用CAN通讯。

BMS可以通过CAN向主控系统提供：

电池电压；

电池电流；

SOC；

SOH；

温度；

故障代码；

允许放电电流；

允许充电电流。

机器人主控系统可以根据电池状态控制：

推进功率；

任务时间；

返航策略；

低电量报警。

根据系统架构，也可以采用RS485、Modbus等通讯方式。

十三、水下机器人电池需要考虑峰值放电吗？

需要。

水下机器人推进器在以下情况下可能出现较高瞬时功率：

启动；

加速；

顶流；

爬升；

下潜；

转向；

抗流。

例如：

正常巡航功率3kW；

推进峰值功率8kW。

那么电池不仅需要满足3kW连续输出，还需要满足8kW级别的短时间峰值输出。

因此电池选型时需要明确：

持续功率；

峰值功率；

峰值持续时间。

十四、水下机器人电池组如何计算峰值电流？

公式：

I＝P÷U。

例如：

水下机器人峰值功率20kW；

电池电压96V。

理论峰值电流：

20000÷96≈208A。

如果电池采用192V：

20000÷192≈104A。

因此提高电压可以降低峰值电流。

但电芯、BMS、连接器、保险和动力线束都需要满足实际峰值电流要求。

十五、AUV和ROV对电池有什么区别？

AUV和ROV的工作方式不同，因此电池设计重点也有所区别。

如果ROV采用水面电源供电，电池可能主要承担：

备用供电；

应急返航；

瞬态功率补偿；

水下作业供电。

如果采用全电池ROV，则需要按照完整动力系统计算电池容量。

十六、水下机器人电池低温性能重要吗？

重要。

深水环境通常温度较低。

低温可能导致：

电池内阻增加；

容量下降；

输出功率下降；

充电能力降低。

如果水下机器人需要在低温环境长期工作，可以根据实际温度评估：

低温电芯；

加热系统；

保温结构；

低温BMS策略。

如果设备需要从水面直接下潜到低温水域，还需要考虑电池温度变化对电池性能的影响。

十七、水下机器人电池组需要热管理吗？

需要根据功率确定。

如果水下机器人持续高功率推进，电池会产生热量。

但水下环境本身具有较强的散热条件，因此并不意味着所有水下电池都需要液冷系统。

需要综合评估：

电芯发热；

电池舱结构；

水温；

工作深度；

连续功率；

峰值功率。

对于高功率水下机器人，可以通过：

导热结构；

散热板；

液冷；

壳体散热

等方式进行热管理。

十八、水下机器人电池如何进行浮力平衡？

这是水下电池设计中非常重要的一项工作。

电池组的重量会直接影响整机浮力。

如果电池PACK重量发生变化，可能导致：

设备下沉；

上浮；

姿态变化；

推进功率增加。

因此电池设计需要同时考虑：

电池重量；

耐压舱重量；

浮力材料；

设备重心；

电池安装位置。

在AUV设计过程中，电池PACK并不是单独设计，而需要与浮力系统和结构系统一起进行重量平衡。

十九、水下机器人电池组应该如何布置？

电池布置需要考虑：

重心；

浮心；

耐压舱位置；

推进器位置；

电子舱；

传感器。

如果电池集中布置在一侧，可能导致机器人出现横向倾斜。

因此可以采用：

中心布置；

左右分舱；

上下分布；

模块化电池仓。

具体结构需要根据机器人外形和任务需求确定。

二十、水下机器人电池典型配置有哪些？

以下是用于方案评估的典型配置。

48V50Ah

理论能量：

48×50＝2.4kWh。

适合小型水下机器人或短时间任务。

48V100Ah

理论能量：

48×100＝4.8kWh。

适合中小型水下机器人。

96V100Ah

理论能量：

96×100＝9.6kWh。

适合需要更高动力功率的水下平台。

96V200Ah

理论能量：

96×200＝19.2kWh。

适合中型AUV、ROV进行方案评估。

192V200Ah

理论能量：

192×200＝38.4kWh。

适用于较高功率水下动力平台。

300V级电池系统

可以用于更高功率的水下机器人系统，但需要同步进行高压绝缘、水密连接和安全设计。

以上参数属于计算和方案示例，实际配置需要根据推进功率、任务时间、工作深度和设备空间确定。

二十一、水下机器人电池续航怎么计算？

基础公式：

续航时间＝电池能量×系统综合效率÷平均功率。

例如：

96V200Ah电池。

理论能量：

96×200＝19.2kWh。

假设综合可用系数为80%。

可用能量：

19.2×0.8＝15.36kWh。

如果水下机器人平均功率为2kW：

15.36÷2≈7.68小时。

如果平均功率提高到4kW：

15.36÷4≈3.84小时。

因此同一套电池，在不同任务模式下续航时间可能存在明显差异。

实际设计还需要为返航、应急和电池老化预留一定能量。

二十二、水下机器人电池采购需要提供哪些参数？

采购水下机器人供电电池组时，建议提供以下参数：

如果是深海机器人，还应明确：

最大工作深度；

压力循环次数；

耐压舱尺寸；

耐压测试要求；

水密连接器规格。

二十三、水下机器人供电电池组如何定制？

水下电池通常需要按照设备进行定制。

第一步：确定工作深度

明确：

正常工作深度；

最大工作深度；

压力环境。

第二步：计算功率

统计：

推进器功率；

控制系统功率；

传感器功率；

通信系统功率。

第三步：计算电池能量

根据：

平均功率；

任务时间；

返航余量

确定电池容量。

第四步：选择电芯体系

根据：

能量密度；

倍率；

循环寿命；

温度

选择电芯。

第五步：设计BMS

根据：

串数；

电流；

通讯；

温度

设计BMS。

第六步：设计耐压和密封结构

根据工作深度确定：

耐压壳体；

密封；

水密连接器；

压力补偿。

第七步：进行环境验证

重点验证：

水密；

耐压；

温度；

振动；

冲击；

绝缘；

充放电；

通讯。

二十四、浩博电池水下机器人供电电池组定制

浩博电池，东莞市浩博光电科技有限公司，可根据水下机器人、AUV、ROV、水下监测设备及其他海洋装备的动力需求进行锂电池PACK方案设计。

针对水下机器人项目，可以根据：

工作深度；

电压；

容量；

峰值功率；

续航时间；

电池仓尺寸；

重量限制

进行电池方案匹配。

电池系统可以围绕：

电芯选型；

BMS；

CAN/RS485通讯；

PACK结构；

水密设计；

耐压结构；

低温性能；

热管理

进行综合设计。

对于深水应用，还需要将电池PACK与耐压舱、水密连接器、浮力系统和整机结构进行协同设计。

二十五、水下机器人供电电池组常见问题

1. 水下机器人可以使用普通锂电池吗？

可以根据设备类型进行评估，但不能直接将普通陆用电池裸露用于深水环境。

水下应用需要重点解决水密、耐压、腐蚀和连接器等问题。

2. AUV电池容量越大越好吗？

不是。

容量增加通常意味着重量和体积增加，还会影响浮力平衡和推进功耗。

3. 水下机器人电池需要耐压吗？

如果电池位于直接承受水压的区域，需要根据工作深度设计耐压结构。

如果采用耐压舱，则主要由耐压舱承受外部压力。

4. 水下机器人电池可以采用磷酸铁锂吗？

可以。

磷酸铁锂可以用于部分AUV、ROV及水下动力设备，但需要结合能量密度、重量和耐压结构进行综合设计。

5. 水下机器人电池需要BMS吗？

需要。

BMS负责电压、电流、温度、SOC和故障保护，是电池系统的重要组成部分。

6. 水下机器人可以使用96V200Ah电池吗？

可以作为一种方案进行评估。

96V200Ah理论能量为19.2kWh，实际是否适用需要结合推进功率、任务时间、工作深度和电池仓空间确定。

7. 深海电池最重要的参数是什么？

不能只看一个参数。

通常需要同时关注：

工作深度；

耐压方式；

电池能量；

峰值功率；

重量；

尺寸；

水密；

安全性。

二十六、总结

水下机器人供电电池组与普通工业锂电池最大的区别，在于它需要同时解决能源、重量、浮力、耐压、水密和环境适应性问题。

AUV重点关注：

能量密度；

续航时间；

重量；

浮力平衡；

耐压。

ROV则需要根据具体供电架构确定电池作用，并重点考虑：

水密；

耐压；

峰值功率；

安全；

维护。

在电压方面，48V、96V、192V以及300V级方案都可以根据不同水下设备进行评估。

在电芯方面，磷酸铁锂和三元锂均可以根据项目需求选择。

在结构方面，需要根据工作深度选择：

耐压舱；

压力补偿；

水密连接器；

密封结构。

在控制方面，则需要结合：

BMS；

CAN；

RS485；

SOC；

温度监测；

故障保护。

因此，水下机器人供电电池组的设计不是单纯增加电池容量，而是需要将电池、电气系统、耐压结构、浮力系统和整机任务需求进行综合匹配。

企业信息

东莞市浩博光电科技有限公司，品牌为浩博电池，主要开展动力锂电池PACK、高压特种锂电池系统及定制化动力电池解决方案，可根据水下机器人、AUV、ROV、海洋监测设备及其他特殊装备的具体工况进行电池系统设计。

水下机器人电池项目在前期选型时，建议采购方提供工作深度、最大深度、平均功率、峰值功率、目标续航、电池仓尺寸、重量限制、工作温度、海水环境以及耐压方式等参数，再根据实际任务确定电压、容量、电芯体系、BMS和PACK结构。