基于超级电容的智能电能表长寿命后备电源设计

王学信,郑小平,谢正权,王亮,熊宠巍,龙志进

(1．威胜信息技术股份有限公司,长沙 410205; 2.威胜集团有限公司,长沙 410205;3.湖南晟和电源科技有限公司,长沙 410205)

0 引 言

在智慧城市和智能电网建设中,智能电能表发挥了重要的作用,为了实时获取电能信息,越来越多的智能电能表集成了远程通信模块(HPLC、WiFi、ZigBee、Wi-SUN、LoRaWAN、NB-IoT、GPRS等),向服务平台提供实时信息,并完成供电服务商和用电客户的数据交互和服务响应。当发生突然断电情况时,智能表后备电源需有足够电能以确保其持续工作一段时间,以便智能表向主站上报服务中断信息,或保留人机接口交互能力,以及时进行故障处理,同时便于智能表将缓存区的关键过程数据保存到存储器。

完全停电状态下的通信工作所需的电能和功率,远远超出了电能表的“掉电存数”和“停电显示”的能量,因此选择超级电容(super capacitor)作为储能备用电源是比较好的实现方法[1],但超级电容是电化学材料制造的元件,使用中对环境温度和电压非常敏感,设计不当将加速损害其工作寿命,从而不能保证智能电能表可靠工作16年(国家电网2020年电能表企业技术标准[2])要求,文章针对超级电容特点,结合国际同行的经验,分析寿命计算方法,并提出一种设计方案,及进行方案验证。

关于超级电容在仪表方面的应用,国内外已有些研究成果,可参见文献[3-7],其中文献[3]针对电能表电池欠压问题,用更小的扣式电池加超级电容对电能表进行了重新设计,但没有在业界普及应用;文献[4]分析了超级电容的电性能和不同标准的差异,并分析了智能电能表和水表的电能需求与超级电容提供电能的可行性,但没有具体方法;文献[5]介绍了超级电容行业的最新发展,特别是电动汽车对高功率密度的需求推动了超级电容的进步并带动了在智能仪表上的应用;文献[6-7]以制造商的市场敏感性,介绍了物联网蓬勃发展时代,超级电容在智能仪表应用的新趋势,但没有介绍寿命案例。

文章以国内电能表工作寿命达16年的新要求,分析超级电容的寿命影响因素和解决方案,达到了既能保证电能表断电后的远程通信需求,又能从设计角度保证超级电容与电能表整机的工作寿命同步。

1 超级电容的16年工作寿命设计

随着绿色能源、节能减排、电动汽车和移动消费电子产品产业的蓬勃发展[7-8],对功率型储能元件的需求越来越多,极大地推动了超级电容制造技术的进步,超级电容又称为电化学双层电容器(EDLC),工作温度范围一般为-25 ℃ ～85 ℃,单位容量(比容量)优于电解电容,功率密度(比功率)优于锂电池,循环充放电次数一般为50万次,优于锂电池的5 000次,而且绿色环保。超级电容的最大问题是单体额定最大工作电压目前只能做到3 V,一般要通过串并联来满足工业应用,例如,在智能电能表上应用,通过两个10 F/3 V的电容串联并充电到5 V,放电至3.6 V,则所能获得的理论电能为：

(1)

若通信模块需要的供电功率为3.6 V/400 mA,上述储能所能提供的最大通信时间为：

(2)

通常一次通信的时间不超过0.5 s,可见所储能的能量足够使用。

如果电能表的MCU在停电状态下工作在3 V/20 μA,停电显示数据时需要3 V/4 mA的供电,依据式(1)的推算,可以显示大约40 min,基于此优势用超级电容取代表计内大量使用的锂电池,将成为大势所趋。

合理设计使用超级电容,是保证其工作寿命与整机寿命同步的关键,国际工业界对超级电容的寿命估计主要有3条规则[1,4,9]：

1)电容容值在使用后下降到初始值的70%,或等效串联电阻增加一倍,则认为电容失效;

2)电容使用的环境温度每降低10 ℃寿命增加一倍;

3)电容工作电压每降低0.2 V寿命增加一倍。

以国际厂商Maxwell的BCAP0010系列[7,10-11]超级电容产品(品牌标识：Ultra Capacitor)为例进行设计计算说明,其它品牌基本类似[12-13]。产品说明书中给出的常温和高温下的寿命估值指标为：10年(UR=3V、25 ℃)、2 000 h(UR=3V、 65 ℃),显然即使在常温下也达不到16年寿命要求,只能依据规则3进行电压降额使用,如两个最高极限电压为UR=3 V的电容串联并充电至5 V,即每个电容电压为2.5 V,由式(3)知降压设计可将10年寿命延长至55.6年,即5.66倍。依据规则2,由式(4)、式(5)可反算出16年寿命的平均环境温度：T=43 ℃,可见常温工作条件下有寿命余量。

(3)

(4)

(5)

由式(6)、式(7)反算65 ℃下2 000 h寿命参数下的16年寿命平均工作温度为28.7 ℃,可见高温环境对电容的寿命影响较大。

(6)

T=28.7 ℃

(7)

由以上分析可见,用25 ℃ 常温指标参数条件推算的电压降额设计可以在43 ℃ 环境以下达到寿命要求,用65 ℃ 高温指标参数条件推算的电压温度降额设计可以在28.7 ℃ 环境温度下达到16年寿命要求。由于中国电能表采用了IEC国际标准,即标准规定为室内用仪表,计量准确度参比温度为23 ℃,为此电能表的安装有相应的表箱和遮阳要求[2],除个别场合外年平均温度不会长期超过28 ℃,因此通过串联实现电压降额设计,可以实现16年设计寿命。

2 确保设计寿命的电路设计

超级电容的最高极限电压有3V[13]或2.7 V等规格,而通信模块一般要求4V以上的直流供电,为此可以采用两个以上超级电容串联,或一个电容加DC/DC升压集成电路的办法[1]来满足通信模块要求,但对大量使用的电能表来说,两个电容串联更加符合低成本要求,下面主要讨论串联电路设计。

尽管电容的品牌、标称容值和生产批次都相同,但它们之间还是有±15%～±20%的容差[10,13]以及5 mΩ的直流等效串联电阻值(ESRDC)偏差,串联工作时将造成电容电压不相等,从而影响其寿命。若假定标称值为C,C1=90%C,C2=130%C,串联充电后最大的电压比则为：

(8)

对于输出为5 V的电路,由下式计算可知,UC1已超出了降额电压(2.5 V)设计要求,并有加速偏小容值电容(C1)因过压而提前失效的后果。

(9)

UC2=5-2.955=2.045(V)

(10)

为此,要在串联电容上施加保护电路。

2.1 常见的电容保护电路

一般使用的保护方案有[1]：

1)电容上并联分压电阻,见图 1,由于RC值很大,只适合超慢速充电和平衡电容漏电流造成的压差,故此方案常作为错误案例。

图1 电阻平衡电路

2)电容上并联稳压二极管,见图2,但由于稳压二极管的温度特性差,标称稳压值误差大,批量生产的筛选成本很高,不宜在量产中使用。

图2 稳压管平衡电路

3)运算放大器构成电压平分电路,见图3。这是一种有源主动式电压平衡管理,需要给运算放大器提供电源,运放的功耗、高成本和复杂性也不太适合电能表要求[14-15]。

图3 运算放大器平衡电路

这里推荐一种比较适合智能电能表的设计,其核心元器件是内置2.5V电压基准源的可控精密稳压源TL431[16]。

2.2 电能表应用的5V充电保护电路

最简单的办法是用5 V电源直接对串联电容充电,只要5 V电源在中断后不会倒流形成电容放电回路和储能能量损失即可。相关电路如图4所示,图4中V1为5 V充电电源,D1用来阻止电容电流向电源倒流,节点Chg为5 V充电电压,两个TL431以2.5 V稳压模式与电容并联提供限压保护,其串联的N-MOSFET开关管(AO6408)用来阻止电容在非充电阶段通过TL431 漏电,以便延长储能待机时间;R2电阻用来控制N-MOSFET在充电时开通,掉电时关断。

图4 5V电源充电电路原理图

若设C1=9 F,C2=13 F,由式(7)可知,UC1为2.955 V,C1的电压超出了设计寿命要求。

N-MOSFET阻断电容通过TL431漏电的延长待机时间效果可用模拟电路Spice仿真软件进行对比分析,如设置C1/C2的初始电压为2.5 V,电容自放电电流为20 μA,用Spice测量指令测量电路输出电压从5 V下降至3.6 V的时间(. meas TRAN DisChgTime WHENV(out1) =3.6 V;),可得到有/无MOSFET情况下的漏电时间为86.17 h和9.28 h,两者相差9倍,可见MOSFET的关键作用。同样,也可用指令测量出D1的平均漏电电流为2.56 μA,TL431为190 μA。

2.3 电能表应用的12V充电保护电路

由于5 V电源一般是电能表的主电源,出于整机功耗的上限标准要求,电源设计往往没有多余的输出功率,较大的充电电流可引起输出电压瞬间跌落,从而导致MCU复位或程序出错故障,通常可以采用电能表中常用的12 V辅助电源进行充电设计,其参考电路如图5所示。

其中V1为12 V充电电源,Q1、U3、R1～R5构成了5 V输出稳压电路,二极管(D1)、增加的MOSFET开关管(M3)同样是防止储能电容在充电电源中断后通过稳压电路漏电。

图5 推荐的实用电路

在充电过程中,先由R2驱动Q1三极管基极导通充电,充电至4 V左右时,开始由U1控制,最后达到接近5 V时彻底关断Q1三极管,使充电电路的静态功耗降低为零。

TL431作为稳压电路的闭环控制核心,其反馈信号由R3、R4串联分压电阻获得,其计算公式为：

(11)

可以初步确定R3=R4=200 kΩ,再用Spice仿真进行模拟运行,最后确定R4为248 kΩ。

以上两个电路充分利用了TL431集成电路的电压精确性和确定性,克服了一般稳压二极管的缺点,电路也十分简洁。

3 推荐电路的仿真、实测验证与电路特点

3.1 仿真验证

图5电路的充电电压、电流波形仿真输出如图6～图8所示。Spice仿真软件为LTspice®[17-18]。

由图 6、图 7可见小电容C2先充满至2.5 V,其电流降至0 mA以下,并中断了C1的充电回路,大电容C1继续通过并联在C2的TL431回路完成充电(见图8)。

为了检验电路的极限工作能力,将电容初始电压设置为0 V：.icV(out1,out2)=0V(out2)=0。

相关仿真Spice设置指令为：仿真时间500 s和零初始参数：.tran 0 500 startup。

图6 电容充电电压波形

图7 12 V电容充电电流波形

图8 TL431充电续流波形

图9为电容的Spice软件的等效电路模型,因是低频电路可不考虑串联电感(Lser)因素。对于只给出自放电电流(ILeakage)的产品,可使用右半图模型。

图9 电容的Spice等效电路图

图10为TL431的符号图和原理示意图,当把检测端(REF)和阴极端(CATHODE)直接短接后,就可实现2.500 V的精密稳压管功能,因其在阴阳两极电压为1 V～2.5 V时阴极有IK=0～400 μA的电流,故要防止电容通过其漏电。

图10 TL431图标、等效原理图

TL431的Spice模型可依据元件说明书提供的等效电路[16](见图 11)编制,并要用所用模型模拟说明书中的元件性能测试电路,输出图形和数据与说明书吻合时才能放心使用。

图11 TL431详细原理图

3.2 实验验证

实测电路如图4所示,两个超级电容的标称值分别为10 F、13.3 F,测试仪表为Fluke F17B万用表和横河DGAWA DLM2024示波器,测试和分析如下。样机和测试结果如图12所示。

图12 漏电流测试

图12为验证MOSFET(M1,AO6408)管对U1(TL431)的漏电阻断能力。操作过程为电容充满电后切断充电电源,查验串联在TL431回路中的万用表电流显值是否为0 μA。测试结果达到了预期结果。

图13、图14为电容充电电压、电流波形,其中,小电容的充电时长为151 s,大电容的充电时长为235 s,图 15为充电时间从151 s-235 s之间由TL431为大电容提供充电回路的电流波形。波形显示充电过程电压值小于等于2.5 V,续流回路也可达到预期结果。

3.3 电路特点

从以上电路原理分析和仿真、实验结果可知,两个超级电容串联组成5 F/5 V的储能电源电路具有如下特点：

1)确保电容寿命不受过电压损害。U1、U2精密稳压源(2.5 V)不仅在充电过程中确保电容不过压(小于2.5 V),而且可以作为补充充电回路,即在小容值电容率先充满到2.5 V后,向偏大容值电容提供充电回路直至其充满。

2)充满后自动进入浮充状态,可随时补充电容自放电丢失的电能。选择合适的充电限流电阻R1(图 4)和稳压电路输出电压(图5),能应对长期运行后不断增大的电容漏电流,且不增加整机电源损耗。

3)无损储能。在充电电源中断后,MOSFET开关切断了U1～U3的0.33 mA放电回路,保证了电容储能没有漏电回路。这一功能的好处是可以提供更长的储能电源待机时间。目前有不少国家的电能表技术条件要求停电后48 h待机后依旧能够提供10 s的数据通信能力,而国内装表位置比较密集,排队通信也应需要这样的待机功能。

4)可扩展性。文章仅针对电能表的应用需要进行了两个电容的串联分析,而在数据采集终端设计中一般要串联5～6个电容到12 V电压,只要相应增加相同的保护电路即可实现。

图13 充电过程电容电压波形

图14 充电过程电容电流波形

图15 充电过程TL431(U1)续流波形

4 结束语

文章针对国家电网和南方电网公司智能电能表寿命达16年的新技术要求,通过电容理论寿命计算、设计电路仿真和实验验证,证明了“高选低用”是确保16年寿命的唯一办法,即选3 V规格不选2.7 V并只用到2.5 V;同时给出了串联电容下实现每个电容工作电压稳定在2.5 V的电路和仿真结果,证明了用串联实现降额的可行性,对市电供电的智能互联仪表设备的备用电源设计具有一定的借鉴意义。

微功耗电路的设计难点在于电路测试和验证,而采用Spice模拟电路仿真工具,在验证元器件Spice模型正确的基础上,可对电路的每个节点进行电压、电流波形观察,元器件瞬时功率观测,不仅可找出能量漏损点,并可指导元器件的选型,防止设计细节上的失误,提高设计成功率。