إدارة طاقة البطارية والتحكم بها

الشكل 1. يُستخدم جهاز الهيدروفون التابع لشبكة المحيطات الكندية وجهاز الهبوط الصوتي العميق التابع لجامعة دالهاوزي لرصد الفتحات الحرارية المائية. استخدم بريندان سميث، برفقة مشرف أطروحته للدكتوراه، البروفيسور ديفيد باركلي، أجهزة هيدروفون تشغلها شبكة المحيطات الكندية في المحيط الهادئ، ومرصد قاع البحر وعمود الماء الأوروبي متعدد التخصصات في المحيط الأطلسي، لرصد فتحتين حراريتين مائيتين في قاع البحر. الصورة: شبكة المحيطات الكندية

تُعدّ إدارة الطاقة الكهربائية المستمرة أحد التحديات الأساسية في تصميم مركبة هبوط بحرية ذاتية القيادة. ويمكننا الخوض في تفاصيل هذا الموضوع بشكل معمق. تهدف هذه المقالة إلى مشاركة بعض الأفكار ليأخذها القراء بعين الاعتبار.

نبدأ بفرضية أساسية. الرافعة بدون نقطة ارتكاز مجرد عصا. ونقطة الارتكاز بدون رافعة مجرد مانع للباب. بجمعهما معًا نحصل على آلة بسيطة. وبالمثل، فإن المستشعر أو المتحكم الدقيق بدون مضخم مجرد ابتكار. يجب أن يعمل كلاهما معًا لإدارة الطاقة بكفاءة في مركبة الهبوط في المحيط.

البطاريات

تُزوّد البطاريات الدوائر الكهربائية في المركبات ذاتية القيادة بالطاقة. وتختلف أنواع البطاريات في مشاكلها المتعلقة بالتفريغ الذاتي وفقدان السعة الناتج عن انخفاض درجة الحرارة. (انظر: مختبر لاندر، العدد ١٠، مجلة مارين تكنولوجي ريبورتر، مارس/أبريل ٢٠٢٤). وقد تتطلب الدوائر الكهربائية الموجودة على متن المركبة جهودًا كهربائية مختلفة. أما دوائر الوظائف الحيوية، مثل دائرة الإطلاق، فينبغي تزويدها بالطاقة من بطارية خاصة بها، لا تُستخدم مع أي مصدر طاقة آخر قد يؤدي إلى استنزافها دون قصد.

يمكن شحن البطاريات بإحدى الطرق العديدة، بما في ذلك: 1) فتح الغلاف والشحن، 2) الشحن من خلال الغطاء النهائي، أو 3) البطاريات الخارجية التي يتم استبدالها باستخدام موصل تحت الماء أو وصلة حثية.

يمكن شحن البطارية بسهولة عبر الغطاء الطرفي باستخدام موصل رباعي المنافذ. عادةً ما أُخصص الطرف 1 كأرضي (GND) للبطارية، لأن اللون الأسود هو اللون المعتمد في هذا النوع من الأسلاك. ومن ثم، تُخصص باقي الأطراف كالتالي: الطرف 1: أرضي البطارية، الطرف 2: موجب البطارية، الطرف 3: أرضي النظام، الطرف 4: موجب النظام. باستخدام الطرفين 1 و2 فقط، يقوم موصل مناسب بتوصيل شاحن البطارية مباشرةً بالبطارية. أثناء الشحن، تُفصل البطارية عن الدائرة الكهربائية التي تُغذيها. اشحنها كالمعتاد. بعد اكتمال الشحن، تُوصل البطارية بالنظام باستخدام قابس توصيل. يشبه قابس التوصيل قابسًا عاديًا، ولكنه يحتوي على أطراف موصلة داخل غلافه: الطرف 1 بالطرف 3، والطرف 2 بالطرف 4. تحتوي بعض الشواحن على مستشعر حراري يُقلل من سرعة الشحن إذا ارتفعت درجة حرارة البطارية بشكل كبير نتيجةً لزيادة المقاومة الداخلية مع مرور الوقت. لا يزال بالإمكان القيام بذلك عبر الغطاء الطرفي، لكنه يتطلب دبوسين إضافيين (الدبوس 5 والدبوس 6) لتوصيل الثرمستور داخل البطارية بدائرة التحكم في الشاحن. لقد شحنتُ أربع بطاريات مختلفة بشواحن منفصلة عبر موصل ثماني الدبابيس. وكما هو الحال في قابس الحائط، استخدمتُ موصلات مقبسية للتوصيل المباشر بالبطاريات. أعاد كابل توصيل الطاقة إلى الكرة عبر موصل ثماني الدبابيس آخر، مزود بدبابيس. كان كابل التوصيل في الأساس سلك تمديد، بدبابيس في أحد طرفيه ومقابس في الطرف الآخر.

إذا كان انبعاث الغازات من البطارية مصدر قلق مبرر، فيمكن تركيب صمام تخفيف الضغط (مثل صمامات Prevco أو Deepsea)، أو فتح منفذ التنفيس أثناء الشحن (تأكد من إعادة تركيب غطاء مقاومة الضغط!)، أو إزالة مثبتات الغطاء الطرفي، مثل البراغي.

إذا تطلّب النظام سرعةً في إعادة تشغيله، فإنّ حزم البطاريات الخارجية تُعدّ حلاً عملياً. يتمّ استعادة النظام، وإزالة البطاريات المستهلكة، وتركيب مجموعة ثانية مشحونة بالكامل، ثمّ إعادة نشره. بعد ذلك، تُعاد المجموعة الأولى إلى الشاحن.

تحويل الجهد

يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الفولتيات المستمرة داخل المركبة الهابطة غير المأهولة في المحيط، مثل 3.3 فولت، و5 فولت، و10 فولت، و12 فولت، و21 فولت، أو أعلى. ولا تكون منحنيات تفريغ البطارية ثابتة تمامًا، وإن كانت بعضها أفضل من غيرها.

يمكن استخدام منظمات جهد متعددة لتوفير جهود مختلفة ومستويات طاقة ثابتة لدوائر منفصلة.

يمكن توصيل عدة منظمات جهد تبديلية بالتوازي ببطارية واحدة، شريطة أن تكون سعة البطارية كافية لتوفير التيار المطلوب بالكامل. ويمكن استخدام العوازل الضوئية لعزل كل دائرة عن وحدة التحكم الدقيقة.

منظمات الجهد (محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر)

يوجد نوعان من منظمات الجهد: 1) الخطي أو التناظري، و 2) التبديل.

مع محدودية الطاقة المتاحة للبطاريات، تُعدّ الكفاءة أولوية قصوى. تتميز منظمات الجهد الخطية أو التناظرية بكفاءة تحويل تبلغ حوالي 40%، لذا فهي غير مناسبة. أما مع منظمات الجهد التبديلية، فتتراوح الكفاءة عادةً بين 85% و95%، مع توفير زيادة ملحوظة في تيار الخرج.

توجد ثلاثة أنواع من منظمات الجهد الكهربائي: منظمات رفع الجهد، ومنظمات خفض الجهد، ومنظمات رفع وخفض الجهد المدمجة. يستطيع منظم رفع الجهد رفع الجهد، بينما يستطيع منظم خفض الجهد خفض الجهد، أما منظم رفع وخفض الجهد المدمج فيقوم بالأمرين معًا.

إن بساطة تصميم محول الجهد المنخفض تجعله أكثر كفاءة من محول الجهد المرتفع، لذلك عندما نحاول استخدام كل إلكترون، فإن خفض الجهد العالي إلى جهد منخفض أمر منطقي.

الشكل 2. محول الجهد الخافض القابل للتعديل من نوع DC-DC من Addicore LM2596 قادر على تشغيل حمل 3 أمبير بكفاءة 90%، مع تنظيم ممتاز للجهد والحمل، وخاصية الإغلاق الحراري، وخاصية تحديد التيار. يتميز LN2596 بوضع الاستعداد منخفض الطاقة بحد أدنى قابل للعنونة يبلغ 80 ميكرو أمبير. (السعر: 2.48 دولار أمريكي) الصورة: Addicore

يُعدّ التيار الساكن أثناء الأحمال الخفيفة أو وضع الاستعداد عاملاً مهماً يجب مراعاته عندما تكون الكفاءة أولوية. كما يمكن تدوير الطاقة المُغذّية لمنظم الجهد وفقًا لجدول زمني باستخدام ترانزستور MOSFET يتم التحكم فيه بواسطة متحكم دقيق.

وحدة تحكم دقيقة

المتحكم الدقيق عبارة عن حاسوب قابل للبرمجة على شريحة إلكترونية، يوفر تحكمًا ذكيًا في النظام. يتميز بصغر حجمه وكفاءته في استهلاك الطاقة. من أمثلته أردوينو، وراسبيري باي، وإي إس بي 32، وغيرها. مع ذلك، فإن قدرة خرج الطاقة محدودة؛ إذ يمكن لمنفذ الإدخال/الإخراج في أردوينو إخراج 5 فولت بتيار أقصى 20 مللي أمبير. وتصدر مجلة "ميك" دليلًا سنويًا للوحات الإلكترونية، يصف عشرات المتحكمات الدقيقة الجديدة والحواسيب أحادية اللوحة.

MOSFET

MOSFET اختصار لـ Metal-Oxed-Semi-Conductor Field-Effect Transistor. يحتوي MOSFET على ثلاثة أطراف: البوابة، والمصرف، والمصدر. تُقدّر قيمة MOSFET لقدرته على التحكم في تيارات عالية باستخدام جهد بوابة منخفض، وكفاءته، وحجمه الصغير. يمكن تشغيل بعض MOSFETs بالكامل بجهد 5 فولت (Vgs)، مثل IRL540 (بسعر 0.77 دولار). يبيع موقع أمازون مجموعة تجريبية من MOSFETs بجهد منطقي مقابل 19 دولارًا. (ابحث في أمازون عن "EEEEEE 70 Pcs Logic Level MOSFET").

يمكن لإشارة كهربائية صغيرة تشغيل مصابيح LED للتصوير أو محرك في مضخة. إنها أجهزة رائعة تستحق المعرفة. ابحث في جوجل عن "كيفية اختيار MOSFET" لتجد العديد من الروابط المفيدة، بما في ذلك مقاطع الفيديو. يمكنك العثور على ورقة عمل مفيدة لاختيار المكونات على الرابط التالي: https://www.addohms.com/mosfet-guide/

مخطط دائرة MOSFET وجزء ذو 3 أطراف في غلاف TO-220. (صورة: شركة هونغ كونغ أولوكي للصناعات)

SCR

يشير اختصار SCR إلى مقوم السيليكون المتحكم به. وهو مكون آخر ذو ثلاثة أطراف (مصعد، مهبط، بوابة)، يُستخدم عادةً لتقويم إشارة التيار المتردد، ولكنه يتميز بخاصية مثيرة للاهتمام في دوائر التيار المستمر، حيث يعمل كمرحل تثبيت. لنأخذ مثالًا على ذلك مقوم السيليكون NTE5455 (بسعر 0.80 دولار). عند تطبيق نبضة جهد 1.5 فولت على البوابة، يبدأ التيار بالتدفق من المصعد إلى المهبط، ويستمر في التدفق حتى بعد إزالة جهد البوابة. يستمر التيار بالتدفق حتى ينخفض إلى ما دون مستوى معين، يُسمى تيار التثبيت، وعندها يتوقف. يُعد مؤقت العد التنازلي الصغير في المختبر، الذي يُخرج إشارة 1.5 فولت إلى جهاز تنبيه كهرضغطية، وسيلة بسيطة وموثوقة لتحرير الوقت. بدلاً من ذلك، قم بتوصيل إشارة جهاز التنبيه ببوابة مقوم السيليكون NTE5455 لتشغيل مصدر تيار مستمر 10 فولت لتآكل سلك التسخين.

جهاز التسلسل

قد يُمثل تشغيل دوائر متوازية متعددة تحديًا نظرًا لتيارات البدء العالية. يُعد مُسلسل إمداد الطاقة البسيط TI LM3880 جهازًا يتحكم في تسلسل تشغيل وإيقاف ثلاثة خطوط جهد مستقلة. ومن خلال تنظيم تسلسل بدء التشغيل، يتم التحكم في أحمال البطارية اللحظية. يتميز هذا الجزء المتين بكفاءته العالية في تطبيقات السيارات، كما يتميز بتيار سكون منخفض يبلغ 25 ميكرو أمبير.

الشكل 4. رسم تخطيطي لوحدة تسلسل تزويد الطاقة البسيطة TI LM3880 ذات الستة أطراف. (صورة: شركة تكساس إنسترومنتس). (السعر: 1.02 دولار أمريكي)

المحولات والمستشعرات

يتم استخدام مصطلحي "المستشعرات" و"المحولات" أحيانًا بشكل متبادل، على الرغم من وجود اختلافات دقيقة.

قد تكون هناك حاجة إلى أجهزة استشعار لبدء العمل بواسطة وحدة التحكم الدقيقة أو الدائرة المخصصة.

يوجد نوعان فقط من المحولات. المحولات النشطة تُنتج جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير في أحد المتغيرات، وتشمل المزدوجات الحرارية، والخلايا الكهروضوئية، والمحولات الكهروإجهادية. أما المحولات السلبية فتُنتج تغيرًا في المقاومة (مثل مقياس الجهد، ومقياس الإجهاد، والمقاومات الحرارية، ومفتاح القصب)، أو السعة (مثل المقاييس)، أو الحث (مثل المحول التفاضلي) استجابةً لتغير في أحد المتغيرات.

يستشعر المستشعر كمية فيزيائية أو كيميائية أو بيولوجية محددة، ويحول القيمة التي يستقبلها إلى إشارة كهربائية. يحتاج المستشعر إلى مُضخِّم طاقة لأنه محدود بقدرة إشارة معينة، غالبًا ما تكون أقل من 1 واط. لا يستطيع المستشعر تمرير طاقة كبيرة بنفسه. لإدارة الطاقة، يُستخدم المستشعر للتحكم في دائرة مُضخِّم الطاقة: مرحل، أو ترانزستور، أو مُقترن ضوئي، أو ترانزستور MOSFET.

مفتاح ريد

أحد المكونات الأصلية: مفتاح القصب هو مفتاح يعمل بالمجال المغناطيسي. يفتح أو يغلق تبعًا لوجود أو غياب المجال المغناطيسي. ولأنه لا يتحمل تيارات عالية، فمن المهم اعتباره مستشعرًا مغناطيسيًا أكثر من كونه مفتاحًا. يتوفر عادةً بنوعين: أحادي القطب أحادي الرمية (SPST) وأحادي القطب ثنائي الرمية (SPDT). ويأتي بأحجام متنوعة. الوحدات الأصغر حجمًا أكثر حساسية للمجالات المغناطيسية، لكنها تحمل أقل قدر من الطاقة. تتميز مفاتيح القصب بتيارات تسريب منخفضة مقارنةً بأجهزة الحالة الصلبة، كما أنها ذات مقاومة منخفضة. تُغلق القصبات بإحكام داخل غلاف زجاجي أنبوبي، والذي سينفجر عند تعرضه المباشر لأعماق متزايدة. لذلك، يجب وضع مفتاح القصب داخل غلاف غير حديدي، مثل البلاستيك أو الألومنيوم أو التيتانيوم. ويمكن تغليفه بمادة إيبوكسية صلبة للتطبيقات متوسطة العمق. يمكن تشغيل حلقة دائرية من مفاتيح القصب في وقت واحد بواسطة مغناطيس واحد موجود في المركز. قد يؤدي التشغيل أثناء التشغيل بأقصى طاقة إلى تلف المفتاح. عند فتح أو إغلاق المفتاح، قد يتسبب قوس كهربائي في احتراق أو لحام نقاط التلامس. ومع تلف طبقة التلامس، سترتفع المقاومة تدريجيًا حتى يتوقف مفتاح القصب عن العمل.

الشكل 5. تأتي مفاتيح ريد بأحجام وأحجام متنوعة، من الصغيرة إلى الكبيرة، وبقدرات مختلفة من حيث الطاقة وجهد التشغيل والتيار. يستخدم التصميم الأمثل هذه المفاتيح للتحكم في ترانزستور MOSFET لتحمل الطاقة الفعلية. الصورة: ليتلفيوز

مستشعر تأثير هول

مستشعر تأثير هول هو نوع آخر من المفاتيح التي تعمل بالمجال المغناطيسي. ينتج هذا المستشعر إشارة منخفضة المستوى ويتطلب تضخيمًا. يتم التحكم في خرجه بوجود أو غياب مجال مغناطيسي. ومثل مفتاح القصب، يمكن تشغيل مستشعر تأثير هول داخل غلاف غير حديدي، مثل البلاستيك أو الألومنيوم أو التيتانيوم.

نظرًا لأن مستشعر تأثير هول جهاز ذو حالة صلبة، فهو غير عرضة للكسر أو التآكل الميكانيكي، كما أنه يتحمل الضغط. ويمكن تغليف مستشعر تأثير هول وتشغيله في بيئة مائية ذات ضغط عالٍ.

تستشعر مستشعرات تأثير هول درجات الحرارة المرتفعة، ولكنها عمومًا ليست ضمن النطاق الذي ستراه معظم المركبات الهابطة في المحيط. وتتوفر منها أنواع تتحمل درجات حرارة أعلى.

تأتي مستشعرات تأثير هول بنوعين: أحادي القطب وثنائي القطب. ولكل منهما خصائص مفيدة فريدة.

تعمل مستشعرات تأثير هول أحادية القطب كمفتاح أحادي القطب أحادي الرمية (SPST). يكون مفتاح تأثير هول أحادي القطب مغلقًا في الوضع الطبيعي. يمكن ضبط حساسية هذا الجزء إما للمجال المغناطيسي الشمالي أو الجنوبي. لا يؤثر تعريض الجزء لقطبية مغناطيسية معاكسة على حالة الخرج. (المرجع: Melexis US5881، السعر: 0.60 دولار أمريكي)

تعمل مستشعرات تأثير هول ثنائية القطب كحلقة رنين. يمكن ضبطها لتبقى مفتوحة عند وجود مجال مغناطيسي شمالي أو جنوبي. أما المجال المغناطيسي المعاكس فيُبقي مفتاح تأثير هول ثنائي القطب مغلقًا. (المرجع: Melexis US2882، السعر: 0.63 دولار أمريكي)

الشكل 6. يعمل مفتاح تأثير هول ثنائي القطب كجهاز ترحيل مزود بقفل. (صورة مقدمة من شركة ميليكسيس)

مفتاح صغير، تشغيل/إيقاف لحظي

المفتاح الصغير هو جهاز ميكانيكي مصغر. يمكن استخدام زر الضغط اللحظي للتشغيل والإيقاف لتحديد حدود موضع المكونات، مثل المكبس في تجويف. كلما صغر حجم المفتاح، قلّ الحمل الذي يمكنه تحمله.

وتشمل أجهزة الاستشعار الأخرى الضوء ودرجة الحرارة والملوحة والاهتزاز.

ورشة عمل المجربين

للمهتمين بتجربة القطع المذكورة هنا، يمكنكم الاطلاع على بعض المكونات والمجموعات المتوفرة على مواقع مثل SparkFun.com وAdafruit.com وMakershed.com وAddicore.com، وغيرها. بعضها لا يتجاوز سعره دولارًا أو دولارين. الممارسة تُؤدي إلى الإتقان، أو على الأقل تُتيح مجالًا للتفكير.

التطورات المستقبلية

يجري تطوير تقنيات جديدة للبطاريات المقاومة للضغط والمحمية منه، وذلك لتطبيقات بحرية. وبالمثل، يعمل مهندسو أجهزة الاستشعار على مستوى العالم على دراسة وتوصيف وتطوير أجهزة استشعار جديدة لتحويل البيئة البحرية إلى بيانات رقمية لأغراض البحث العلمي، والتحكم الآلي، والرقابة الحكومية.

دعوة للقراء

هل ترغب بمشاركة أفكارك حول هذا الموضوع؟ سننشر بعضًا من أفضل الردود التي نتلقاها على الأسئلة أدناه.

• هل يمكن استخدام مكبر العمليات كمكبر لجهاز استشعار؟ هل هناك مزايا لذلك؟ اشرح.
• هل يمكن استخدام العازل الضوئي كمضخم لجهاز استشعار؟ هل هناك مزايا لذلك؟ اشرح.
• هل يمكن استخدام مقياس التسارع للإشارة، داخل مجال القيادة/التحكم، إلى متى وصلت مركبة الهبوط في المحيط إلى قاع البحر؟ اشرح.

الاقتباسات

"أساسيات محولات الطاقة،" آر إتش وارينج وستان جيبيليسكو، (ردمك 0-8306-1693-4)

"الإلكترونيات العملية للمخترعين"، بول شيرز، سيمون مونك، (ISBN 978-0-07-177133-7)

"فن الإلكترونيات"، هورويتز وهيل، (ISBN 978-0-52-137095-0)

"مختبر الهبوط" هو عمود عملي يُعنى بتقنيات واستراتيجيات مركبات الهبوط على المحيطات، وهي فئة فريدة من المركبات البحرية غير المأهولة، بالإضافة إلى الأشخاص الذين يصنعونها. ويهدف هذا العمود إلى خدمة مجتمع مركبات الهبوط على المحيطات العالمي على غرار مجلة "ميك" وغيرها من مجتمعات "اصنعها بنفسك".

نرحب بالتعليقات على هذه المقالة، أو باقتراحاتكم لقصص تهمّ أعضاء فريق الهبوط على سطح المحيط. كما نشجع فرق الهبوط على سطح المحيط على الكتابة إلينا حول أعمالهم. لا تترددوا في التواصل مع كيفن هاردي <[email protected]>.