2. AUV能源系统构成
要理解AUV的续航问题，第一步不是急着算电池容量，而是把整条能源通路看清楚：能量从哪里来、经过哪些环节、被谁消耗、在哪里损失。AUV的能源系统并不是"一块电池供电给一个电机"这么简单，它是一条从化学能到电能、再分配到推进、控制、感知、通信等多类负载的能量链，中间还夹着电源管理这一层"调度与保护"环节。建立能源流全局视图，就是把这条链上的每个节点、每条支路和每处损耗都标出来，为后续的续航估算和配平设计提供统一的分析框架。
一、电池组：能量的源头与关键参数
电池组是AUV唯一的能量来源，其选型直接决定了续航上限。小型AUV常用锂离子或锂聚合物电池组，大型长航程AUV则可能采用锂一次电池（如锂亚硫酰氯）或燃料电池。描述电池组时，最核心的三个参数是标称电压、额定容量（Ah）和可用能量（Wh），三者关系为：可用能量 ≈ 标称电压 × 额定容量 × 放电深度。例如一组标称24 V、容量20 Ah的锂电池，理论能量为480 Wh；若为保护寿命只允许放电至80%深度，则实际可用能量约384 Wh。
除容量外，还有两个容易被忽视但影响很大的参数：放电倍率与内阻。AUV在加速或抗流时推进负载会短时拉大电流，若电池组放电倍率不足，端电压会明显跌落，轻则触发欠压保护，重则导致控制系统复位。因此电池组选型不能只看Wh，还要核对峰值功率需求是否在电池的持续与瞬时放电能力之内。此外，电池组通常配有BMS（电池管理系统），负责单体均衡、过充过放保护和温度监测，它是电池组与电源管理之间的接口。
二、电源管理：分配、变换与保护
电源管理模块是能源流的"枢纽"。它接收电池组输出的母线电压，完成三类工作：电压变换（DC-DC升压或降压，为不同负载提供所需电压等级）、配电与开关（按负载支路分别通断，实现分级上电与故障隔离）、监测与保护（采集母线电压、各支路电流，执行过流、欠压、短路保护）。
从能耗角度看，电源管理本身也是损耗环节。DC-DC变换器的效率通常在85%～95%之间，负载越轻效率往往越低。这意味着不能简单地把电池能量等同于负载可用能量，而应在每一级变换处乘以效率系数。一个实用的做法是：为每条主要负载支路记录"变换级数×各级效率"，形成该支路的供电路径效率。例如推进支路经一级DC-DC（效率92%），感知支路经两级变换（92%×88%≈81%），两者即使负载功率相同，对电池的实际消耗也不同。
三、负载分类：按功能与能耗特性划分
AUV负载可按功能分为四类，每类的能耗特性差异显著：
- 推进负载：主推电机及其驱动器，是绝大多数AUV的最大能耗项，通常占总能耗的60%～80%。其功率随航速近似呈三次方增长（P ∝ v³），是续航对航速极度敏感的根本原因。
- 控制与导航负载：飞控/主控计算机、IMU、深度计、DVL等，功率相对稳定，属"常开型"基础负载。
- 感知负载：侧扫声呐、多波束、相机、照明灯等，按任务间歇开启，单次功率可能很高，属"脉冲型"负载。
- 通信与其他负载：水声通信、卫星/无线电浮出通信、舵机、抛载机构等，多为短时或事件触发型。
按能耗特性还可再分为持续负载（控制、导航）、间歇负载（声呐、照明）和峰值负载（推进加速、舵机动作）。这种分类直接服务于能耗预算：持续负载按时间积分，间歇负载按"占空比×功率×时间"估算，峰值负载则要检查是否与电池放电能力匹配。
四、能耗环节与全局能源流视图
把上述对象串起来，就得到AUV的能源流全局视图：电池组输出化学能转化的电能，经BMS与电源管理完成变换、分配和保护，再流向四类负载；每一级变换有损耗，每条支路有静态功耗，最终只有一部分能量转化为推进功、感知与计算功。下图以典型小型AUV为例，展示了这条能量链的构成、分支与损耗位置。
五、从全局视图到能耗预算
有了这张视图，就可以把续航问题转化为一张能耗预算表。做法是：对每条负载支路，列出其典型功率、工作时间或占空比、供电路径效率，折算为电池侧消耗能量，再求和并与电池可用能量比较。以一个教学示例说明：某小型AUV电池可用能量384 Wh，推进负载平均功率60 W、路径效率92%，控制导航负载8 W、效率88%，侧扫声呐40 W但占空比25%、效率81%，通信负载平均3 W、效率85%，静态功耗2 W。按2小时任务估算：推进约60÷0.92×2≈130 Wh，控制导航约8÷0.88×2≈18 Wh，声呐约40×0.25÷0.81×2≈25 Wh，通信约3÷0.85×2≈7 Wh，静态约2×2=4 Wh，合计约184 Wh，约为可用能量的48%。这一结果说明该任务下能量余量充足；若把航速提高使推进功率翻倍，推进项将升至约260 Wh，总能耗逼近300 Wh，余量迅速收窄——这正是推进功率三次方规律在预算表中的直观体现。
需要强调的是，上述数字均为教学示例假设，实际工程中应以电池放电曲线、实测支路电流和任务剖面为准。建立全局视图的价值在于：它让每一瓦时能量的去向都可追溯，使续航优化有明确的着力点——是降低航速、压缩声呐占空比，还是提高某级变换效率，都能在图上找到对应位置并量化其收益。