低損耗電池選擇轉換器的研制

王翠芳 李興泉 莊園旭 管 勇

（中國成都 610041 四川省地震局）

0 引言

四川省分布著金沙江、雅礱江、大渡河等8 大水系，8 大水系流域分布有169 個水庫地震臺站。這些臺站基本布設在高山峽谷中，人煙稀少，交流供電可能性不大，常常采用太陽能和蓄電池供電。太陽能發(fā)電的關鍵是需要較強日照。而水庫地震臺站所處區(qū)域冬、春兩季雨季較長，霧氣彌漫。盡管臺站建設時充分考慮了電源供給問題，比如衛(wèi)星傳輸臺站配置2 240 W 大容量太陽能板和1 900 A·h 蓄電池（王翠芳等，2014），無線傳輸臺站配置480 W 太陽能板和500 A·h 蓄電池，原則上可在連續(xù)21 天陰雨天氣條件下保障地震臺站正常運行，然而地處高山峽谷的臺站，常常連續(xù)幾個月雨霧天氣，日照稀少，難以保證達到電量需求。供電成為臺站運行中的突出問題。

水庫地震臺站的運行維護，可采取以下4 種方式解決臺站缺電問題：①與住戶較近的臺站，帶充電線纜去住戶家充電；②與住戶較遠的臺站，請人將蓄電池背到家中充電；③遠離居民區(qū)臺站，用發(fā)電機供電；④更換蓄電池。以上只是臨時解決辦法，費時費力，陰雨天氣較長時要多次往返臺站充電或換電池。鑒于此，提出用低損耗電池選擇轉換器來解決地震臺站缺電問題。下面詳細介紹低損耗電池選擇轉換器的研制方案、器件選型、4 種室內實驗、小店子地震臺站應用以及今后的推廣應用情況。

1 方案設計

以四川瓦屋山水庫地震臺網小店子臺站為例進行研究。該臺站距離號稱“雨城”的雅安市約30 km。當?shù)孛磕?0 月到次年4 月常陰雨連綿，霧氣濃密，日照稀少。該臺站位于茂密的人工森林中，缺電現(xiàn)象突出。采用低損耗電池選擇轉換器解決地震臺站缺電問題，流程見圖1。

圖1 用低損耗電池選擇轉換器解決地震臺站缺電問題Fig.1 Block diagram of selecting low-loss battery selection converter to solve power shortage problem of seismic station

（1）增加1 組蓄電池，變成2 組蓄電池供電（每組5 只，每只電池100 A·h），增加1 組太陽能電池板和1 臺太陽能充電控制器（圖1 中左邊虛線框）。圖1 中右邊黑色虛線框是臺站現(xiàn)有供電配置。

（2）增加研制的低損耗電池選擇轉換器（圖1 中下面的虛線框），讓2 組蓄電池自適應調換輸出，自適應充電。A 組電池給地震臺站供電時，B 組蓄電池充電；B 組蓄電池給地震臺站供電時，A 組蓄電池充電，可從根本上解決臺站缺電問題。

增加的1 組蓄電池、太陽能電池板和充電控制器可從市場采購，而低損耗電池選擇轉換器則需要自行研制。研制該設備選用大功率P 溝道MOS 管和PNP 雙三極管方案實現(xiàn)，不選用二極管，是因其自身壓降為0.7 V 或者更大，對缺電臺站來說損耗較大。而大功率P 溝道MOS 管損耗僅為幾mV，是最佳選擇。具體研制方案如圖2。

圖2 低損耗電池選擇轉換器Fig.2 Development of low-loss battery selector convertor

2 個二極管的作用是防止A、B 組蓄電池正負極接反，雙三極管③④的基極（b 極）連接在一起，保持相同的電壓值。電池選擇轉換器按照以下方式工作。

當A 組蓄電池電量＞B 組蓄電池電量時，④號三極管開通飽和，其發(fā)射極電壓值Vc較高，那么相應的 ①號MOS 管柵極電壓值較高，故 ①號MOS 管不開通。此時 ③號三極管的發(fā)射極電壓值Vc較低，且降低到地電位，相應的 ② 號MOS 管的柵極電壓值較低，則 ② 號MOS 管開通，故A 組蓄電池給臺站供電，B 組蓄電池充電。

當A 組蓄電池電量＜B 組蓄電池電量時，③號三極管開通飽和，其發(fā)射極電壓值Vc較高，那么相應的 ② 號MOS 管柵極電壓較高，故 ② 號MOS 管不開通。此時 ④ 號三極管的發(fā)射極電壓值Vc較低，且降低到地電位，所以 ①號MOS 管的柵極電壓較低，則①號MOS 管開通，故B 組蓄電池給臺站供電，A 組蓄電池充電。

因為 ③、④ 號雙三極管的基極電壓相同，且集成在一個芯片上的雙三極管在出廠時的一致性較好。因此，A、B 組蓄電池理論上只要電量有微小差別，電池選擇轉換器電路即自動檢測2 組蓄電池的電量，并選擇電量高的蓄電池組對地震臺站供電，電量低的蓄電池組將繼續(xù)充電。這樣就能保證水庫地震臺站的持續(xù)運行，從根本上解決因天氣和地理位置所致臺站缺電問題。

2 器件選型

大功率P 溝道MOS 管選型原則為電流大、內阻小，故選擇型號為VBZA6679 的芯片。該芯片Vds=-30 V，Vgs=20 V，Vth=-1.5 V，Id=-13.5 A，Rds=12.8 mΩ。雙三極管選型原則為2 個三極管的參數(shù)匹配度高，且封裝在一個芯片里，據(jù)此選擇PMP5501Y 的芯片。

3 電路設計

低損耗電池選擇轉換器的電路如圖3。左邊為A 組、B 組蓄電池輸入，右邊輸出表示為地震臺站供電，接地均連接在一起。

圖3 低損耗電池選擇轉換器電路Fig.3 Circuit diagram of low-loss battery selection converter

4 效果實驗

水庫地震臺站長期無人值守，臺站設備需具有連續(xù)穩(wěn)定運行的功能，故低損耗電池選擇轉換器應具備：①選擇電壓高的電源輸出；②具有低損耗功能；③具有較低的選擇轉換臨界值；④具有連續(xù)穩(wěn)定運行的功能。針對上述功能需求，進行4 種效果實驗，分別是高電壓選擇轉換輸出實驗、低損耗實驗、選擇轉換臨界值實驗和連續(xù)穩(wěn)定運行實驗。

4.1 高電壓選擇轉換輸出實驗

測試儀器有Panasoinc LC-p 12100 蓄電池2 只和MM-101 萬用表1 個。

將A、B 組蓄電池作輸入源，分別接入低損耗電池選擇轉換器，在其輸出端測量輸出電壓值。使用萬用表測量A、B 組蓄電池的輸入、輸出電壓，其中蓄電池A 組的輸入電壓為11.74 V，輸出電壓為11.74 V；蓄電池B 組輸入電壓為12.79 V，輸出電壓為12.79 V。將A、B 組蓄電池同時接入低損耗電池選擇轉換器，使用萬用表測量所得輸出電壓為12.79 V，可見低損耗電池選擇轉換器選擇高電壓輸出。

4.2 低損耗實驗

實驗器材有Panasoinc LC-p 12100 蓄電池2 只、MM-101 萬用表1 個、MBR1040FCT肖特基二極管1 只和SB2045LFCT 肖特基二極管1 只。

用萬用表測量A 組蓄電池電壓為11.74 V，B 組蓄電池電壓為12.79 V。將A、B 組蓄電池作為輸入源，接入肖特基MBR1040FCT 基二極管，用萬用表測量，輸出電壓值為12.52 V，可見肖特基二極管MBR1040FCT 選擇高電壓輸出，其損耗值為0.3 V。

將肖特基二極管MBR1040FCT 換成SB2045LFCT 肖特基二極管，重復上述實驗。用萬用表測量，二極管輸出電壓值為12.59 V，可見肖特基二極管SB2045LFCT 選擇高電壓輸出，其損耗值為0.23 V。

以上2 種肖特基二極管是目前市場可見適合本實驗的最小損耗二極管。若采用硅二極管，損耗一般為0.70 V。低損耗電池選擇轉換器的損耗值見表1。

表1 低損耗電池選擇轉換器低損耗實驗數(shù)據(jù)Table 1 Test of low-loss of battery selection converter

MBR1040FCT 肖特基二極管的損耗電壓值為0.30 V，SB2045LFCT 肖特基二極管的損耗電壓值為0.23 V，硅二極管的損耗電壓值為0.70 V（清華大學電子學教研組，1985），而新研制的電池選擇轉換器的損耗值為0.00 V，可見電池選擇轉換器的損耗電壓值最低，故命名為低損耗電池選擇轉換器。

4.3 選擇轉換臨界值實驗

實驗儀器器材有可調電源PS1503D 和JC3020A 各1 臺、MM-101 萬用表1 個。

將2 個可調電源作輸入源，接入低損耗電池選擇轉換器。在其輸出端用萬用表測量輸出電壓值。將PS1503D 可調電源調成12.45 V，將JC3020A 可調電源調成12.38 V，同時接入低損耗電池選擇轉換器，用萬用表測量，其輸出電壓為12.45 V。

按照上述思路，重復該實驗20 次，結果見表2。轉換臨界值是萬用表測試值之差，電壓損耗為2 個可調電源較高輸出值與低損耗電池選擇轉換器輸出值之差。

表2 低損耗電池選擇轉換器的臨界值Table 2 Critical values for low-loss battery selection converters

在可調電源和萬用表現(xiàn)有精度條件下，由表2 可以看出，低損耗電池選擇轉換器最小臨界值為0.02 V（表中第8 次實驗結果）。因為2 個可調電源的顯示值會跳變，需微調旋轉柱，直至可調電源值不再跳變，使用萬用表測量其輸出值，所以每次實驗微調時間較長。

4.4 連續(xù)穩(wěn)定運行實驗

為確保低損耗電池轉換器的穩(wěn)定性，保證其在水庫地震臺站長期連續(xù)穩(wěn)定地使用，項目組在室內進行連續(xù)穩(wěn)定運行實驗。實驗完全模擬臺站的運行，接入地震數(shù)據(jù)采集器和CDMA 路由器。

將PS1503D 可調電源電壓調至12.84 V，將JC3020A 可調電源電壓調至13.24 V，將二者接入低損耗電池選擇轉換器，用萬用表測量，其輸出電壓為13.24 V。該實驗在2020年7 月10 日0 時—8 月30 日23 時連續(xù)運行52 天，地震數(shù)據(jù)采集器產生數(shù)據(jù)文件1 248 個，文件連續(xù)，每日運行率100%，證明低損耗電池選擇轉換器可連續(xù)穩(wěn)定地工作。

4.5 地震臺站應用

2020 年8 月31 日—9 月2 日，將6 塊太陽能電池板、5 組蓄電池和研制的低損耗電池選擇轉換器，安裝在四川省洪雅縣瓦屋山水庫地震臺網的小店子臺站。在2020年9 月3 日—12 月11 日100 天時間里，該臺站陰雨連綿（http://tianqi.2345.com/wea_history/70719.htm）。往年該時段小店子臺站缺電問題嚴峻。安裝低損耗電池選擇轉換器以來，臺站運行穩(wěn)定，信號無中斷，運行率為100%。低損耗電池選擇轉換器有效解決了小店子臺站缺電問題。

綜上，認為4 種實驗效果較好，達到預期目的。

5 結果

綜上所述，可知低損耗電池選擇轉換器研制成功，具體體現(xiàn)在：①低損耗電池選擇轉換器據(jù)具有選擇高電壓輸出的功能；②低損耗電池選擇轉換器自身損耗較低，據(jù)前述實驗結論自身損耗電壓值為0.00 V；③低損耗電池選擇轉換器據(jù)有較低的選擇轉換臨界值，據(jù)前述實驗結論該值為0.02 V；④低損耗電池選擇轉換器具有連續(xù)穩(wěn)定運行的功能；⑤低損耗電池選擇轉換器配合蓄電池和太陽能板有效地解決了小店子臺站的缺電問題。

低損耗電池選擇轉換器后續(xù)的推廣應用將根據(jù)生產進度分為2 步：①生產10 臺低損耗電池選擇轉換器，用于較為缺電的武都和瓦屋山水庫地震臺網；②推廣到四川省瀘定、紫坪鋪、鍋浪蹺、長河壩黃金坪水庫地震臺網等。

在低損耗電池選擇轉換器研制過程中，得到華電四川發(fā)電有限公司瓦屋山分公司和四川賽思特科技有限責任公司的大力支持和幫助，在此表示感謝。