低损耗电池选择转换器的研制

王翠芳 李兴泉 庄园旭 管 勇

（中国成都 610041 四川省地震局）

0 引言

四川省分布着金沙江、雅砻江、大渡河等8 大水系，8 大水系流域分布有169 个水库地震台站。这些台站基本布设在高山峡谷中，人烟稀少，交流供电可能性不大，常常采用太阳能和蓄电池供电。太阳能发电的关键是需要较强日照。而水库地震台站所处区域冬、春两季雨季较长，雾气弥漫。尽管台站建设时充分考虑了电源供给问题，比如卫星传输台站配置2 240 W 大容量太阳能板和1 900 A·h 蓄电池（王翠芳等，2014），无线传输台站配置480 W 太阳能板和500 A·h 蓄电池，原则上可在连续21 天阴雨天气条件下保障地震台站正常运行，然而地处高山峡谷的台站，常常连续几个月雨雾天气，日照稀少，难以保证达到电量需求。供电成为台站运行中的突出问题。

水库地震台站的运行维护，可采取以下4 种方式解决台站缺电问题：①与住户较近的台站，带充电线缆去住户家充电；②与住户较远的台站，请人将蓄电池背到家中充电；③远离居民区台站，用发电机供电；④更换蓄电池。以上只是临时解决办法，费时费力，阴雨天气较长时要多次往返台站充电或换电池。鉴于此，提出用低损耗电池选择转换器来解决地震台站缺电问题。下面详细介绍低损耗电池选择转换器的研制方案、器件选型、4 种室内实验、小店子地震台站应用以及今后的推广应用情况。

1 方案设计

以四川瓦屋山水库地震台网小店子台站为例进行研究。该台站距离号称“雨城”的雅安市约30 km。当地每年10 月到次年4 月常阴雨连绵，雾气浓密，日照稀少。该台站位于茂密的人工森林中，缺电现象突出。采用低损耗电池选择转换器解决地震台站缺电问题，流程见图1。

图1 用低损耗电池选择转换器解决地震台站缺电问题Fig.1 Block diagram of selecting low-loss battery selection converter to solve power shortage problem of seismic station

（1）增加1 组蓄电池，变成2 组蓄电池供电（每组5 只，每只电池100 A·h），增加1 组太阳能电池板和1 台太阳能充电控制器（图1 中左边虚线框）。图1 中右边黑色虚线框是台站现有供电配置。

（2）增加研制的低损耗电池选择转换器（图1 中下面的虚线框），让2 组蓄电池自适应调换输出，自适应充电。A 组电池给地震台站供电时，B 组蓄电池充电；B 组蓄电池给地震台站供电时，A 组蓄电池充电，可从根本上解决台站缺电问题。

增加的1 组蓄电池、太阳能电池板和充电控制器可从市场采购，而低损耗电池选择转换器则需要自行研制。研制该设备选用大功率P 沟道MOS 管和PNP 双三极管方案实现，不选用二极管，是因其自身压降为0.7 V 或者更大，对缺电台站来说损耗较大。而大功率P 沟道MOS 管损耗仅为几mV，是最佳选择。具体研制方案如图2。

图2 低损耗电池选择转换器Fig.2 Development of low-loss battery selector convertor

2 个二极管的作用是防止A、B 组蓄电池正负极接反，双三极管③④的基极（b 极）连接在一起，保持相同的电压值。电池选择转换器按照以下方式工作。

当A 组蓄电池电量＞B 组蓄电池电量时，④号三极管开通饱和，其发射极电压值Vc较高，那么相应的 ①号MOS 管栅极电压值较高，故 ①号MOS 管不开通。此时 ③号三极管的发射极电压值Vc较低，且降低到地电位，相应的 ② 号MOS 管的栅极电压值较低，则 ② 号MOS 管开通，故A 组蓄电池给台站供电，B 组蓄电池充电。

当A 组蓄电池电量＜B 组蓄电池电量时，③号三极管开通饱和，其发射极电压值Vc较高，那么相应的 ② 号MOS 管栅极电压较高，故 ② 号MOS 管不开通。此时 ④ 号三极管的发射极电压值Vc较低，且降低到地电位，所以 ①号MOS 管的栅极电压较低，则①号MOS 管开通，故B 组蓄电池给台站供电，A 组蓄电池充电。

因为 ③、④ 号双三极管的基极电压相同，且集成在一个芯片上的双三极管在出厂时的一致性较好。因此，A、B 组蓄电池理论上只要电量有微小差别，电池选择转换器电路即自动检测2 组蓄电池的电量，并选择电量高的蓄电池组对地震台站供电，电量低的蓄电池组将继续充电。这样就能保证水库地震台站的持续运行，从根本上解决因天气和地理位置所致台站缺电问题。

2 器件选型

大功率P 沟道MOS 管选型原则为电流大、内阻小，故选择型号为VBZA6679 的芯片。该芯片Vds=-30 V，Vgs=20 V，Vth=-1.5 V，Id=-13.5 A，Rds=12.8 mΩ。双三极管选型原则为2 个三极管的参数匹配度高，且封装在一个芯片里，据此选择PMP5501Y 的芯片。

3 电路设计

低损耗电池选择转换器的电路如图3。左边为A 组、B 组蓄电池输入，右边输出表示为地震台站供电，接地均连接在一起。

图3 低损耗电池选择转换器电路Fig.3 Circuit diagram of low-loss battery selection converter

4 效果实验

水库地震台站长期无人值守，台站设备需具有连续稳定运行的功能，故低损耗电池选择转换器应具备：①选择电压高的电源输出；②具有低损耗功能；③具有较低的选择转换临界值；④具有连续稳定运行的功能。针对上述功能需求，进行4 种效果实验，分别是高电压选择转换输出实验、低损耗实验、选择转换临界值实验和连续稳定运行实验。

4.1 高电压选择转换输出实验

测试仪器有Panasoinc LC-p 12100 蓄电池2 只和MM-101 万用表1 个。

将A、B 组蓄电池作输入源，分别接入低损耗电池选择转换器，在其输出端测量输出电压值。使用万用表测量A、B 组蓄电池的输入、输出电压，其中蓄电池A 组的输入电压为11.74 V，输出电压为11.74 V；蓄电池B 组输入电压为12.79 V，输出电压为12.79 V。将A、B 组蓄电池同时接入低损耗电池选择转换器，使用万用表测量所得输出电压为12.79 V，可见低损耗电池选择转换器选择高电压输出。

4.2 低损耗实验

实验器材有Panasoinc LC-p 12100 蓄电池2 只、MM-101 万用表1 个、MBR1040FCT肖特基二极管1 只和SB2045LFCT 肖特基二极管1 只。

用万用表测量A 组蓄电池电压为11.74 V，B 组蓄电池电压为12.79 V。将A、B 组蓄电池作为输入源，接入肖特基MBR1040FCT 基二极管，用万用表测量，输出电压值为12.52 V，可见肖特基二极管MBR1040FCT 选择高电压输出，其损耗值为0.3 V。

将肖特基二极管MBR1040FCT 换成SB2045LFCT 肖特基二极管，重复上述实验。用万用表测量，二极管输出电压值为12.59 V，可见肖特基二极管SB2045LFCT 选择高电压输出，其损耗值为0.23 V。

以上2 种肖特基二极管是目前市场可见适合本实验的最小损耗二极管。若采用硅二极管，损耗一般为0.70 V。低损耗电池选择转换器的损耗值见表1。

表1 低损耗电池选择转换器低损耗实验数据Table 1 Test of low-loss of battery selection converter

MBR1040FCT 肖特基二极管的损耗电压值为0.30 V，SB2045LFCT 肖特基二极管的损耗电压值为0.23 V，硅二极管的损耗电压值为0.70 V（清华大学电子学教研组，1985），而新研制的电池选择转换器的损耗值为0.00 V，可见电池选择转换器的损耗电压值最低，故命名为低损耗电池选择转换器。

4.3 选择转换临界值实验

实验仪器器材有可调电源PS1503D 和JC3020A 各1 台、MM-101 万用表1 个。

将2 个可调电源作输入源，接入低损耗电池选择转换器。在其输出端用万用表测量输出电压值。将PS1503D 可调电源调成12.45 V，将JC3020A 可调电源调成12.38 V，同时接入低损耗电池选择转换器，用万用表测量，其输出电压为12.45 V。

按照上述思路，重复该实验20 次，结果见表2。转换临界值是万用表测试值之差，电压损耗为2 个可调电源较高输出值与低损耗电池选择转换器输出值之差。

表2 低损耗电池选择转换器的临界值Table 2 Critical values for low-loss battery selection converters

在可调电源和万用表现有精度条件下，由表2 可以看出，低损耗电池选择转换器最小临界值为0.02 V（表中第8 次实验结果）。因为2 个可调电源的显示值会跳变，需微调旋转柱，直至可调电源值不再跳变，使用万用表测量其输出值，所以每次实验微调时间较长。

4.4 连续稳定运行实验

为确保低损耗电池转换器的稳定性，保证其在水库地震台站长期连续稳定地使用，项目组在室内进行连续稳定运行实验。实验完全模拟台站的运行，接入地震数据采集器和CDMA 路由器。

将PS1503D 可调电源电压调至12.84 V，将JC3020A 可调电源电压调至13.24 V，将二者接入低损耗电池选择转换器，用万用表测量，其输出电压为13.24 V。该实验在2020年7 月10 日0 时—8 月30 日23 时连续运行52 天，地震数据采集器产生数据文件1 248 个，文件连续，每日运行率100%，证明低损耗电池选择转换器可连续稳定地工作。

4.5 地震台站应用

2020 年8 月31 日—9 月2 日，将6 块太阳能电池板、5 组蓄电池和研制的低损耗电池选择转换器，安装在四川省洪雅县瓦屋山水库地震台网的小店子台站。在2020年9 月3 日—12 月11 日100 天时间里，该台站阴雨连绵（http://tianqi.2345.com/wea_history/70719.htm）。往年该时段小店子台站缺电问题严峻。安装低损耗电池选择转换器以来，台站运行稳定，信号无中断，运行率为100%。低损耗电池选择转换器有效解决了小店子台站缺电问题。

综上，认为4 种实验效果较好，达到预期目的。

5 结果

综上所述，可知低损耗电池选择转换器研制成功，具体体现在：①低损耗电池选择转换器据具有选择高电压输出的功能；②低损耗电池选择转换器自身损耗较低，据前述实验结论自身损耗电压值为0.00 V；③低损耗电池选择转换器据有较低的选择转换临界值，据前述实验结论该值为0.02 V；④低损耗电池选择转换器具有连续稳定运行的功能；⑤低损耗电池选择转换器配合蓄电池和太阳能板有效地解决了小店子台站的缺电问题。

低损耗电池选择转换器后续的推广应用将根据生产进度分为2 步：①生产10 台低损耗电池选择转换器，用于较为缺电的武都和瓦屋山水库地震台网；②推广到四川省泸定、紫坪铺、锅浪跷、长河坝黄金坪水库地震台网等。

在低损耗电池选择转换器研制过程中，得到华电四川发电有限公司瓦屋山分公司和四川赛思特科技有限责任公司的大力支持和帮助，在此表示感谢。