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超级电容器在智能水表上的应用

时间:2014-12-05 15:06 作者:中国水表网 点击:

(一)智能水表简介

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。锂电池的优点在于重量轻、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。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,将无法可靠的关断水阀,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10uA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,元器件成本也增加了。如加上可靠的电池电量监测电路,也会使成本增加。

(二)方案

为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题,已有不少厂家尝试一种全新的方案,那就是用超级电容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,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

超级电容与电池比较,有如下特性:

1、超低串联等效电阻(LOW 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。

2、超长寿命,充放电大于50万次,是Li-Ion电池的500倍,是Ni-MHNi-Cd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。

3、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。

4、免维护,可密封。

5、温度范围宽-40℃~+70℃,一般电池是-20℃~60℃。

方案描述

与内装锂电池的智能水表相比较,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充电,在需要开启水阀时,先检测超级电容是否存储足够能量,如果没有存储足够能量,将不开启水阀,当检测它存储足够能量时,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,在停水时提供必要的水。 

 方案优点

这种方案明显优于以前的设计,优点如下:

1、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,延长了水表的使用时间。

2、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。

3、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。

三)结论

这种方案克服了现阶段智能水表的缺点,为智能水表的发展找到了一条新的道路,实践证明是切实可行的,值得大力推广。

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