超级电容在自动抄表系统中的应用

　　自动抄表（AMR）系统提供了安全的双向通信，是当前日益增长的能源市场上适应性最强的计量系统。AMR系统搜集实时数据并通过联网技术将这些信息传输到中央数据库。AMR单元能够产生准确的客户计费，并向客户提供停电、布线稳定性和自诊断等信息（如图1所示）。

　　

　　图1

　　AMR系统搜集实时数据，并通过联网技术将这些信息传输到中央数据库。电表接入线路并从中获取能量，但它还需要使用超级电容作为后备能源。天然气表和水表都需要电池能源。但是如果不使用超级电容作为辅助，电池在低温下很难传递能量，并会因高温而老化
　　水表和天然气表
　　最新的无线抄表不仅需要电源能够有效地以恒定速率来运行内部元件，而且还要能够处理单元的无线发射器所需要的峰值功率（如图2所示）。这种类型的功率需求会缩短大多数电池的寿命。

　　

　　图2

　　峰值功率需求会显著地缩短工作在极限温度下的电池的寿命，并降低其工作性能。超级电容能够在宽达40℃～85℃的工作温度范围内帮助电池供应所需的功率
　　当工作模式发生改变时，许多电池供电设备的峰值功率需求可能会远远超出电池的容量。有些需要大电流脉冲功率，而电池要提供这样的功率，很难或不可能不增加性能故障风险、缩短工作寿命、甚至提前出现电池故障。由于所采用的化学能量存储机制会发生老化，电池都具有有限的生命周期。相反，超级电容采用静电能量存储机制，不存在磨损，所以实际上具有无限长的生命周期。
　　传统电池的另一个问题是，它们具有很大的内部等效串联电阻（ESR），从而无法始终如一地供应大功率脉冲。相比之下，超级电容的内部ESR很低，能够供应大功率脉冲。
　　不足为奇的是，已应用到许多消费产品中的超级电容现在也使得自动化的水表和天然气表能够工作更长的时间。超级电容通过满足AMR应用中的峰值功率需求，为补充和增加电池寿命提供了一种解决方案。在这些应用中，超级电容由主电源来充电，并在主电源出现故障或者需要提供峰值功率的时候发挥备份电源的作用。超级电容和电池并行工作，使用在那些既需要持续低功率放电以连续工作，又需要脉冲功率用于峰值负载的应用之中。
　　众所周知，因为电容的ESR相对较低，所以为源电池增加并联电容能够在脉冲功率期间帮助提供电源。将低ESR的超级电容与电池并行放置，能够轻松地满足几乎全部所需的脉冲电流要求（如表1所示）。能量先是缓慢地从并联的、ESR较大的电池传出并给超级电容充电，然后在需要的时候以突发电流脉冲的形式从超级电容中传出。传递完脉冲电流之后，在两次脉冲式负载周期之间，超级电容将再次重新充电到电池的满电压。与电路中不包含超级电容时相比，上述做法将减轻电池的压力，并将电池的总寿命延长到3倍或更多。
　　

　　除了改善峰值电流需求性能之外，超级电容还为电池供电AMR电路设计人员解决了由于其系统设计中的电压降导致的另一大难题。电压变化太大会造成锂电池的内层衰竭，导致漏电流增加，并造成电池寿命缩短很多。除了满足峰值功率需求之外，超级电容还通过发挥能量储备的作用或者在出现功率损耗时执行关键功能，以维持完整充电的状态，从而防止出现大的电压摆幅。
　　对AMR应用下一步的考虑是使其能够工作在40℃～85℃甚至更宽的工作温度范围内。这些极限温度将严重降低电池的工作性能，并且还会造成电池寿命缩短。当环境温度较低时，电池的内阻会显著增加。独立的电池可能没有足够的功率可供发射机使用，从而会导致电池寿命缩短。
　　Cooper Bussmann公司PowerStor品牌的PM系列和M系列超级电容（如图3所示）被设计用于AMR水表和天然气表应用。这些设备在很宽的工作温度范围内具有极低的电阻，以满足对这种类型抄表的严酷环境要求。

　　

　　图3 Cooper Bussmann公司的PM和M系列超级电容

　　电表
　　电表通常从输入电力线中取电，但AMR电路需要保持供电，以便在主电源停电时保留信息。在停电时，通常不需要发射机功率，所以不需要电池。可以使用取值较大的超级电容为系统供电数小时或数天，直到电力恢复。当然，也可以使用电池来提供这种功率，但正如前面所讨论的，电池的生命周期有限，并且在足够宽的工作温度范围内工作时会遇到问题，所以超级电容通常是最佳的临时性电源解决方案。
　　尽管M系列和PM系列超级电容的电容值较大，可以维持电表运行非常长的时期，但库柏西熔（Cooper Bussmann）公司KR系列的纽扣型超级电容却是许多电表安装的选择。纽扣型产品具有更大的ESR和更小的电容，但是因为在电力线停电时通常不需要提供发射机功率，所以这些器件有足够多的能量存储和足够低的ESR，能够为电表供电数小时或数天，直到电力线恢复供电。

来源：电子工程网