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產品應用 - 工業電子
超級電容在智能水表中的應用
日期:2016/06/21

智能水表簡介
        傳統的智能水表在控制水閥開啟和關斷時,普遍采用的方法是內裝鋰電池。鋰電池的優點是重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此,由于智能水表都沒有設計再充電電路,鋰電池使用到一定時間后,將無法為控制電路提供能量,不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表,這對于水表生產廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事情。更危險的是,電池電量不足的情況出現是隨機的,如果不精確和及時的監測電池電量,將無法可靠地關斷水閥,造成無法計費、逃水現象等情況出現。這是內部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點,直接影響到它的推廣和使用。針對這一問題,水表生產廠家設計了很多方案,如:盡量降低功耗,在靜態時控制漏電流在10μA以內,保證電池可以連續使用5年以上,這對電路的設計和元器件的選型提出了更高的要求,增加了設計難度和成品檢測的工序,如加上可靠的電池電量監測電路,也會使成本增加。

新的解決方案
        為了解決這一制約智能水表發展的瓶頸問題,已有不少廠家嘗試了一種全新的方案,那就是用SNF超級電容(Super-Capacitor)代替鋰電池應用于智能水表。超級電容是近幾年才批量生產的一種無源器件,性能介于電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時也有電池的儲能特性,并且重復使用壽命長,放電時利用移動導體間的電子(而不依靠化學反應)釋放電流,從而為設備提供電源。

超級電容的特性
        與電池進行比較,有如下一些明顯特性:
        超低串聯等效電阻(ESR),功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數十倍以上,適合大電流放電,(一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上)為水表控制電機閥或電磁閥的可靠開啟提供了保障。
        超長壽命,充放電大于50萬次,是鋰離子電池的500倍,是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍,如果對超級電容每天充放電20次,連續使用可達68年。
        可以大電流充電,充放電時間短,對充電電路要求簡單,無記憶效應。
        免維護,可密封。
        溫度范圍寬-40~+70℃,普通電池是-20~60℃。

方案描述
        與內裝鋰電池的智能水表相比,這種方案是用超級電容替換鋰電池封裝在水表中,同時外接干電池供電。平時干電池提供水表電路所需能量和對超級電容的充電,在需要開啟水閥時,由外接干電池提供能量將水閥開啟;在需要關斷水閥時,如果外接電池不能提供能量將水閥關斷,那么超級電容將在此刻提供能量來關斷水閥。如同一個儲水箱,平時將水存儲起來,在停水時才起作用。
        正常情況下,電池通過電阻R、二級管D1向負載和超級電容充電。電阻R的作用是限制電流過大,因為超級電容內阻很小,充電時電流較大可能造成電池損壞。二級管D1防止反向電流。當電池電壓過低,或突然斷電時(如取下電池),由超級電容繼續為電路提供電源,同時,超級電容存儲的能量足以關斷閥門。

方案優點
        這種方案明顯優于以前的設計,優點如下:

        將電池從水表中分離出來,從而可以不考慮電池壽命對水表的影響,大大延長了水表的使用時間。
        另一方面,超級電容的大電流放電特性保障了水閥關斷的可靠性,在外接干電池電量不足時,仍能利用存儲在超級電容上的能量將水閥關斷。
        以前一味追求的漏電流指標,主要是為了保障電池的使用壽命,改用超級電容后,漏電流指標變得不再重要。如果電池電量不足,用戶可以隨時更換。這樣,不僅使電路設計簡化,減少產品的出廠檢驗工序,還使產品的成本降低。
結論
        這種方案克服了現階段智能水表的缺點,為智能水表的發展找到了一條新的途徑。目前國內已有多家水表生產廠應用該方案,實踐證明,它是切實可行的。

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