一種智能調壓站的供電電路的製作方法
2023-12-02 08:22:51
一種智能調壓站的供電電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種智能調壓站的供電電路，其包含：為抄表系統供電的主電源；電源去耦電容，其並聯在所述的主電源的兩端；超級電容，其一端與所述的主電源的正極連接；充電保護電阻，其一端與所述的超級電容的另一端連接，其另一端與所述的主電源的負極連接；負載等效電阻，其並聯在所述的主電源的兩端；第一二極體，其連接在所述的主電源的正極與超級電容之間；第二二極體，其並聯在所述的充電保護電阻的兩端。本實用新型採用超級電容作為供電電路的備用儲能元件，有效提高了供電電路的性能，延長了主電源的使用壽命，解決了制約智能抄表系統供電的瓶頸問題。
【專利說明】—種智能調壓站的供電電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種智能調壓站的供電電路，特別涉及一種用於優化智能調壓站供電的模擬電路，屬於電源供電優化領域。
【背景技術】
[0002]在國家大力發展天然氣等綠色能源的背景下，國內各城市管網輸配系統也隨著城市建設規模的擴大而擴張。燃氣輸配情況日趨複雜，對燃氣監測手段也提出了更高的要求。在這種情況下，智能抄表(AMR)系統應運而生，該系統不僅可以搜集實時數據並通過聯網技術將這些信息傳輸到中央資料庫；還能夠產生準確的客戶計費，並向客戶提供停電、布線穩定性和自診斷等信息。
[0003]最新的無線抄表系統不僅需要電源能夠有效的以恆定速率來運行內部元件，而且還要能夠處理無線發射器所需要的峰值功率。這種類型的功率需求會縮短大多數電池的壽命。當工作模式發生改變時，許多電池供電設備的峰值功率需求可能會遠遠超出電池的容量，有些還需要大電流脈衝功率。而電池要提供這樣的功率，很難不增加性能故障風險、縮短工作壽命、甚至提前出現電池故障。由於所採用的化學能量存儲機制會發生老化，電池都具有有限的生命周期。傳統電池的另一個問題是，它們具有很大的內部等效串聯電阻(ESR)，從而無法始終如一地供應大功率脈衝。而且，大部分智能抄表系統工作在井下等高溫高溼的惡劣環境下工作，這些極限溫度將嚴重降低電池的工作性能，並且還會造成電池壽命縮短。當環境溫度較低時，電池的內阻會顯著增加。獨立的電池可能沒有足夠的功率可供發射機使用，從而會導致電池壽命縮短，系統性能下降。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是提供一種智能調壓站的供電電路，其採用超級電容作為供電電路的備用儲能元件，有效提高了供電電路的性能，延長了主電源的使用壽命，解決了制約智能抄表系統供電的瓶頸問題。
[0005]為實現上述目的，本實用新型提供一種智能調壓站的供電電路，其包含:為抄表系統供電的主電源；超級電容，其一端與所述的主電源的正極連接；充電保護電阻，其一端與所述的超級電容的另一端連接，其另一端與所述的主電源的負極連接；負載等效電阻，其並聯在所述的主電源的兩端；第一二極體，其連接在所述的主電源的正極與超級電容之間；第二二極體，其並聯在所述的充電保護電阻的兩端。
[0006]所述的第一二極體的正極與主電源的正極連接，該第一二極體的負極與超級電容連接。
[0007]所述的第二二極體的正極與主電源的負極連接，該第二二極體的正極連接在超級電容和充電保護電阻之間。
[0008]所述的第一二極體和第二二極體均採用鍺二極體。
[0009]本實用新型所述的智能調壓站的供電電路，還包含電源去耦電容，其並聯在所述的主電源的兩端。
[0010]所述的電源去耦電容的電容量為微法級。
[0011]綜上所述，本實用新型所提供的智能調壓站的供電電路，採用超級電容代替備用電池作為供電電路的備用儲能元件，即可以有效降低大功率放電對主電源的損害，又可以為供電電路提供備用電量；採用兩個鍺二極體代替開關繼電器來控制充電放電過程中的電流流向，可以有效降低供電電路的功率和設計成本。
[0012]本實用新型所提供的智能調壓站的供電電路，採用儘量少的元器件，可以適當縮小其規模；以最高的性價比，節約研製成本；使供電電路的性能達到最優，減少大功率放電對主電源的使用壽命的損害，使主電源的使用壽命達到最大，並能在主電源沒電時有足夠的預警時間，依靠超級電容暫時供電，以便及時更換進而提高智能調壓站的續航能力，避免其工作中斷。
[0013]本實用新型所提供的智能調壓站的供電電路，克服了主電源單獨供電的種種缺點和不足，有效提高了供電電路的性能，延長了主電源的使用壽命，解決了制約智能抄表系統供電的瓶頸問題。也為相關控制系統供電的發展提供了一種可以實踐的方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型中的智能調壓站的供電電路的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]以下結合圖1，詳細說明本實用新型的一個優選實施例。
[0016]如圖1所示，為本實用新型提供的智能調壓站的供電電路，其包含:為抄表系統供電的主電源S，並用於給供電電路中的其他所有元器件供電；電源去耦電容C，其並聯在所述的主電源S的兩端；超級電容Cs，其一端與所述的主電源S的正極連接，用於為供電電路提供瞬態大功率，又可作為儲能元件提高供電電路續航能力；充電保護電阻R，其一端與所述的超級電容Cs的另一端連接，其另一端與所述的主電源S的負極連接，用於充電時限制電流，避免對超級電容Cs造成損壞；負載等效電阻RL，其並聯在所述的主電源S的兩端；第一二極體D1，其連接設置在所述的主電源S的正極與超級電容Cs之間，用於控制充電放電過程中的電流方向；第二二極體D2，其並聯在所述的充電保護電阻R的兩端，用於控制放電過程中的電流方向。
[0017]所述的第一二極體Dl的正極與主電源S的正極連接，該第一二極體Dl的負極與超級電容Cs連接。
[0018]所述的第二二極體D2的正極與主電源S的負極連接，該第二二極體D2的正極連接在超級電容Cs和充電保護電阻R之間。
[0019]所述的第一二極體Dl和第二二極體D2採用鍺二極體。
[0020]所述的電源去耦電容C的電容量為微法級，所以其對整個供電電路的主要充電放電性能不會造成太大影響，可以忽略不計。
[0021]本實用新型中，採用超級電容Cs作為自動抄表系統的備用儲能元件。超級電容又稱電化學電容器、或法拉電容、或黃金電容，是從上世紀七八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同於傳統的化學電源，是一種介於傳統電容器和電池之間的具有特殊性能的電源，但其儲能過程並不發生化學反應，且儲能過程是可逆的。所以超級電容可以反覆充電數十萬次，其基本原理和其他種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大容量。超級電容的突出優點是功率密度高，充放電時間短、循環壽命長、工作溫度範圍寬，是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種。超級電容採用靜電能量存儲機制，不存在磨損，所以實際上具有無限長的生命周期。超級電容的內阻很低,能夠供應大功率脈衝,所以為主電源增加並聯電容,能夠在脈衝功率期間幫助提供電源。將低內阻的超級電容與主電源並行放置，能夠輕鬆地滿足幾乎全部所需的脈衝電流要求。能量先是緩慢地從並聯的、內阻較大的主電源傳出並給超級電容充電，然後在需要的時候以突發電流脈衝的形式從超級電容中傳出。傳遞完脈衝電流之後，在兩次脈衝式負載周期之間，超級電容將再次重新充電到主電源的滿電壓。與電路中不包含超級電容時相比，上述做法將減輕主電源的壓力，並將主電源的總壽命延長到3倍或更多。
[0022]可以肯定的是，已應用到許多消費產品中的超級電容現在也使得自動化的水錶和天然氣表能夠工作更長的時間。超級電容通過滿足相關應用中的峰值功率需求，為補充和增加主電源壽命提供了一種解決方案。在這些應用中,超級電容由主電源來充電,並在主電源出現故障或者需要提供峰值功率的時候發揮備份電源的作用。超級電容和主電源並行工作，使用在那些既需要持續低功率放電以連續工作，又需要脈衝功率用於峰值負載的應用之中。
[0023]如圖1所示，當超級電容Cs處於充電狀態時，主電源S通過電路迴路abhfg，對超級電容Cs進行充電；當負載等效電阻RL需要較大的瞬時功率或者主電源S沒電時，此時供電電路通過超級電容Cs對負載等效電阻RL進行供電，此時超級電容Cs處於放電狀態，其相當於一塊備用電池，通過電路迴路bcdeh向負載等效電阻RL供電。
[0024]根據RC迴路電容充電公式Uc=Us[1-exp (_t/RC)]，其中:Uc代表超級電容Cs兩端電壓，Us代表主電源S電壓，t為充電時間，R為迴路中的充電電阻R的電阻值，C為超級電容Cs的電容值。當t=RC時，Uc=0.63Us，就是當充電時間t為I倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的63%。同理可以計算得到，當充電時間t為2倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的86%。當充電時間t為3倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的95%。當充電時間t為4倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的98%。當充電時間t為5倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的99%。所以，充電時間t至少需為5倍RC，才能保證超級電容Cs兩端的電壓Uc與主電源S的電壓Us近似相等。
[0025]根據RC迴路電容放電公式Uc=U0--exp (_t/RC)，其中:Uc代表超級電容Cs兩端電壓，UO代表超級電容Cs兩端放電初始電壓，t為放電時間，R為迴路中的充電電阻R的電阻值，C為超級電容Cs的電容值。當t=RC時，Uc=0.37U0，就是當放電時間t為I倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的37%。同理可以計算得到，當放電時間t為2倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的14%。當放電時間t為3倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的5%。當放電時間t為4倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的2%。當放電時間t為5倍RC時，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的0.7%。所以，放電時間t至少為5倍RC，才能保證超級電容Cs兩端的電壓Uc近似放光。
[0026]考慮到超級電容Cs的性價比等因素，本實施例中，選擇飛騰力訊公司生產的超級電容，其額定電壓應大於智能調壓器的供電電壓。因主電源的過衝等因素，超級電容的額定電壓要留有一定的餘量。同時需考慮超級電容充電放電時間不能太快或者太慢等因素，如果充電時間太慢，那麼智能調壓器的發射裝置在多次工作時，超級電容將始終不能有足夠的時間從主電源處獲得能量補充；如果放電時間太快，超級電容就可能維持不到主電源更換完畢，其電量就會被耗盡進而影響智能調壓器的正常工作。
[0027]當供電電路中的超級電容Cs處於放電狀態時，需要考慮一些問題。首先是放電時超級電容Cs的電路支路必須不能對主電源S支路也進行反向充電，否則會造成能量的無端浪費。因此，為確保超級電容Cs只向負載等效電阻RL的支路單向放電，就是在主電源的正極和超級電容Cs之間增加設置一個鍺二極體D1。之所以選擇鍺二極體是因為鍺二極體的正嚮導通電壓只有0.2V左右，相對於矽二極體0.7V的節點壓，可以使充電時超級電容Cs所能達到的電壓更大一些，在鍺二極體Dl上損失的電量相對較小。其次，當供電電路中的超級電容Cs向負載等效電阻RL放電時，鍺二極體D2將充電保護電阻R短路，如果沒有鍺二極體D2，充電保護電阻R和負載等效電阻RL將串聯在一起，會造成超級電容Cs的放電電壓在充電保護電阻R上被分壓。如果充電保護電阻R和負載等效電阻RL的電阻值相差不大的話，又或者充電保護電阻R的電阻值大於負載等效電阻RL時，超級電容Cs放電時在負載等效電阻RL上的電壓將大大低於超級電容Cs兩端的電壓，也就是超級電容Cs存儲的電量在放電時會在充電保護電阻R上損失很多。
[0028]充電保護電阻R的選擇不僅要考慮充放電時間和價格因素，還要考慮其額定功率的問題。結合兩個鍺二極體，供電電路的相關元器件即可以確定下來。由於鍺二極體的分壓作用，充電時，主電源S通過鍺二極體Dl連接到負載等效電阻RL端，只有0.2V左右的電壓損失，但是整個供電電路是可以正常工作的。放電時，由於鍺二極體D2的分壓作用，使超級電容Cs可以達到負載等效電阻RL上的電壓又會損失0.2V。將本實用新型所述的供電電路連接到智能調壓器的電源輸入端後，超級電容Cs兩端的電壓會增加，說明超級電容Cs在充電中，監測超級電容Cs的充電時間滿足計算所得結果，供電電路可以正常工作。超級電容充好電時(其兩端電壓為主電源的99%)，斷開主電源，供電電路在發射預警消息後仍然可以繼續工作足夠長的時間(依靠超級電容Cs的放電對負載進行供電)，從而滿足要求。
[0029]綜上所述，本實用新型所提供的智能調壓站的供電電路，採用超級電容代替備用電池作為供電電路的備用儲能元件，即可以有效降低大功率放電對主電源的損害，又可以為供電電路提供備用電量；採用兩個鍺二極體代替開關繼電器來控制充電放電過程中的電流流向，可以有效降低供電電路的功率和設計成本。
[0030]本實用新型所提供的智能調壓站的供電電路，採用儘量少的元器件，可以適當縮小其規模；以最高的性價比，節約研製成本；使供電電路的性能達到最優，減少大功率放電對主電源的使用壽命的損害，使主電源的使用壽命達到最大，並能在主電源沒電時有足夠的預警時間，依靠超級電容暫時供電，以便及時更換進而提高智能調壓站的續航能力，避免其工作中斷。
[0031]本實用新型所提供的智能調壓站的供電電路，克服了主電源單獨供電的種種缺點和不足，有效提高了供電電路的性能，延長了主電源的使用壽命，解決了制約智能抄表系統供電的瓶頸問題。也為相關控制系統供電的發展提供了一種可以實踐的方法。
[0032]儘管本實用新型的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本實用新型的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本實用新型的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本實用新型的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
【權利要求】
1.一種智能調壓站的供電電路，其特徵在於，包含: 為抄表系統供電的主電源(S)； 超級電容(Cs)，其一端與所述的主電源(S)的正極連接； 充電保護電阻(R)，其一端與所述的超級電容(Cs)的另一端連接，其另一端與所述的主電源(S)的負極連接； 負載等效電阻(RL)，其並聯在所述的主電源(S)的兩端； 第一二極體(D1)，其連接在所述的主電源(S)的正極與超級電容(Cs)之間； 第二二極體(D2)，其並聯在所述的充電保護電阻(R)的兩端。
2.如權利要求1所述的智能調壓站的供電電路，其特徵在於，所述的第一二極體(Dl)的正極與主電源(S)的正極連接，該第一二極體(Dl)的負極與超級電容(Cs)連接。
3.如權利要求2所述的智能調壓站的供電電路，其特徵在於，所述的第二二極體(D2)的正極與主電源(S)的負極連接，該第二二極體(D2)的正極連接在超級電容(Cs)和充電保護電阻(R)之間。
4.如權利要求3所述的智能調壓站的供電電路，其特徵在於，所述的第一二極體(Dl)和第二二極體(D2)採用鍺二極體。
5.如權利要求1所述的智能調壓站的供電電路，其特徵在於，還包含電源去耦電容(C)，其並聯在所述的主電源(S)的兩端。
6.如權利要求5所述的智能調壓站的供電電路，其特徵在於，所述的電源去耦電容(C)的電容量為微法級。
【文檔編號】H02J9/00GK204103583SQ201420455839
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月13日 優先權日:2014年8月13日
【發明者】劉鑫光, 龔明, 王丹, 那麗麗 申請人:上海無線電設備研究所