Batteriemanagement und -steuerung

Abbildung 1. Ein Hydrophon von Ocean Networks Canada und ein Tiefsee-Akustik-Lander der Dalhousie University werden zur Überwachung hydrothermaler Quellen eingesetzt. Brendan Smith und sein Doktorvater, Prof. David Barclay, nutzten Hydrophone von Ocean Networks Canada im Pazifik und des Europäischen Multidisziplinären Meeresboden- und Wassersäulen-Observatoriums (EMSCO) im Atlantik, um zwei hydrothermale Quellen am Meeresboden zu überwachen. Foto: Ocean Networks Canada

Die Steuerung der Gleichstromversorgung ist eine der grundlegenden Herausforderungen bei der Entwicklung eines autonomen Meereslanders. Man könnte sich in diesem Thema sehr detailliert verlieren. Dieser Artikel soll den Lesern einige Denkanstöße geben.

Wir gehen von einer Grundannahme aus. Ein Hebel ohne Drehpunkt ist nur ein Stock. Ein Drehpunkt ohne Hebel ist nur ein Türstopper. Fügt man beides zusammen, erhält man eine einfache Maschine. Ebenso ist ein Sensor oder Mikrocontroller ohne Verstärker nur eine Spielerei. Beide müssen zusammenarbeiten, um die Energieversorgung eines Ozeanlanders effektiv zu gewährleisten.

Batterien

Batterien versorgen Schaltkreise in autonomen Fahrzeugen mit Strom. Unterschiedliche Batterietypen weisen spezifische Probleme mit Selbstentladung und Kapazitätsverlust durch niedrige Temperaturen auf (siehe Lander Lab #10, Marine Technology Reporter, März/April 2024). Die Bordschaltungen benötigen unter Umständen unterschiedliche Spannungen. Kritische Funktionsschaltungen, wie beispielsweise die Auslösevorrichtung, sollten von einem separaten Akku versorgt werden, der nicht mit anderen Komponenten geteilt werden darf, die ihn versehentlich entladen könnten.

Das Laden der Batterien kann auf verschiedene Arten erfolgen, darunter: 1) Öffnen des Gehäuses und Laden, 2) Laden über die Endkappe oder 3) externe Batterien, die mit Hilfe eines Unterwassersteckers oder einer induktiven Verbindung ausgetauscht werden.

Das Laden über die Endkappe ist mit einem 4-poligen Stecker problemlos möglich. Ich lege üblicherweise Pin 1 als Batteriemasse (GND) fest, da die Farbkennzeichnung des ersten Drahtes (Nr. 1) in der Branche schwarz ist. Die weiteren Pinbelegungen ergeben sich daraus: Pin 1: Batteriemasse (GND), Pin 2: Batteriepol (POS), Pin 3: Systemmasse (GND), Pin 4: Systempol (POS). Mit nur Pin 1 und Pin 2 verbindet ein passender Stecker ein Ladegerät direkt mit der Batterie. Während des Ladevorgangs ist die Batterie vom Stromkreis getrennt. Laden Sie die Batterie wie gewohnt. Nach dem Ladevorgang wird die Batterie mit einem Kurzschlussstecker wieder an das System angeschlossen. Ein Kurzschlussstecker sieht aus wie ein Blindstecker, hat aber im Inneren verbundene Pins: Pin 1 mit Pin 3, Pin 2 mit Pin 4. Einige Ladegeräte verfügen über einen Temperatursensor, der den Ladevorgang reduziert, wenn die Batterietemperatur aufgrund des mit zunehmendem Alter steigenden Innenwiderstands zu hoch wird. Dies ist weiterhin über die Endkappe möglich, erfordert jedoch zwei zusätzliche Pins (Pin 5 und Pin 6), um den Thermistor im Akku mit der Ladeelektronik zu verbinden. Ich habe vier verschiedene Akkus mit separaten Ladegeräten über einen 8-poligen Stecker geladen. Wie bei einem Netzstecker verwendete ich Buchsenkontakte, um die Akkus direkt anzuschließen. Ein Überbrückungskabel führte den Strom über einen weiteren 8-poligen Stecker, diesmal mit Stiftkontakten, zurück in die Kugel. Das Überbrückungskabel war im Prinzip ein Verlängerungskabel mit Stiftkontakten an einem Ende und Buchsen am anderen.

Wenn die Ausgasung der Batterie ein berechtigtes Anliegen ist, kann ein Druckbegrenzungsventil (PRV, z. B. von Prevco oder Deepsea) installiert werden, oder der Entlüftungsanschluss kann während des Ladevorgangs geöffnet werden (achten Sie darauf, die druckfeste Kappe wieder anzubringen!), oder Endkappenbefestigungen wie z. B. Schrauben können entfernt werden.

Wenn das System schnell wieder einsatzbereit sein muss, sind externe Akkus eine praktische Lösung. Das System wird geborgen, die leeren Akkus werden entnommen, ein voll geladener zweiter Satz Akkus eingesetzt und das System wird erneut in Betrieb genommen. Der erste Satz Akkus wird anschließend wieder an das Ladegerät angeschlossen.

Spannungsumwandlung

Im Inneren des unbemannten Ozeanlanders können verschiedene Gleichspannungen verwendet werden, beispielsweise 3,3 V, 5 V, 10 V, 12 V, 21 V oder höhere. Die Entladekurven der Batterien verlaufen nie gleichmäßig, wobei einige besser als andere sind.

Mehrere Spannungsregler können verwendet werden, um verschiedenen Stromkreisen unterschiedliche Spannungen und konstante Leistungspegel bereitzustellen.

Mehrere Schaltregler können parallel an eine einzelne Batterie angeschlossen werden, sofern die Batterie groß genug ist, um den gesamten Strombedarf zu decken. Optokoppler können verwendet werden, um die einzelnen Schaltkreise vom Mikrocontroller zu trennen.

Spannungsregler (DC-DC-Wandler)

Es gibt zwei Arten von Spannungsreglern: 1) Lineare oder analoge Regler und 2) Schaltregler.

Da die Stromversorgung auf Batterien beschränkt ist, hat Effizienz oberste Priorität. Lineare oder analoge Regler erreichen Wirkungsgrade von etwa 40 % und scheiden daher aus. Schaltregler hingegen erzielen üblicherweise Wirkungsgrade zwischen 85 und 95 % und bieten gleichzeitig eine höhere Ausgangsstromstärke.

Es gibt drei Arten von Schaltreglern: Aufwärts-, Abwärts- und kombinierte Aufwärts-Abwärts-Regler. Ein Aufwärtsregler kann eine Spannung erhöhen, ein Abwärtsregler kann eine Spannung verringern, und ein kombinierter Aufwärts-Abwärts-Regler kann beides.

Die Einfachheit des Abwärtswandlers macht ihn effizienter als einen Aufwärtswandler. Wenn man also versucht, jedes Elektron zur Arbeit zu nutzen, ist es sinnvoll, eine höhere Spannung auf eine niedrigere herunterzutransformieren.

Abbildung 2. Der Addicore LM2596 Abwärtswandler (DC/DC-Schaltwandler) kann eine 3-A-Last mit einem Wirkungsgrad von 90 % ansteuern und zeichnet sich durch hervorragende Netz- und Lastregelung, thermische Abschaltung und Strombegrenzung aus. Der LM2596 verfügt über einen adressierbaren minimalen Standby-Stromverbrauch von 80 µA. (Preis: 2,48 $) Foto: Addicore

Der Ruhestrom im Teillast- oder Standby-Modus ist ein wichtiger Faktor, wenn Effizienz im Vordergrund steht. Die Stromversorgung eines Spannungsreglers kann auch zeitgesteuert über einen mikrocontrollergesteuerten MOSFET erfolgen.

Mikrocontroller

Ein Mikrocontroller ist ein programmierbarer Computer auf einem Chip, der die intelligente Steuerung eines Systems ermöglicht. Mikrocontroller sind klein und energieeffizient. Beispiele hierfür sind Arduino, Raspberry Pi, ESP32 und andere. Die Leistungsabgabe ist begrenzt. Ein Arduino-I/O-Pin kann maximal 5 V bei 20 mA ausgeben. Das Magazin „Make“ veröffentlicht jährlich einen Boards Guide, der Dutzende neuer Mikrocontroller und Einplatinencomputer beschreibt.

MOSFET

MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Ein MOSFET besitzt drei Anschlüsse: Gate, Drain und Source. MOSFETs werden aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Ströme mit geringen Gate-Spannungen zu steuern, ihrer Effizienz und ihrer kompakten Bauform geschätzt. Einige MOSFETs, wie beispielsweise der IRL540 (Preis: 0,77 $), lassen sich mit einer 5-V-Gate-Spannung (Vgs) vollständig einschalten. Amazon bietet ein Set mit Logikpegel-MOSFETs für 19 $ an. (Suchbegriff bei Amazon: „EEEEE 70 Stück Logikpegel-MOSFETs“.)

Ein kleines elektrisches Signal kann LEDs für die Bildgebung oder einen Motor in einer Pumpe einschalten. Interessante Bauteile, über die man Bescheid wissen sollte. Geben Sie bei Google „MOSFET auswählen“ ein, um viele hilfreiche Links, darunter auch Videos, zu finden. Ein praktisches Arbeitsblatt zur Bauteilauswahl finden Sie unter https://www.addohms.com/mosfet-guide/ .

Schaltplan eines MOSFETs und ein 3-poliges Bauteil im TO-220-Gehäuse. (Foto: Hong Kong Olukey Industry)

SCR

SCR steht für Silizium-gesteuerter Gleichrichter. Dieses Bauteil mit drei Anschlüssen (Anode, Kathode, Gate), das normalerweise zur Gleichrichtung von Wechselstromsignalen verwendet wird, hat in einem Gleichstromkreis die interessante Eigenschaft, sich wie ein bistabiles Relais zu verhalten. Betrachten wir den SCR NTE5455 (Kosten: 0,80 $). Wird ein 1,5-V-Impuls an das Gate angelegt, fließt Strom von der Anode zur Kathode und fließt auch nach dem Abschalten der Gate-Spannung weiter. Der Strom fließt so lange, bis er unter einen bestimmten Wert, den sogenannten Haltestrom, fällt. Dann schaltet sich der Strom ab. Ein einfacher, aber zuverlässiger Zeitgeber ist ein kleiner Labortimer, der ein 1,5-V-Signal an einen piezoelektrischen Signalgeber ausgibt. Schließt man das Signal für den Signalgeber stattdessen an das Gate des NTE5455 an, startet man eine 10-V-Gleichstromquelle, die einen Draht korrodiert.

Sequenzer

Das Einschalten mehrerer paralleler Schaltungen kann aufgrund der hohen Einschaltströme eine Herausforderung darstellen. Der TI LM3880 Simple Power Supply Sequencer steuert die Ein- und Ausschaltsequenz von drei unabhängigen Spannungsschienen. Durch die gestaffelte Startsequenz werden die kurzzeitigen Batterielasten reduziert. Das robuste Bauteil ist für Automobilanwendungen qualifiziert und zeichnet sich durch einen niedrigen Ruhestrom von 25 μA aus.

Abbildung 4. Schaltplan des 6-poligen TI LM3880 Simple Power Supply Sequencers. (Foto: Texas Instruments). (Kosten: 1,02 $)

Wandler und Sensoren

Die Begriffe „Sensoren“ und „Wandler“ werden manchmal synonym verwendet, obwohl es feine Unterschiede gibt.

Sensoren können erforderlich sein, um vom Mikrocontroller oder einer dedizierten Schaltung Aktionen auszulösen.

Es gibt nur zwei Arten von Wandlern. Aktive Wandler erzeugen eine Spannung als Reaktion auf eine Parameteränderung. Dazu gehören Thermoelemente, Photovoltaik- und piezoelektrische Wandler. Passive Wandler erzeugen eine Änderung des Widerstands (Potentiometer, Dehnungsmessstreifen, Thermistoren, Reed-Schalter), der Kapazität (Dehnungsmessstreifen) oder der Induktivität (Differenzialtransformator) als Reaktion auf eine Parameteränderung.

Ein Sensor erfasst eine bestimmte physikalische, chemische oder biologische Größe und wandelt den Messwert in ein elektrisches Signal um. Sensoren benötigen einen Verstärker, da ihre Leistung auf Signalpegel, oft unter 1 W, begrenzt ist. Sie können selbst keine hohen Leistungen übertragen. Zur Leistungssteuerung wird ein Sensor verwendet, um eine Verstärkerschaltung anzusteuern: beispielsweise ein Relais, einen Transistor, einen Optokoppler oder einen MOSFET.

Reed-Schalter

Einer der Pioniere: Der Reed-Schalter ist ein magnetisch betätigter Schalter. Er öffnet oder schließt sich je nach Vorhandensein oder Fehlen eines Magnetfelds. Da er nur geringe Ströme leiten kann, sollte man ihn eher als Magnetsensor denn als Schalter betrachten. Reed-Schalter sind üblicherweise als SPST- und SPDT-Schalter erhältlich und in verschiedenen Größen verfügbar. Kleinere Einheiten reagieren empfindlicher auf Magnetfelder, können aber die geringste Leistung übertragen. Im Vergleich zu Halbleiterbauelementen weisen Reed-Schalter geringe Leckströme und einen niedrigen Widerstand auf. Die Reed-Kontakte sind hermetisch in einem röhrenförmigen Glasgehäuse eingeschlossen, das bei zunehmender Einwirkung von Magnetfeldern implodieren würde. Daher muss ein Reed-Schalter in einem nichtmagnetischen Gehäuse, beispielsweise aus Kunststoff, Aluminium oder Titan, untergebracht werden. Für Anwendungen mit mittlerer Tiefe kann er in hartem Epoxidharz vergossen werden. Ein kreisförmiger Ring aus Reed-Schaltern kann gleichzeitig durch einen einzelnen, in der Mitte befindlichen Magneten betätigt werden. Schalten unter Volllast (bei maximaler Leistung) kann das Bauteil beschädigen. Beim Öffnen oder Schließen des Schalters kann ein Lichtbogen die Kontakte verbrennen oder verschweißen. Wenn die Kontaktbeschichtung beschädigt ist, steigt der Widerstand schließlich so weit an, dass der Reed-Schalter nicht mehr funktioniert.

Abbildung 5. Reed-Schalter sind in verschiedenen Größen und Gehäuseformen erhältlich, von klein bis groß, mit unterschiedlichen Nennleistungen für Leistung, Schaltspannung und Stromstärke. Eine optimierte Konstruktion nutzt diese zur Ansteuerung eines MOSFETs, um die tatsächliche Leistung zu bewältigen. Foto: Littelfuse

Hall-Effekt-Sensor

Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein weiterer magnetisch betätigter Schalter. Er erzeugt ein schwaches Signal und benötigt daher eine Verstärkung. Sein Ausgangssignal wird durch das Vorhandensein oder Fehlen eines Magnetfelds gesteuert. Wie ein Reed-Schalter kann auch ein Hall-Effekt-Sensor in einem nichtmagnetischen Gehäuse, beispielsweise aus Kunststoff, Aluminium oder Titan, betrieben werden.

Da der Hall-Effekt-Sensor ein Halbleiterbauelement ist, ist er unempfindlich gegenüber Bruch und mechanischem Verschleiß und zudem druckbeständig. Ein Hall-Effekt-Sensor kann vergossen und in einer Hochdruckwasserumgebung betrieben werden.

Hall-Effekt-Sensoren reagieren empfindlich auf höhere Temperaturen, die jedoch im Allgemeinen nicht in dem Bereich liegen, dem die meisten Ozeanlander ausgesetzt sind. Varianten für höhere Temperaturen sind erhältlich.

Hall-Effekt-Sensoren gibt es in zwei Ausführungen: unipolar und bipolar. Jede hat einzigartige, nützliche Eigenschaften.

Unipolare Hall-Effekt-Sensoren funktionieren wie ein SPST-Schalter. Der unipolare Hall-Effekt-Schalter ist normalerweise geschlossen. Das Bauteil kann so eingestellt werden, dass es entweder auf ein Nord- oder ein Südpol-Magnetfeld reagiert. Die Exposition des Bauteils gegenüber der entgegengesetzten magnetischen Polarität hat keinen Einfluss auf den Ausgangszustand. (Referenz: Melexis US5881, Kosten: 0,60 $)

Bipolare Hall-Effekt-Sensoren funktionieren wie ein bistabiles Relais. Sie können so eingestellt werden, dass sie bei einem Magnetfeld mit Nord- oder Südpol geöffnet bleiben. Das entgegengesetzte Magnetfeld hält den bipolaren Hall-Effekt-Schalter geschlossen. (Referenz: Melexis US2882, Kosten: 0,63 $)

Abbildung 6. Ein bipolarer Hall-Effekt-Schalter verhält sich wie ein bistabiles Relais. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Melexis)

Mikroschalter, Momentan Ein-Aus

Ein Mikroschalter ist ein miniaturisiertes mechanisches Bauteil. Der kurzzeitige Ein-/Ausschalter vom Typ Drucktaster kann zur Bestimmung der Endlagen von Komponenten, beispielsweise eines Kolbens in einer Bohrung, verwendet werden. Je kleiner der Schalter, desto geringer ist die Last, die er betätigen kann.

Zu den weiteren Sensoren gehören Licht, Temperatur, Salzgehalt und Vibration.

Experimentierwerkstatt

Wer mit den hier besprochenen Bauteilen experimentieren möchte, sollte sich die Komponenten und Bausätze von Anbietern wie SparkFun.com, Adafruit.com, Makershed.com und Addicore.com ansehen. Manche kosten weniger als ein oder zwei Dollar. Übung macht den Meister – oder gibt zumindest Raum für eigene Ideen.

Zukünftige Entwicklungen

Für maritime Anwendungen werden neue drucktolerante und druckgeschützte Batterietechnologien entwickelt. Weltweit erforschen, charakterisieren und entwickeln Sensortechniker zudem neue Sensoren, um die Meeresumwelt in ein digitales Äquivalent für wissenschaftliche Untersuchungen, Maschinensteuerung und staatliche Überwachung zu übersetzen.

Einladung an die Leser

Möchten Sie Ihre Erkenntnisse zu diesem Thema teilen? Wir werden einige der besten Antworten auf die unten stehenden Fragen veröffentlichen.

• Kann ein Operationsverstärker als Verstärker für einen Sensor verwendet werden? Gibt es Vorteile? Erläutern Sie.
• Kann ein Optokoppler als Verstärker für einen Sensor verwendet werden? Gibt es Vorteile? Erläutern Sie.
• Kann ein Beschleunigungsmesser verwendet werden, um innerhalb der Kommando-/Kontrollsphäre anzuzeigen, wann ein Ozeanlander den Meeresboden erreicht hat? Erläutern Sie.

Zitate

„Grundlagen von Transducern“, RH Warring und Stan Gibilisco, ( ISBN 0-8306-1693-4)

„Praktische Elektronik für Erfinder“, Paul Scherz, Simon Monk, (ISBN 978-0-07-177133-7)

„Die Kunst der Elektronik“, Horowitz und Hill, (ISBN 978-0-52-137095-0)

„Lander Lab“ ist eine praxisorientierte Kolumne über Technologien und Strategien für Meereslander, eine einzigartige Klasse unbemannter Unterwasserfahrzeuge, und die Menschen, die sie entwickeln. Sie soll der globalen Gemeinschaft der Meereslander dienen, ähnlich wie das Make Magazine und andere DIY-Communities.

Kommentare zu diesem Artikel oder Vorschläge für Geschichten, die für andere Lander-Begeisterte von Interesse sein könnten, sind willkommen. Teams von Meereslandern werden ermutigt, über ihre Arbeit zu berichten. Bitte wenden Sie sich an Kevin Hardy <[email protected]>.