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超级电容应用-智能水表

传统的智能水表在控制水阀开启和关断时,普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点是重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此,由于智能水表都没有设计再充电电路,锂电池使用到一定时间后,将无法为控制电路提供能量,不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表,这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事情。更危险的是,电池电量不足的情况出现是随机的,如果不精确和及时的监测电池电量,将无法可靠地关断水阀,造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点,直接影响到它的推广和使用。针对这一问题,水表生产厂家设计了很多方案,如:尽量降低功耗,在静态时控制漏电流在10μA以内,保证电池可以连续使用5年以上,这对电路的设计和元器件的选型提出了更高的要求,增加了设计难度和成品检测的工序,如加上可靠的电池电量监测电路,也会使成本增加。

新的解决方案
---为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题,已有不少厂家尝试了一种全新的方案,那就是用超级电容(Super-Capacitor)代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件,性能介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性,并且重复使用寿命长,放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流,从而为设备提供电源

超级电容的特性
---以美国库柏(Cooper)超级电容为例,与电池进行比较,有如下一些明显特性:
* 超低串联等效电阻(ESR),功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上,适合大电流放电,(一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上)为水表控制电机阀或电磁阀的可靠开启提供了保障。
* 超长寿命,充放电大于50万次,是锂离子电池的500倍,是镍氢和镍镉电池的1000倍,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年。
* 可以大电流充电,充放电时间短,对充电电路要求简单,无记忆效应。
* 免维护,可密封。
* 温度范围宽-40~+70℃,普通电池是-20~60℃。

方案描述
---与内装锂电池的智能水表相比,这种方案是用超级电容替换锂电池封装在水表中,同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容的充电,在需要开启水阀时,由外接干电池提供能量将水阀开启;在需要关断水阀时,如果外接电池不能提供能量将水阀关断,那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱,平时将水存储起来,在停水时才起作用。
---图2是应用示意图。正常情况下,电池通过电阻R、二级管D1向负载和超级电容充电。电阻R的作用是限制电流过大,因为超级电容内阻很小,充电时电流较大可能造成电池损坏。二级管D1防止反向电流。当电池电压过低,或突然断电时(如取下电池),由超级电容继续为电路提供电源,同时,超级电容存储的能量足以关断阀门。

方案优点
---这种方案明显优于以前的设计,优点如下:
*将电池从水表中分离出来,从而可以不考虑电池寿命对水表的影响,大大延长了水表的使用时间。
* 另一方面,超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性,在外接干电池电量不足时,仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。
* 以前一味追求的漏电流指标,主要是为了保障电池的使用寿命,改用超级电容后,漏电流指标变得不再重要。如果电池电量不足,用户可以随时更换。这样,不仅使电路设计简化,减少产品的出厂检验工序,还使产品的成本降低。