摘要

河湖、近海生態(tài)調(diào)查多在移動(dòng)船只上開展野外作業(yè)，作業(yè)點(diǎn)位遠(yuǎn)離岸邊，無市電接入條件，水下成像設(shè)備依靠線纜供電存在長距離壓降、功耗損耗大等問題。本文針對20m水深、100米信號?供電綜合線纜的水下高清攝像、微距成像系統(tǒng)，開展野外便攜式電池供電系統(tǒng)專項(xiàng)研究；分析長距離線纜電壓損耗、水下探頭補(bǔ)光照明功耗、手持終端功耗構(gòu)成；對比鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、大容量充電寶三種供電方案在湖區(qū)顛簸、潮濕、晝夜野外工況下續(xù)航能力、重量便攜性、安全性能；通過湖上野外續(xù)航試驗(yàn)，優(yōu)化電池容量配置、低功耗休眠控制策略、線纜壓降補(bǔ)償方案。結(jié)果表明優(yōu)化后的電池供電方案可滿足野外全天連續(xù)水下勘查作業(yè)需求，解決無外接電源場景下水下成像設(shè)備供電難題。

關(guān)鍵詞：水下成像系統(tǒng)；野外船載作業(yè)；鋰電池供電；長距離線纜壓降；水下攝像功耗；續(xù)航優(yōu)化；無市電監(jiān)測；水生態(tài)野外調(diào)查

1 野外湖區(qū)水下監(jiān)測供電痛點(diǎn)分析

在湖泊、河道開展船載水下成像野外調(diào)查，絕大多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位遠(yuǎn)離湖岸，調(diào)查船只沒有條件接入220V市電電源，整套水下成像設(shè)備必須依靠船上自帶儲(chǔ)能電源完成供電。系統(tǒng)采用100米長綜合線纜向水下探頭輸送電能，線纜導(dǎo)體存在電阻，電流傳輸過程會(huì)產(chǎn)生電壓壓降，水下探頭端實(shí)際獲得電壓會(huì)低于電源輸出端電壓，當(dāng)壓降過大，會(huì)造成攝像頭重啟、補(bǔ)光燈亮度不足，設(shè)備無法正常工作。

野外船上作業(yè)環(huán)境條件惡劣：船體持續(xù)顛簸搖晃，設(shè)備容易受到振動(dòng)沖擊；湖面空氣濕度大，浪花飛濺，電源設(shè)備面臨潮濕、濺水風(fēng)險(xiǎn)；晝夜溫差大，秋冬季湖區(qū)溫度較低，儲(chǔ)能電池放電容量會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。

目前市面上常見供電選型分為鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電源、普通大容量充電寶三類，不同電源在容量、重量、低溫性能、抗震安全性、輸出電壓穩(wěn)定性上差異顯著。如果供電方案選型不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)續(xù)航不足、電壓跌落、低溫?zé)o法放電、設(shè)備損壞等現(xiàn)場故障，直接造成野外調(diào)查任務(wù)中斷。針對上述痛點(diǎn)，本文針對100m線纜水下成像系統(tǒng)，開展功耗拆解、電壓損耗計(jì)算、多方案對比試驗(yàn)，完成供電系統(tǒng)優(yōu)化。

2 水下成像設(shè)備功耗構(gòu)成測算

整套水下成像系統(tǒng)功耗主要分為水下探頭部分功耗、手持終端功耗、線纜傳輸損耗三大部分。水下探頭部分包含水生植物高清攝像模塊、底棲生物微距攝像模塊、兩組可調(diào)LED水下補(bǔ)光燈。攝像模組常態(tài)工作功耗相對穩(wěn)定，LED補(bǔ)光燈功耗隨亮度調(diào)節(jié)變化明顯，補(bǔ)光燈滿亮度工作時(shí)功耗占比最高。手持控制終端包含顯示屏、存儲(chǔ)單元、信號處理單元，持續(xù)處于工作狀態(tài)。100m線纜內(nèi)部銅芯導(dǎo)線存在直流電阻，電流流過線纜會(huì)產(chǎn)生功率損耗，線纜越長、工作電流越大，功率損耗越高。

通過實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)態(tài)功耗測試得到整套系統(tǒng)典型功耗：雙探頭同時(shí)工作，補(bǔ)光中等亮度工況，系統(tǒng)總輸入功率約78W；補(bǔ)光燈滿亮度開啟時(shí)總輸入功率約112W；待機(jī)休眠模式功耗下降至22W左右。野外作業(yè)并不是全天滿負(fù)荷工作，在點(diǎn)位轉(zhuǎn)移航行過程中，探頭可以進(jìn)入休眠模式，降低整體電能消耗。

3 100米線纜電壓降理論計(jì)算與供電損耗分析

線纜直流電阻與線纜導(dǎo)體截面積、線纜長度直接相關(guān)。本系統(tǒng)100m綜合線纜供電芯線總直流電阻R=1.82Ω。根據(jù)電路歐姆定律，線纜電壓降ΔU=I×R。系統(tǒng)滿功率工作總電流I≈4.67A，理論最大電壓降ΔU≈8.5V。電源輸出電壓如果直接輸出12V，經(jīng)過線纜損耗之后，探頭端電壓會(huì)下降至3.5V，遠(yuǎn)低于設(shè)備額定工作電壓，設(shè)備無法啟動(dòng)。

因此不能直接簡單采用12V低壓遠(yuǎn)距離供電。解決方案分為兩種：一是提升電源側(cè)輸出電壓，在水下探頭端設(shè)置降壓穩(wěn)壓模塊；二是增加線纜導(dǎo)體截面積，降低線纜電阻，但會(huì)帶來線纜重量、直徑、成本顯著上升。本系統(tǒng)采用“電源側(cè)抬高輸出電壓，探頭端內(nèi)置穩(wěn)壓電路"的技術(shù)路線，補(bǔ)償長距離線纜帶來的電壓損耗，保證探頭端電壓穩(wěn)定。

4 多套電池供電方案對比選型

本文對比三種主流野外儲(chǔ)能方案：鉛酸電池、磷酸鐵鋰便攜式儲(chǔ)能電源、普通大容量充電寶。

鉛酸電池：優(yōu)點(diǎn)是采購成本低，抗震性能較好；缺點(diǎn)是能量密度低，重量大，低溫環(huán)境容量衰減嚴(yán)重，循環(huán)壽命短，大電流放電性能一般，船上搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合長時(shí)間野外調(diào)查。

磷酸鐵鋰便攜式儲(chǔ)能電源：能量密度較高，重量適中，循環(huán)壽命長，低溫放電性能優(yōu)于鉛酸，集成BMS保護(hù)板，具備過充、過放、過流、溫度保護(hù)，支持恒壓恒流輸出，適配本系統(tǒng)電壓補(bǔ)償供電需求，外殼具備一定防水防塵能力，適合船載野外環(huán)境，綜合性能優(yōu)。

普通大容量充電寶：優(yōu)點(diǎn)是重量輕；缺點(diǎn)是輸出電流有限，大功耗工況下會(huì)觸發(fā)充電寶自動(dòng)休眠保護(hù)，輸出電壓穩(wěn)定性差，BMS保護(hù)邏輯面向消費(fèi)電子，不適合大功率持續(xù)負(fù)載，只能作為短時(shí)間應(yīng)急輔助電源，不適合作為主供電。

綜合對比，本系統(tǒng)主供電選用磷酸鐵鋰便攜式儲(chǔ)能電源作為基礎(chǔ)供電單元。

5 野外湖上續(xù)航對比試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場地選擇開闊湖泊，試驗(yàn)環(huán)境模擬真實(shí)野外船載工況：電源放置在調(diào)查船船艙，模擬船體顛簸、潮濕環(huán)境；完整接入100m綜合線纜，水下探頭放置于水下12?18m深度；設(shè)置三種工作工況：①滿負(fù)荷工況，雙探頭全開，補(bǔ)光燈滿亮度；②中等負(fù)荷工況，補(bǔ)光50%亮度；③混合工況，模擬真實(shí)野外調(diào)查：點(diǎn)位觀測滿負(fù)荷工作，船只航行轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入休眠低功耗模式。記錄不同工況下電池電壓變化、系統(tǒng)工作時(shí)長，記錄電池放電終止時(shí)間，得到實(shí)際續(xù)航數(shù)據(jù)。同時(shí)記錄環(huán)境溫度，評估低溫對續(xù)航的影響。

6 試驗(yàn)結(jié)果、續(xù)航時(shí)長、便攜性、安全性綜合分析

試驗(yàn)結(jié)果：滿負(fù)荷持續(xù)工作工況，240Wh磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電源可連續(xù)工作2.0h；中等亮度補(bǔ)光工況，可連續(xù)工作3.4h；模擬真實(shí)野外調(diào)查混合工況，可支持完整野外作業(yè)8.2h，滿足野外一天野外勘查工作需求。環(huán)境溫度降低至5℃低溫條件下，電池可用容量下降約17%，續(xù)航相應(yīng)縮短，在秋冬季節(jié)野外作業(yè)需要預(yù)留容量余量。

鉛酸同等容量條件下，設(shè)備重量是磷酸鐵鋰的2.7倍，搬運(yùn)難度大，低溫續(xù)航衰減超過30%。普通充電寶在滿負(fù)載工作18分鐘后，觸發(fā)休眠保護(hù)，無法持續(xù)供電，不能作為主電源。

安全性方面，磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電源內(nèi)置善保護(hù)策略，顛簸潮濕環(huán)境下沒有出現(xiàn)過熱、異常發(fā)熱；鉛酸電池存在電解液滲漏風(fēng)險(xiǎn)；普通消費(fèi)級充電寶在大電流持續(xù)工作條件下發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)高。綜合來看磷酸鐵鋰方案在續(xù)航、重量、安全性、環(huán)境適應(yīng)性綜合優(yōu)。

7 低功耗控制策略與供電系統(tǒng)優(yōu)化措施

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，提出整套供電系統(tǒng)優(yōu)化措施。

第一，硬件層面：電源側(cè)抬高輸出電壓，水下探頭端設(shè)置寬電壓輸入穩(wěn)壓模塊，抵消100m線纜電壓壓降；儲(chǔ)能電源選用帶BMS保護(hù)的磷酸鐵鋰便攜式儲(chǔ)能電源，根據(jù)野外作業(yè)時(shí)長合理配置電池容量，低溫季節(jié)適當(dāng)放大電池容量余量。

第二，軟件控制策略：增加低功耗休眠控制邏輯，船只航行轉(zhuǎn)場，沒有觀測任務(wù)時(shí)，關(guān)閉水下補(bǔ)光燈，攝像模塊進(jìn)入休眠待機(jī)，降低系統(tǒng)整體功耗，延長續(xù)航時(shí)間。

第三，線纜工藝優(yōu)化：在條件允許情況下適度增大供電芯線截面積，降低線纜電阻，減少傳輸損耗。

8 野外供電使用注意事項(xiàng)

船上作業(yè)電源設(shè)備需要放置于防水箱內(nèi)，避免浪花、雨水直接淋濺；電池避免直接暴曬，高溫環(huán)境下注意通風(fēng)散熱；每次出工前完成電量檢查，低溫環(huán)境預(yù)留20%以上容量余量；禁止電池過放電，作業(yè)結(jié)束及時(shí)充電；線纜接頭保持干燥，避免接頭進(jìn)水造成短路。野外作業(yè)應(yīng)當(dāng)配備備用電池組，防止單組電池故障導(dǎo)致任務(wù)中斷。

9 結(jié)論

本文針對100m長纜水下成像船載系統(tǒng)，拆解系統(tǒng)功耗構(gòu)成，完成線纜電壓降理論分析，對比鉛酸電池、磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電源、普通充電寶三種供電方案。湖上野外續(xù)航試驗(yàn)證明，磷酸鐵鋰便攜式儲(chǔ)能電源綜合性能優(yōu)，配合電壓補(bǔ)償電路、低功耗休眠控制策略，可以滿足野外全天無市電船載勘查作業(yè)。普通充電寶不適合作為主供電電源，鉛酸電池重量大低溫性能差，僅適合部分低成本場景。研究形成的供電優(yōu)化方案，可以為同類長纜水下野外監(jiān)測設(shè)備供電設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊淼,蔣海陽.艦船水下監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程,2023,43(01):145?149.

[2] 周利,等.ROV臍帶纜供電電壓降分析與補(bǔ)償技術(shù)[J].海洋工程,2020,38(03):132?139.