王翠芳 李興泉 莊園旭 管 勇

（中國(guó)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(gè)水庫(kù)地震臺(tái)站。這些臺(tái)站基本布設(shè)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(yáng)能和蓄電池供電。太陽(yáng)能發(fā)電的關(guān)鍵是需要較強(qiáng)日照。而水庫(kù)地震臺(tái)站所處區(qū)域冬、春兩季雨季較長(zhǎng)，霧氣彌漫。盡管臺(tái)站建設(shè)時(shí)充分考慮了電源供給問(wèn)題，比如衛(wèi)星傳輸臺(tái)站配置2 240 W 大容量太陽(yáng)能板和1 900 A·h 蓄電池（王翠芳等，2014），無(wú)線傳輸臺(tái)站配置480 W 太陽(yáng)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(tái)站正常運(yùn)行，然而地處高山峽谷的臺(tái)站，常常連續(xù)幾個(gè)月雨霧天氣，日照稀少，難以保證達(dá)到電量需求。供電成為臺(tái)站運(yùn)行中的突出問(wèn)題。

水庫(kù)地震臺(tái)站的運(yùn)行維護(hù)，可采取以下4 種方式解決臺(tái)站缺電問(wèn)題：①與住戶較近的臺(tái)站，帶充電線纜去住戶家充電；②與住戶較遠(yuǎn)的臺(tái)站，請(qǐng)人將蓄電池背到家中充電；③遠(yuǎn)離居民區(qū)臺(tái)站，用發(fā)電機(jī)供電；④更換蓄電池。以上只是臨時(shí)解決辦法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，陰雨天氣較長(zhǎng)時(shí)要多次往返臺(tái)站充電或換電池。鑒于此，提出用低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器來(lái)解決地震臺(tái)站缺電問(wèn)題。下面詳細(xì)介紹低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器的研制方案、器件選型、4 種室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、小店子地震臺(tái)站應(yīng)用以及今后的推廣應(yīng)用情況。

1 方案設(shè)計(jì)

以四川瓦屋山水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)小店子臺(tái)站為例進(jìn)行研究。該臺(tái)站距離號(hào)稱“雨城”的雅安市約30 km。當(dāng)?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(tái)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(zhuǎn)換器解決地震臺(tái)站缺電問(wèn)題，流程見圖1。

圖1 用低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器解決地震臺(tái)站缺電問(wèn)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(yáng)能電池板和1 臺(tái)太陽(yáng)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(tái)站現(xiàn)有供電配置。

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

增加的1 組蓄電池、太陽(yáng)能電池板和充電控制器可從市場(chǎng)采購(gòu)，而低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器則需要自行研制。研制該設(shè)備選用大功率P 溝道MOS 管和PNP 雙三極管方案實(shí)現(xiàn)，不選用二極管，是因其自身壓降為0.7 V 或者更大，對(duì)缺電臺(tái)站來(lái)說(shuō)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(zhuǎn)換器Fig.2 Development of low-loss battery selector convertor

2 個(gè)二極管的作用是防止A、B 組蓄電池正負(fù)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(zhuǎn)換器按照以下方式工作。

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

當(dāng)A 組蓄電池電量＜B 組蓄電池電量時(shí)，③號(hào)三極管開通飽和，其發(fā)射極電壓值Vc較高，那么相應(yīng)的 ② 號(hào)MOS 管柵極電壓較高，故 ② 號(hào)MOS 管不開通。此時(shí) ④ 號(hào)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(hào)MOS 管的柵極電壓較低，則①號(hào)MOS 管開通，故B 組蓄電池給臺(tái)站供電，A 組蓄電池充電。

因?yàn)?③、④ 號(hào)雙三極管的基極電壓相同，且集成在一個(gè)芯片上的雙三極管在出廠時(shí)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(zhuǎn)換器電路即自動(dòng)檢測(cè)2 組蓄電池的電量，并選擇電量高的蓄電池組對(duì)地震臺(tái)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(kù)地震臺(tái)站的持續(xù)運(yùn)行，從根本上解決因天氣和地理位置所致臺(tái)站缺電問(wèn)題。

2 器件選型

大功率P 溝道MOS 管選型原則為電流大、內(nèi)阻小，故選擇型號(hào)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(gè)三極管的參數(shù)匹配度高，且封裝在一個(gè)芯片里，據(jù)此選擇PMP5501Y 的芯片。

3 電路設(shè)計(jì)

低損耗電池選擇轉(zhuǎn)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(tái)站供電，接地均連接在一起。

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

4 效果實(shí)驗(yàn)

水庫(kù)地震臺(tái)站長(zhǎng)期無(wú)人值守，臺(tái)站設(shè)備需具有連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的功能，故低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(zhuǎn)換臨界值；④具有連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的功能。針對(duì)上述功能需求，進(jìn)行4 種效果實(shí)驗(yàn)，分別是高電壓選擇轉(zhuǎn)換輸出實(shí)驗(yàn)、低損耗實(shí)驗(yàn)、選擇轉(zhuǎn)換臨界值實(shí)驗(yàn)和連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 高電壓選擇轉(zhuǎn)換輸出實(shí)驗(yàn)

測(cè)試儀器有Panasoinc LC-p 12100 蓄電池2 只和MM-101 萬(wàn)用表1 個(gè)。

將A、B 組蓄電池作輸入源，分別接入低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器，在其輸出端測(cè)量輸出電壓值。使用萬(wàn)用表測(cè)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(shí)接入低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器，使用萬(wàn)用表測(cè)量所得輸出電壓為12.79 V，可見低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器選擇高電壓輸出。

4.2 低損耗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材有Panasoinc LC-p 12100 蓄電池2 只、MM-101 萬(wàn)用表1 個(gè)、MBR1040FCT肖特基二極管1 只和SB2045LFCT 肖特基二極管1 只。

用萬(wàn)用表測(cè)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(wàn)用表測(cè)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(fù)上述實(shí)驗(yàn)。用萬(wàn)用表測(cè)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(chǎng)可見適合本實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)換器的損耗值見表1。

表1 低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器低損耗實(shí)驗(yàn)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(xué)電子學(xué)教研組，1985），而新研制的電池選擇轉(zhuǎn)換器的損耗值為0.00 V，可見電池選擇轉(zhuǎn)換器的損耗電壓值最低，故命名為低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器。

4.3 選擇轉(zhuǎn)換臨界值實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器器材有可調(diào)電源PS1503D 和JC3020A 各1 臺(tái)、MM-101 萬(wàn)用表1 個(gè)。

將2 個(gè)可調(diào)電源作輸入源，接入低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器。在其輸出端用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓值。將PS1503D 可調(diào)電源調(diào)成12.45 V，將JC3020A 可調(diào)電源調(diào)成12.38 V，同時(shí)接入低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器，用萬(wàn)用表測(cè)量，其輸出電壓為12.45 V。

按照上述思路，重復(fù)該實(shí)驗(yàn)20 次，結(jié)果見表2。轉(zhuǎn)換臨界值是萬(wàn)用表測(cè)試值之差，電壓損耗為2 個(gè)可調(diào)電源較高輸出值與低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器輸出值之差。

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

在可調(diào)電源和萬(wàn)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(zhuǎn)換器最小臨界值為0.02 V（表中第8 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。因?yàn)? 個(gè)可調(diào)電源的顯示值會(huì)跳變，需微調(diào)旋轉(zhuǎn)柱，直至可調(diào)電源值不再跳變，使用萬(wàn)用表測(cè)量其輸出值，所以每次實(shí)驗(yàn)微調(diào)時(shí)間較長(zhǎng)。

4.4 連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

為確保低損耗電池轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性，保證其在水庫(kù)地震臺(tái)站長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定地使用，項(xiàng)目組在室內(nèi)進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完全模擬臺(tái)站的運(yùn)行，接入地震數(shù)據(jù)采集器和CDMA 路由器。

將PS1503D 可調(diào)電源電壓調(diào)至12.84 V，將JC3020A 可調(diào)電源電壓調(diào)至13.24 V，將二者接入低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器，用萬(wàn)用表測(cè)量，其輸出電壓為13.24 V。該實(shí)驗(yàn)在2020年7 月10 日0 時(shí)—8 月30 日23 時(shí)連續(xù)運(yùn)行52 天，地震數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件1 248 個(gè)，文件連續(xù)，每日運(yùn)行率100%，證明低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器可連續(xù)穩(wěn)定地工作。

4.5 地震臺(tái)站應(yīng)用

2020 年8 月31 日—9 月2 日，將6 塊太陽(yáng)能電池板、5 組蓄電池和研制的低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器，安裝在四川省洪雅縣瓦屋山水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)的小店子臺(tái)站。在2020年9 月3 日—12 月11 日100 天時(shí)間里，該臺(tái)站陰雨連綿（http://tianqi.2345.com/wea_history/70719.htm）。往年該時(shí)段小店子臺(tái)站缺電問(wèn)題嚴(yán)峻。安裝低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器以來(lái)，臺(tái)站運(yùn)行穩(wěn)定，信號(hào)無(wú)中斷，運(yùn)行率為100%。低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器有效解決了小店子臺(tái)站缺電問(wèn)題。

綜上，認(rèn)為4 種實(shí)驗(yàn)效果較好，達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié)果

綜上所述，可知低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器研制成功，具體體現(xiàn)在：①低損耗電池選擇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器自身?yè)p耗較低，據(jù)前述實(shí)驗(yàn)結(jié)論自身?yè)p耗電壓值為0.00 V；③低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器據(jù)有較低的選擇轉(zhuǎn)換臨界值，據(jù)前述實(shí)驗(yàn)結(jié)論該值為0.02 V；④低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器具有連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的功能；⑤低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器配合蓄電池和太陽(yáng)能板有效地解決了小店子臺(tái)站的缺電問(wèn)題。

低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器后續(xù)的推廣應(yīng)用將根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度分為2 步：①生產(chǎn)10 臺(tái)低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器，用于較為缺電的武都和瓦屋山水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)；②推廣到四川省瀘定、紫坪鋪、鍋浪蹺、長(zhǎng)河壩黃金坪水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)等。

在低損耗電池選擇轉(zhuǎn)換器研制過(guò)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(zé)任公司的大力支持和幫助，在此表示感謝。