电池电源管理与控制

图1. 加拿大海洋网络的水听器和达尔豪斯大学的深海声学着陆器被用于监测海底热液喷口。布伦丹·史密斯和他的博士生导师大卫·巴克莱教授利用加拿大海洋网络在太平洋运行的水听器和欧洲多学科海底及水柱观测站（EMSO）在大西洋运行的水听器，对海底的两个热液喷口进行了监测。图片：加拿大海洋网络

直流电源管理是自主海洋着陆器设计中的基本挑战之一。关于这个话题，我们可以深入探讨很多内容。本文旨在分享一些思考，供读者参考。

我们从一个前提开始。没有支点的杠杆只是一根棍子，没有杠杆的支点只是一块门挡。将两者结合起来，就构成了一个简单的机械装置。同样，没有放大器的传感器或微控制器也只是个摆设。在海洋着陆器中，两者必须协同工作才能有效地管理电源。

电池

自动驾驶车辆的电路由电池供电。不同化学成分的电池在低温环境下会存在自放电和容量损失等问题。（参见《海洋技术报告》2024年3/4月刊第10期“着陆器实验室”）。车载电路可能需要不同的电压。关键功能电路，例如释放装置，应该由专用的电池组供电，不应与其他任何可能意外耗尽其电量的设备共用。

电池充电方式有多种，包括：1）打开外壳充电，2）通过端盖充电，或3）使用水下连接器或感应连接器更换外接电池。

使用四孔连接器即可轻松通过端盖进行充电。我通常将引脚 1 设置为电池地线 (GND)，因为行业标准中 1 号线的颜色代码为黑色。其他引脚的分配也由此推导而来。引脚 1：电池地线 (GND)，引脚 2：电池正极 (POS)，引脚 3：系统地线 (GND)，引脚 4：系统正极 (POS)。仅使用引脚 1 和引脚 2，即可通过配套连接器将电池充电器直接连接到电池。充电时，电池与它所供电的电路断开。正常充电即可。充电完成后，使用短路插头将电池连接到系统。短路插头看起来像一个普通的插头，但其内部封装有引脚连接：引脚 1 连接到引脚 3，引脚 2 连接到引脚 4。一些充电器带有温度传感器，如果电池温度过高（由于电池老化导致内阻增加），则会自动降低充电速度。这仍然可以通过端盖实现，但需要两个额外的引脚（引脚 5 和引脚 6）将电池内部的热敏电阻连接到充电器控制电路。我使用不同的充电器，通过一个 8 针连接器为 4 个不同的电池组充电。就像墙插一样，我使用插座触点直接连接到电池。一根跨接线通过另一个 8 针连接器（这次是针脚式）将电源引入到球体中。这根跨接线本质上是一根延长线，一端是针脚，另一端是插座。

如果电池排气确实是一个值得关注的问题，可以安装一个 PRV（压力释放阀，例如 Prevco 或 Deepsea 生产的阀门），或者在充电期间打开排气口（务必更换防压盖！），或者拆除端盖限制装置，例如螺栓。

如果系统需要快速进行地面维护，外接电池组是一种切实可行的解决方案。回收系统后，取出耗尽电量的电池，安装一套充满电的第二组电池，然后重新部署。第一组电池随后即可放回充电器上充电。

电压转换

无人海洋着陆器内部可以使用多种直流电压，例如 3.3V、5V、10V、12V、21V 或更高电压。电池放电曲线并非平坦，但有些电池的性能优于其他电池。

可以使用多个稳压器为不同的电路提供不同的电压和恒定的功率水平。

只要电池容量足够大，能够满足总电流需求，多个开关稳压器就可以并联连接到单个电池上。可以使用光耦合器将每个电路与微控制器隔离。

电压调节器（DC-DC转换器）

电压调节器有两种类型：1）线性或模拟式，2）开关式。

由于电源仅限于电池，效率至关重要。线性或模拟稳压器的转换效率约为 40%，因此不适用。而开关稳压器的效率通常在 85% 到 95% 之间，同时还能提供更高的电流输出。

开关式稳压器有三种类型：升压型、降压型和升压-降压型。升压型稳压器可以升高电压，降压型稳压器可以降低电压，而升压-降压型稳压器则可以同时实现升压和降压功能。

降压电路设计的简单性使其效率高于升压电路，因此，当试图让每个电子都发挥作用时，将较高的电压降到较低的电压是有意义的。

图 2. Addicore LM2596 降压可调 DC-DC 开关式降压转换器能够以 90% 的效率驱动 3A 负载，并具有出色的线路和负载调节、过热关断和限流功能。LN2596 具有可寻址的最小低功耗待机模式，电流低至 80 μA。（价格：2.48 美元）图片：Addicore

在以效率为首要考虑因素时，轻载或待机模式下的静态电流是一个需要考虑的重要因素。此外，还可以使用微控制器控制的 MOSFET 按计划循环给电压调节器供电。

微控制器

微控制器是一种集成在芯片上的可编程计算机，能够对系统进行智能控制。它们体积小、功耗低。例如 Arduino、Raspberry Pi、ESP32 等。但微控制器的功率输出有限。Arduino 的 I/O 引脚最大输出 5V/20mA。Make 杂志每年都会出版《电路板指南》，其中介绍了数十种新型微控制器和单板计算机。

MOSFET

MOSFET 是金属氧化物半导体场效应晶体管的缩写。MOSFET 有三个引脚：栅极、漏极和源极。MOSFET 的优势在于能够用较小的栅极电压控制大电流，并且效率高、封装尺寸小。一些 MOSFET 可以通过 5V (Vgs) 逻辑电平完全导通，例如 IRL540（售价：0.77 美元）。亚马逊出售一套逻辑电平 MOSFET 的样品套件，售价 19 美元。（在亚马逊上搜索“EEEEE 70 个逻辑电平 MOSFET”。）

一个微弱的电信号就能点亮用于成像的LED灯或泵中的电机。这些都是非常值得了解的器件。在谷歌上搜索“如何选择MOSFET”可以找到很多有用的链接，包括视频。您也可以访问https://www.addohms.com/mosfet-guide/找到一份有用的元件选择工作表。

MOSFET原理图及采用TO-220封装的三引脚器件。（图片：香港欧乐基实业）

皮肤细胞

SCR 代表硅控整流器。另一种三引脚元件（阳极、阴极、栅极），通常用于整流交流信号，在直流电路中具有类似自锁继电器的有趣特性。以 NTE5455 SCR（价格 0.80 美元）为例。当在栅极施加 1.5V 脉冲时，电流开始从阳极流向阴极，即使移除栅极电压，电流也会继续流动。电流会一直流动，直到电流降至某个称为维持电流的水平以下，此时 SCR 会关断。一个简单而可靠的定时释放装置是一个小型实验室倒计时器，它向压电蜂鸣器输出 1.5V 信号。将蜂鸣器的信号施加到 NTE5455 的栅极，即可启动一个 10V 直流电源，烧灼导线。

测序仪

由于初始浪涌电流，为多个并联电路供电可能具有挑战性。TI LM3880 简易电源时序控制器是一款能够控制三个独立电压轨上电和断电时序的器件。通过错开启动顺序，可以缓解瞬时电池负载。这款坚固耐用的器件适用于汽车应用，并具有 25 μA 的低静态电流。

图 4. 6 引脚 TI LM3880 简易电源时序器的原理图。（图片：德州仪器）。（成本：1.02 美元）

传感器和换能器

“传感器”和“换能器”这两个术语有时可以互换使用，但它们之间存在细微差别。

可能需要传感器来启动微控制器或专用电路的操作。

传感器只有两种类型。主动式传感器会根据参数的变化产生电压，例如热电偶、光伏传感器和压电传感器。被动式传感器则会根据参数的变化产生电阻（例如电位计、应变计、热敏电阻、簧片开关）、电容（例如电容计）或电感（例如差动变压器）的变化。

传感器检测特定的物理、化学或生物量，并将接收到的值转换为电信号。由于传感器本身的信号功率有限（通常小于1瓦），因此需要放大器。它们自身无法传输过大的功率。为了进行功率管理，可以使用传感器来控制放大电路，例如继电器、晶体管、光耦合器或MOSFET。

簧片开关

簧片开关是磁控开关的鼻祖之一。它根据磁场的存在与否而开合。由于其电流承受能力有限，因此更应将其视为磁传感器而非开关。簧片开关通常有单刀单掷 (SPST) 和单刀双掷 (SPDT) 两种类型，并有多种尺寸可供选择。较小的簧片开关对磁场更为敏感，但功率也最小。与固态器件相比，簧片开关的漏电流很小，电阻也很低。簧片被密封在管状玻璃外壳内，如果暴露在更深的环境中，外壳会因直接接触而破裂。因此，簧片开关必须安装在非铁磁性外壳内，例如塑料、铝或钛。对于中等深度的应用，可以使用硬质环氧树脂进行灌封。位于中心的单个磁铁可以同时触发一圈簧片开关。热开关（即以最大功率进行开关操作）可能会损坏部件。开关开合时，电弧可能会烧蚀或焊接触点。随着触点镀层损坏，电阻最终会增大，直到簧片开关不再工作。

图 5. 簧片开关有多种尺寸和封装，从小到大，功率、开关电压和电流额定值各不相同。更优的设计是利用簧片开关来控制 MOSFET，从而处理实际功率。图片：Littelfuse

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器是另一种磁控开关。它们产生的信号电平很低，需要放大。其输出受磁场的有无控制。与簧片开关类似，霍尔效应传感器可以安装在非铁磁性外壳内，例如塑料、铝或钛。

由于霍尔效应传感器是固态器件，因此不易破损、不易磨损，并且耐压。霍尔效应传感器可以灌封并在高压水环境中工作。

霍尔效应传感器对较高温度敏感，但通常不在大多数海洋着陆器会遇到的温度范围内。目前已有耐高温型号可供选择。

霍尔效应传感器分为两种类型：单极型和双极型。每种类型都有其独特的用途。

单极霍尔效应传感器的工作原理类似于单刀单掷开关（SPST）。单极霍尔效应开关通常处于闭合状态。该器件可选择对北极或南极磁场敏感。将器件暴露于相反的磁极性不会影响其输出状态。（参考：Melexis US5881，成本：0.60美元）

双极霍尔效应传感器的工作原理类似于自锁继电器。可以通过施加北极或南极磁场来选择保持其断开状态。相反的磁场则会将双极霍尔效应开关保持在闭合状态。（参考：Melexis US2882，成本：0.63美元）

图 6. 双极霍尔效应开关的工作原理类似于自锁继电器。（图片由 Melexis 提供）

微动开关，瞬时开/关

微动开关是一种微型机械装置。瞬时通断式按钮开关可用于确定部件的位置极限，例如缸体内的活塞。开关尺寸越小，其可承受的负载也越小。

其他传感器包括光照、温度、盐度和振动。

实验者工作坊

如果您对本文讨论的零件感兴趣，不妨考虑一下 SparkFun.com、Adafruit.com、Makershed.com 和 Addicore.com 等网站提供的组件和套件。有些价格不到一两美元。熟能生巧，或者至少能让您有思考的空间。

未来发展

针对海洋应用，新型耐压和防压电池技术正在研发中。同样，在全球范围内，传感器工程师们正在研究、表征和开发新型传感器，以将海洋环境转化为数字形式，用于科学研究、机器控制和政府监管。

致读者

您愿意分享一下您对这个话题的见解吗？我们将在下方发布一些我们收到的最佳回复。

• 运算放大器能否用作传感器的放大器？有什么优势？请解释。
• 光耦合器能否用作传感器的放大器？它有哪些优势？请解释。
• 能否利用加速度计在指挥控制系统内部指示海洋着陆器何时到达海底？请解释。

引用

“传感器基础知识”，RH Warring 和 Stan Gibilisco，（ISBN 0-8306-1693-4）

《发明家实用电子学》，保罗·舍尔茨、西蒙·蒙克著，（ISBN 978-0-07-177133-7）

《电子学的艺术》，霍洛维茨和希尔著，（ISBN 978-0-52-137095-0）

“Lander Lab”是一个专注于海洋着陆器技术和策略的专栏，海洋着陆器是一种独特的无人水下航行器，专栏也介绍制造这些着陆器的人员。它旨在以类似《Make》杂志和其他DIY社区的方式服务于全球海洋着陆器社群。

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