バッテリー電源管理と制御

ケビン・ハーディ • 17 12月 2025

図1. オーシャン・ネットワークス・カナダのハイドロフォンとダルハウジー大学の深海音響着陸機は、熱水噴出孔の監視に使用されている。ブレンダン・スミス氏と彼の博士課程指導教官であるデイビッド・バークレー教授は、太平洋ではオーシャン・ネットワークス・カナダが、大西洋では欧州多元的海底水柱観測所が運用するハイドロフォンを用いて、海底の2つの噴出孔を監視した。写真：オーシャン・ネットワークス・カナダ

直流電源の管理は、自律型海洋着陸船の設計における基本的な課題の一つです。このテーマについては、かなり深く掘り下げることができます。この記事では、読者の皆様の考察のために、いくつかの考えを共有することを目的としています。

まず前提から始めましょう。支点のないレバーはただの棒です。レバーのない支点はただのドアストッパーです。この二つを組み合わせれば、単純な機械が出来上がります。同様に、アンプのないセンサーやマイクロコントローラーは単なる目新しいものです。海洋着陸船の電力を効率的に管理するには、この二つが連携して動作する必要があります。

電池

バッテリーは自律走行車の回路に電力を供給します。異なる化学組成のバッテリーには、自己放電や低温による容量低下といった独自の問題があります。（Lander Lab #10、Marine Technology Reporter、2024年3/4月号参照）。搭載回路には異なる電圧が必要になる場合があります。リリース装置などの重要な機能回路は、「神聖な」バッテリーパックから電力を供給し、誤って消耗させる可能性のあるものと共有しないでください。

バッテリーの充電は、1) ハウジングを開けて充電する、2) エンドキャップを介して充電する、3) 水中コネクタまたは誘導リンクを使用して交換される外部バッテリーなど、いくつかの方法のいずれかで行うことができます。

エンドキャップを介した充電は、4 ソケットコネクタで簡単に行うことができます。通常、ピン 1 をバッテリー GND として割り当てます。これは、#1 ワイヤの業界のカラーコードが黒であるためです。他のピンの割り当てはそこから決まります。ピン 1: バッテリー GND、ピン 2: バッテリー POS、ピン 3: システム GND、ピン 4: システム POS。ピン 1 と PIN 2 のみを使用して、嵌合コネクタでバッテリーチャージャーを直接バッテリーに接続します。充電中、バッテリーは電力を供給する回路から切断されます。通常どおり充電します。充電が完了したら、ショートプラグを使用してバッテリーをシステムに接続します。ショートプラグはダミープラグのように見えますが、オーバーモールド内でピン 1 からピン 3、ピン 2 からピン 4 が接続されています。一部の充電器には、バッテリーの経年劣化による内部抵抗の増加によりバッテリー温度が高くなりすぎると、充電を遅らせる温度センサーが付いています。エンドキャップを通して接続することも可能ですが、バッテリー内のサーミスタを充電器の制御回路に接続するために、2つの追加ピン（ピン5とピン6）が必要になります。私は8ピンコネクタを使って、4つの異なるバッテリーパックを別々の充電器で充電しました。壁のコンセントのように、コンセントの接点を使ってバッテリーに直接接続しました。ジャンパーケーブルを使って、ピン付きの別の8ピンコネクタを介して球体に電力を戻しました。ジャンパーケーブルは基本的に延長コードのようなもので、片側にピン、もう片側にソケットが付いています。

バッテリーからのガス放出が懸念される場合は、PRV (Prevco または Deepsea 製などの圧力逃し弁) を取り付けるか、充電中にパージポートを開く (耐圧キャップを必ず交換してください)、ボルトなどのエンドキャップの拘束具を取り外すなどの方法があります。

システムの迅速な地上ターンアラウンドが必要な場合、外部バッテリーパックは実用的なソリューションです。システムを回収し、使用済みのバッテリーを取り外し、完全に充電された2組目のバッテリーを取り付けて再展開します。その後、1組目のバッテリーを充電器に戻します。

電圧変換

無人海洋着陸船の内部では、3.3VDC、5VDC、10VDC、12VDC、21VDC、あるいはそれ以上の電圧が使用される場合があります。バッテリーの放電曲線は平坦ではありませんが、機種によって特性が異なります。

複数の電圧レギュレータを使用して、別々の回路に異なる電圧と一定の電力レベルを提供することができます。

バッテリーが総需要電流を供給できる十分な容量を持っている限り、複数のスイッチングレギュレータを1つのバッテリーに並列に接続できます。フォトカプラを使用して、各回路をマイクロコントローラから分離できます。

電圧レギュレータ（DC-DCコンバータ）

電圧レギュレータには、1) リニアまたはアナログと、2) スイッチングの 2 種類があります。

電源がバッテリーに限られているため、効率が最優先事項となります。リニアレギュレータやアナログレギュレータの変換効率は約40%なので、これらは適していません。スイッチングレギュレータでは、85～95%の効率が一般的であり、電流出力も向上します。

スイッチング電圧レギュレータには、昇圧型、降圧型、そして昇降圧型の3種類があります。昇圧型レギュレータは電圧を昇圧でき、降圧型レギュレータは電圧を降圧でき、昇降圧型レギュレータは両方の機能を備えています。

降圧設計はシンプルなため昇圧設計よりも効率的であり、すべての電子を活用しようとする場合、高い電圧を低い電圧に下げるのが合理的です。

図2. Addicore LM2596 降圧型可変DC-DCスイッチングバックコンバータは、3Aの負荷を90%の効率で駆動でき、優れたラインレギュレーションと負荷レギュレーション、サーマルシャットダウン、電流制限機能を備えています。LN2596は、最小80μAの低消費電力スタンバイモードを備えています。(価格: 2.48ドル) 写真: Addicore

効率を優先する場合、軽負荷時またはスタンバイモード時の静止電流を考慮することが重要です。電圧レギュレータへの電源供給は、マイクロコントローラ制御のMOSFETを使用してスケジュールに従って制御することもできます。

マイクロコントローラ

マイクロコントローラは、システムをインテリジェントに制御するチップ上のプログラム可能なコンピュータです。小型で電力効率に優れています。例としては、Arduino、Raspberry Pi、ESP32などが挙げられます。出力電力には制限があります。ArduinoのI/Oピンは最大5V @ 20mAを出力できます。Make Magazineは毎年、数十種類の新しいマイクロコントローラとシングルボードコンピュータを紹介するボードガイドを発行しています。

MOSFET

MOSFETは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの略です。MOSFETには、ゲート、ドレイン、ソースの3つの端子があります。MOSFETは、小さなゲート電圧で大電流を制御できること、効率、そして小型パッケージサイズが評価されています。IRL540（価格：0.77ドル）のように、5V（Vgs）のロジックレベルで完全にオンにできるMOSFETもあります。Amazonでは、ロジックレベルMOSFETのサンプルキットが19ドルで販売されています。（Amazonで「EEEEE 70個ロジックレベルMOSFET」と検索してください。）

小さな電気信号で、画像撮影用のLEDライトやポンプのモーターを点灯させることができます。知っておくと便利なデバイスです。Googleで「MOSFETの選び方」を検索すると、動画を含む多くの役立つリンクが見つかります。部品選定に役立つワークシートは、 https://www.addohms.com/mosfet-guide/でご覧いただけます。

TO-220パッケージのMOSFET回路図と3リード部品。（写真：香港オルキーインダストリー）

SCR

SCRはシリコン制御整流器の略です。通常はAC信号を整流するために使用されるもう1つの3端子部品（アノード、カソード、ゲート）は、DC回路ではラッチングリレーのように動作するという興味深い特性を持っています。NTE5455 SCR（価格0.80ドル）を考えてみましょう。ゲートに1.5Vのパルスが印加されると、アノードからカソードへ電流が流れ始め、ゲート電圧が除去されても流れ続けます。電流は、保持電流と呼ばれる特定のレベルを下回るまで流れ続け、その時点で電流はオフになります。シンプルでありながら信頼性の高いタイムリリースとして、1.5Vの信号を圧電ブザーに出力する小型のカウントダウンタイマーがあります。ブザーの信号をNTE5455のゲートに供給することで、10VDC電源を起動し、焼損したワイヤーを腐食させます。

シーケンサー

複数の並列回路への電源投入は、初期の突入電流の影響で困難になる場合があります。TI LM3880シンプル電源シーケンサは、3つの独立した電圧レールの電源投入および切断シーケンスを制御するデバイスです。起動シーケンスをずらすことで、瞬間的なバッテリー負荷を軽減します。この堅牢な製品は車載用途にも適しており、静止電流は25μAと低く抑えられています。

図4. 6ピンTI LM3880シンプル電源シーケンサの回路図。（写真：Texas Instruments）（価格：1.02ドル）

トランスデューサーとセンサー

「センサー」と「トランスデューサー」という用語は、微妙な違いはあるものの、互換的に使用されることがあります。

マイクロコントローラまたは専用回路によるアクションを開始するには、センサーが必要になる場合があります。

トランスデューサには2種類しかありません。アクティブトランスデューサは、パラメータの変化に応じて電圧を生成します。これには、熱電対、光起電力、圧電トランスデューサなどが含まれます。パッシブトランスデューサは、パラメータの変化に応じて、抵抗（ポテンショメータ、ひずみゲージ、サーミスタ、リードスイッチ）、静電容量（ゲージ）、またはインダクタンス（差動トランス）の変化を生成します。

センサーは特定の物理的、化学的、または生物学的な量を検知し、受信した値を電気信号に変換します。センサーは信号レベルの電力に制限があり、多くの場合1W未満であるため、増幅器が必要です。センサー自体では大きな電力を流すことができません。電力管理には、センサーを使用してリレー、トランジスタ、フォトカプラ、またはMOSFETなどの増幅器回路を制御します。

リードスイッチ

リードスイッチは、元祖の一つです。磁気で作動するスイッチです。磁界の有無に応じて開閉します。大きな電流を流せないため、リードスイッチはスイッチというよりも磁気センサーと考えることが重要です。リードスイッチは、一般的にSPSTとSPDTの2種類があります。様々なサイズがあります。小型のユニットは磁界に対する感度が高いですが、消費電力は最も低くなります。リードスイッチは、ソリッドステートデバイスに比べてリーク電流が少なく、抵抗も低いです。リードは管状のガラス容器内に密封されており、深度が深くなると直接接触して破裂します。そのため、リードスイッチはプラスチック、アルミニウム、チタンなどの非鉄金属ハウジング内に配置する必要があります。中程度の深度で使用する場合は、硬質エポキシ樹脂で封止することも可能です。リードスイッチの円形リングは、中央に配置された1つの磁石によって同時に作動させることができます。最大電力でのスイッチングであるホットスイッチングは、部品を損傷する可能性があります。スイッチが開閉する際に、電気アークが発生し、接点が焼損または溶着する可能性があります。接触メッキが損傷すると、最終的に抵抗が上昇し、リードスイッチが機能しなくなります。

図5. リードスイッチには、小型から大型まで、様々なサイズとパッケージがあり、電力、スイッチング電圧、電流定格も異なります。より優れた設計では、これらのリードスイッチを用いてMOSFETを制御し、実際の電力を処理できます。写真：リテルヒューズ

ホール効果センサー

ホール効果センサーは、磁気的に作動するスイッチの一種です。信号レベルが低いため、増幅が必要です。出力は磁場の有無によって制御されます。リードスイッチと同様に、ホール効果センサーはプラスチック、アルミニウム、チタンなどの非鉄金属ハウジング内で動作させることができます。

ホール効果センサーはソリッドステートデバイスであるため、破損や機械的摩耗の影響を受けにくく、耐圧性にも優れています。また、ポッティングにより高圧水環境でも動作させることができます。

ホール効果センサーは高温にも敏感ですが、一般的にはほとんどの海洋着陸船が観測できる温度範囲には入りません。より高温に対応するバージョンもご用意しております。

ホール効果センサーには、ユニポーラとバイポーラの2種類があり、それぞれ独自の有用な特性を持っています。

ユニポーラホール効果センサーはSPSTスイッチのように動作します。ユニポーラホール効果スイッチは通常閉状態です。この部品は、N極またはS極の磁場に反応するように選択できます。部品を反対の磁極にさらしても出力状態は影響を受けません。(参照：Melexis US5881、価格：0.60ドル)

バイポーラホール効果センサーはラッチングリレーのように動作します。N極またはS極の磁場で開状態にラッチするかを選択できます。反対の磁場では、バイポーラホール効果スイッチが閉状態にラッチされます。(参照: Melexis US2882、価格: 0.63ドル)

図6. バイポーラホール効果スイッチはラッチングリレーのように動作します。（写真提供：Melexis）

マイクロスイッチ、瞬間オン/オフ

マイクロスイッチは小型の機械装置です。瞬時的なオンオフ切り替えの押しボタン式は、ボア内のピストンなどの部品の位置制限を決定するために使用できます。スイッチが小型であるほど、処理できる負荷も小さくなります。

その他のセンサーには、光、温度、塩分、振動などがあります。

実験者ワークショップ

ここで紹介したパーツをいじってみたい方は、SparkFun.com、Adafruit.com、Makershed.com、Addicore.comなどが提供するコンポーネントやキットを検討してみてください。中には1ドルか2ドル以下で購入できるものもあります。練習すれば完璧になりますし、少なくとも考える余裕が生まれます。

今後の展開

海洋用途向けに、耐圧性と圧力保護性を備えた新たなバッテリー技術が開発されています。同様に、世界中でセンサーエンジニアが海洋環境をデジタル化し、科学調査、機械制御、そして政府の監視に役立てるための新たなセンサーの調査、特性評価、開発に取り組んでいます。

読者への招待

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