一種智能調(diào)壓站的供電電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種智能調(diào)壓站的供電電路，其包含：為抄表系統(tǒng)供電的主電源；電源去耦電容，其并聯(lián)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(hù)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(fù)極連接；負(fù)載等效電阻，其并聯(lián)在所述的主電源的兩端；第一二極管，其連接在所述的主電源的正極與超級電容之間；第二二極管，其并聯(lián)在所述的充電保護(hù)電阻的兩端。本實(shí)用新型采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(tǒng)供電的瓶頸問題。
【專利說明】—種智能調(diào)壓站的供電電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種智能調(diào)壓站的供電電路，特別涉及一種用于優(yōu)化智能調(diào)壓站供電的模擬電路，屬于電源供電優(yōu)化領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]在國家大力發(fā)展天然氣等綠色能源的背景下，國內(nèi)各城市管網(wǎng)輸配系統(tǒng)也隨著城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大而擴(kuò)張。燃?xì)廨斉淝闆r日趨復(fù)雜，對燃?xì)獗O(jiān)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(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)不僅可以搜集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并通過聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些信息傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫；還能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的客戶計(jì)費(fèi)，并向客戶提供停電、布線穩(wěn)定性和自診斷等信息。
[0003]最新的無線抄表系統(tǒng)不僅需要電源能夠有效的以恒定速率來運(yùn)行內(nèi)部元件，而且還要能夠處理無線發(fā)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(shù)電池的壽命。當(dāng)工作模式發(fā)生改變時(shí)，許多電池供電設(shè)備的峰值功率需求可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電池的容量，有些還需要大電流脈沖功率。而電池要提供這樣的功率，很難不增加性能故障風(fēng)險(xiǎn)、縮短工作壽命、甚至提前出現(xiàn)電池故障。由于所采用的化學(xué)能量存儲機(jī)制會發(fā)生老化，電池都具有有限的生命周期。傳統(tǒng)電池的另一個(gè)問題是，它們具有很大的內(nèi)部等效串聯(lián)電阻(ESR)，從而無法始終如一地供應(yīng)大功率脈沖。而且，大部分智能抄表系統(tǒng)工作在井下等高溫高濕的惡劣環(huán)境下工作，這些極限溫度將嚴(yán)重降低電池的工作性能，并且還會造成電池壽命縮短。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，電池的內(nèi)阻會顯著增加。獨(dú)立的電池可能沒有足夠的功率可供發(fā)射機(jī)使用，從而會導(dǎo)致電池壽命縮短，系統(tǒng)性能下降。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種智能調(diào)壓站的供電電路，其采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(tǒng)供電的瓶頸問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種智能調(diào)壓站的供電電路，其包含:為抄表系統(tǒng)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(hù)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(fù)極連接；負(fù)載等效電阻，其并聯(lián)在所述的主電源的兩端；第一二極管，其連接在所述的主電源的正極與超級電容之間；第二二極管，其并聯(lián)在所述的充電保護(hù)電阻的兩端。
[0006]所述的第一二極管的正極與主電源的正極連接，該第一二極管的負(fù)極與超級電容連接。
[0007]所述的第二二極管的正極與主電源的負(fù)極連接，該第二二極管的正極連接在超級電容和充電保護(hù)電阻之間。
[0008]所述的第一二極管和第二二極管均采用鍺二極管。
[0009]本實(shí)用新型所述的智能調(diào)壓站的供電電路，還包含電源去耦電容，其并聯(lián)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(shí)用新型所提供的智能調(diào)壓站的供電電路，采用超級電容代替?zhèn)溆秒姵刈鳛楣╇婋娐返膫溆脙δ茉纯梢杂行Ы档痛蠊β史烹妼χ麟娫吹膿p害，又可以為供電電路提供備用電量；采用兩個(gè)鍺二極管代替開關(guān)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(shè)計(jì)成本。
[0012]本實(shí)用新型所提供的智能調(diào)壓站的供電電路，采用盡量少的元器件，可以適當(dāng)縮小其規(guī)模；以最高的性價(jià)比，節(jié)約研制成本；使供電電路的性能達(dá)到最優(yōu)，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(dá)到最大，并能在主電源沒電時(shí)有足夠的預(yù)警時(shí)間，依靠超級電容暫時(shí)供電，以便及時(shí)更換進(jìn)而提高智能調(diào)壓站的續(xù)航能力，避免其工作中斷。
[0013]本實(shí)用新型所提供的智能調(diào)壓站的供電電路，克服了主電源單獨(dú)供電的種種缺點(diǎn)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(tǒng)供電的瓶頸問題。也為相關(guān)控制系統(tǒng)供電的發(fā)展提供了一種可以實(shí)踐的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型中的智能調(diào)壓站的供電電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合圖1，詳細(xì)說明本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
[0016]如圖1所示，為本實(shí)用新型提供的智能調(diào)壓站的供電電路，其包含:為抄表系統(tǒng)供電的主電源S，并用于給供電電路中的其他所有元器件供電；電源去耦電容C，其并聯(lián)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，用于為供電電路提供瞬態(tài)大功率，又可作為儲能元件提高供電電路續(xù)航能力；充電保護(hù)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(fù)極連接，用于充電時(shí)限制電流，避免對超級電容Cs造成損壞；負(fù)載等效電阻RL，其并聯(lián)在所述的主電源S的兩端；第一二極管D1，其連接設(shè)置在所述的主電源S的正極與超級電容Cs之間，用于控制充電放電過程中的電流方向；第二二極管D2，其并聯(lián)在所述的充電保護(hù)電阻R的兩端，用于控制放電過程中的電流方向。
[0017]所述的第一二極管Dl的正極與主電源S的正極連接，該第一二極管Dl的負(fù)極與超級電容Cs連接。
[0018]所述的第二二極管D2的正極與主電源S的負(fù)極連接，該第二二極管D2的正極連接在超級電容Cs和充電保護(hù)電阻R之間。
[0019]所述的第一二極管Dl和第二二極管D2采用鍺二極管。
[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(gè)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(jì)。
[0021]本實(shí)用新型中，采用超級電容Cs作為自動抄表系統(tǒng)的備用儲能元件。超級電容又稱電化學(xué)電容器、或法拉電容、或黃金電容，是從上世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的具有特殊性能的電源，但其儲能過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且儲能過程是可逆的。所以超級電容可以反復(fù)充電數(shù)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(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大容量。超級電容的突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。超級電容采用靜電能量存儲機(jī)制，不存在磨損，所以實(shí)際上具有無限長的生命周期。超級電容的內(nèi)阻很低,能夠供應(yīng)大功率脈沖,所以為主電源增加并聯(lián)電容,能夠在脈沖功率期間幫助提供電源。將低內(nèi)阻的超級電容與主電源并行放置，能夠輕松地滿足幾乎全部所需的脈沖電流要求。能量先是緩慢地從并聯(lián)的、內(nèi)阻較大的主電源傳出并給超級電容充電，然后在需要的時(shí)候以突發(fā)電流脈沖的形式從超級電容中傳出。傳遞完脈沖電流之后，在兩次脈沖式負(fù)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(shí)相比，上述做法將減輕主電源的壓力，并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(yīng)用到許多消費(fèi)產(chǎn)品中的超級電容現(xiàn)在也使得自動化的水表和天然氣表能夠工作更長的時(shí)間。超級電容通過滿足相關(guān)應(yīng)用中的峰值功率需求，為補(bǔ)充和增加主電源壽命提供了一種解決方案。在這些應(yīng)用中,超級電容由主電源來充電,并在主電源出現(xiàn)故障或者需要提供峰值功率的時(shí)候發(fā)揮備份電源的作用。超級電容和主電源并行工作，使用在那些既需要持續(xù)低功率放電以連續(xù)工作，又需要脈沖功率用于峰值負(fù)載的應(yīng)用之中。
[0023]如圖1所示，當(dāng)超級電容Cs處于充電狀態(tài)時(shí)，主電源S通過電路回路abhfg，對超級電容Cs進(jìn)行充電；當(dāng)負(fù)載等效電阻RL需要較大的瞬時(shí)功率或者主電源S沒電時(shí)，此時(shí)供電電路通過超級電容Cs對負(fù)載等效電阻RL進(jìn)行供電，此時(shí)超級電容Cs處于放電狀態(tài)，其相當(dāng)于一塊備用電池，通過電路回路bcdeh向負(fù)載等效電阻RL供電。
[0024]根據(jù)RC回路電容充電公式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(shí)間，R為回路中的充電電阻R的電阻值，C為超級電容Cs的電容值。當(dāng)t=RC時(shí)，Uc=0.63Us，就是當(dāng)充電時(shí)間t為I倍RC時(shí)，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(jì)算得到，當(dāng)充電時(shí)間t為2倍RC時(shí)，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的86%。當(dāng)充電時(shí)間t為3倍RC時(shí)，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的95%。當(dāng)充電時(shí)間t為4倍RC時(shí)，超級電容Cs兩端的電壓Uc是主電源S的電壓Us的98%。當(dāng)充電時(shí)間t為5倍RC時(shí)，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(shí)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(jù)RC回路電容放電公式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(shí)間，R為回路中的充電電阻R的電阻值，C為超級電容Cs的電容值。當(dāng)t=RC時(shí)，Uc=0.37U0，就是當(dāng)放電時(shí)間t為I倍RC時(shí)，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(jì)算得到，當(dāng)放電時(shí)間t為2倍RC時(shí)，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的14%。當(dāng)放電時(shí)間t為3倍RC時(shí)，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的5%。當(dāng)放電時(shí)間t為4倍RC時(shí)，超級電容Cs兩端的電壓Uc是其放電初始電壓UO的2%。當(dāng)放電時(shí)間t為5倍RC時(shí)，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(shí)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(jià)比等因素，本實(shí)施例中，選擇飛騰力訊公司生產(chǎn)的超級電容，其額定電壓應(yīng)大于智能調(diào)壓器的供電電壓。因主電源的過沖等因素，超級電容的額定電壓要留有一定的余量。同時(shí)需考慮超級電容充電放電時(shí)間不能太快或者太慢等因素，如果充電時(shí)間太慢，那么智能調(diào)壓器的發(fā)射裝置在多次工作時(shí)，超級電容將始終不能有足夠的時(shí)間從主電源處獲得能量補(bǔ)充；如果放電時(shí)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(jìn)而影響智能調(diào)壓器的正常工作。
[0027]當(dāng)供電電路中的超級電容Cs處于放電狀態(tài)時(shí)，需要考慮一些問題。首先是放電時(shí)超級電容Cs的電路支路必須不能對主電源S支路也進(jìn)行反向充電，否則會造成能量的無端浪費(fèi)。因此，為確保超級電容Cs只向負(fù)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(shè)置一個(gè)鍺二極管D1。之所以選擇鍺二極管是因?yàn)殒N二極管的正向?qū)妷褐挥?.2V左右，相對于硅二極管0.7V的節(jié)點(diǎn)壓，可以使充電時(shí)超級電容Cs所能達(dá)到的電壓更大一些，在鍺二極管Dl上損失的電量相對較小。其次，當(dāng)供電電路中的超級電容Cs向負(fù)載等效電阻RL放電時(shí)，鍺二極管D2將充電保護(hù)電阻R短路，如果沒有鍺二極管D2，充電保護(hù)電阻R和負(fù)載等效電阻RL將串聯(lián)在一起，會造成超級電容Cs的放電電壓在充電保護(hù)電阻R上被分壓。如果充電保護(hù)電阻R和負(fù)載等效電阻RL的電阻值相差不大的話，又或者充電保護(hù)電阻R的電阻值大于負(fù)載等效電阻RL時(shí)，超級電容Cs放電時(shí)在負(fù)載等效電阻RL上的電壓將大大低于超級電容Cs兩端的電壓，也就是超級電容Cs存儲的電量在放電時(shí)會在充電保護(hù)電阻R上損失很多。
[0028]充電保護(hù)電阻R的選擇不僅要考慮充放電時(shí)間和價(jià)格因素，還要考慮其額定功率的問題。結(jié)合兩個(gè)鍺二極管，供電電路的相關(guān)元器件即可以確定下來。由于鍺二極管的分壓作用，充電時(shí)，主電源S通過鍺二極管Dl連接到負(fù)載等效電阻RL端，只有0.2V左右的電壓損失，但是整個(gè)供電電路是可以正常工作的。放電時(shí)，由于鍺二極管D2的分壓作用，使超級電容Cs可以達(dá)到負(fù)載等效電阻RL上的電壓又會損失0.2V。將本實(shí)用新型所述的供電電路連接到智能調(diào)壓器的電源輸入端后，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(jiān)測超級電容Cs的充電時(shí)間滿足計(jì)算所得結(jié)果，供電電路可以正常工作。超級電容充好電時(shí)(其兩端電壓為主電源的99%)，斷開主電源，供電電路在發(fā)射預(yù)警消息后仍然可以繼續(xù)工作足夠長的時(shí)間(依靠超級電容Cs的放電對負(fù)載進(jìn)行供電)，從而滿足要求。
[0029]綜上所述，本實(shí)用新型所提供的智能調(diào)壓站的供電電路，采用超級電容代替?zhèn)溆秒姵刈鳛楣╇婋娐返膫溆脙δ茉?，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；采用兩個(gè)鍺二極管代替開關(guān)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(shè)計(jì)成本。
[0030]本實(shí)用新型所提供的智能調(diào)壓站的供電電路，采用盡量少的元器件，可以適當(dāng)縮小其規(guī)模；以最高的性價(jià)比，節(jié)約研制成本；使供電電路的性能達(dá)到最優(yōu)，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(dá)到最大，并能在主電源沒電時(shí)有足夠的預(yù)警時(shí)間，依靠超級電容暫時(shí)供電，以便及時(shí)更換進(jìn)而提高智能調(diào)壓站的續(xù)航能力，避免其工作中斷。
[0031]本實(shí)用新型所提供的智能調(diào)壓站的供電電路，克服了主電源單獨(dú)供電的種種缺點(diǎn)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(tǒng)供電的瓶頸問題。也為相關(guān)控制系統(tǒng)供電的發(fā)展提供了一種可以實(shí)踐的方法。
[0032]盡管本實(shí)用新型的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本實(shí)用新型的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本實(shí)用新型的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種智能調(diào)壓站的供電電路，其特征在于，包含: 為抄表系統(tǒng)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(hù)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(fù)極連接； 負(fù)載等效電阻(RL)，其并聯(lián)在所述的主電源(S)的兩端； 第一二極管(D1)，其連接在所述的主電源(S)的正極與超級電容(Cs)之間； 第二二極管(D2)，其并聯(lián)在所述的充電保護(hù)電阻(R)的兩端。
2.如權(quán)利要求1所述的智能調(diào)壓站的供電電路，其特征在于，所述的第一二極管(Dl)的正極與主電源(S)的正極連接，該第一二極管(Dl)的負(fù)極與超級電容(Cs)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的智能調(diào)壓站的供電電路，其特征在于，所述的第二二極管(D2)的正極與主電源(S)的負(fù)極連接，該第二二極管(D2)的正極連接在超級電容(Cs)和充電保護(hù)電阻(R)之間。
4.如權(quán)利要求3所述的智能調(diào)壓站的供電電路，其特征在于，所述的第一二極管(Dl)和第二二極管(D2)采用鍺二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的智能調(diào)壓站的供電電路，其特征在于，還包含電源去耦電容(C)，其并聯(lián)在所述的主電源(S)的兩端。
6.如權(quán)利要求5所述的智能調(diào)壓站的供電電路，其特征在于，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(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】劉鑫光, 龔明, 王丹, 那麗麗 申請人:上海無線電設(shè)備研究所