Умный водосчётчик на основе суперконденсаторов

Интеллектуальные водосчётчики обычно используют встроенные литиевые батареи для управления открытием и закрытием водяных клапанов. Литиевые батареи обладают рядом преимуществ, включая лёгкую конструкцию, высокую энергоёмкость и низкие темпы саморазряда. Однако, поскольку эти умные водосчётчики не оснащены перезаряжаемыми схемами, со временем литиевые батареи теряют способность обеспечивать достаточную мощность для работы управляющих цепей, что требует их замены. Как для производителей водосчётчиков, так и для компаний-поставщиков водных услуг, выполнение замены батарей или самих счётчиков на месте является трудоёмкой и длительной задачей. Что ещё более критично, разряд батарей происходит непредсказуемо. Без точного и своевременного контроля уровня заряда батарей надёжные механизмы запирания клапанов могут выйти из строя, что приведёт к таким проблемам, как неучтённое потребление воды и несанкционированное отведение воды. Это представляет собой важнейшее ограничение внутренне питаемых от батарей умных водосчётчиков, напрямую влияющее на их широкое внедрение и практическую реализацию. Для решения этой проблемы производители водосчётчиков разработали различные решения, такие как минимизация энергопотребления за счёт ограничения статического тока утечки до уровня ниже 10 мкА, что гарантирует, что батарея сможет поддерживать непрерывную работу более пяти лет. Достижение этой цели предъявляет жёсткие требования к проектированию схем и выбору компонентов, что, в свою очередь, повышает сложность процесса проектирования и строгость окончательных испытаний продукции. Кроме того, включение надёжных схем контроля уровня заряда батарей дополнительно увеличивает производственные затраты.

Чтобы устранить этот критический узкий участок, препятствующий развитию умных водосчётчиков, многие производители уже начали изучать новаторское решение: замену литиевых батарей на суперконденсаторы в приложениях для умных водосчётчиков. Суперконденсаторы — это пассивные компоненты, которые лишь недавно начали массово выпускаться в последние годы. Они занимают уникальное положение между традиционными батареями и обычными конденсаторами, сочетая высокотоковые, быстрые возможности заряда и разряда конденсаторов с энергоёмкими свойствами батарей. Кроме того, суперконденсаторы обладают исключительно долгим сроком службы. При разряде они генерируют ток за счёт перемещения электронов между проводящими материалами — без использования химических реакций, — тем самым обеспечивая надёжный источник питания для подключённых устройств.

По сравнению с батареями, суперконденсаторы обладают следующими характеристиками:

1. Ультра-низкое последовательное эквивалентное сопротивление (LOW ESR) и плотность мощности, превышающая в десять раз таковую у литий-ионных аккумуляторов, делают их идеальными для применений с высоким током разряда. (Например, один конденсатор ёмкостью 4,7 Ф может обеспечить мгновенный ток, превышающий 18 А), гарантируя надежную работу водомерных контрольных моторных клапанов или электромагнитных клапанов.

2. Ультралёгкий срок службы: способен выдерживать более 500 000 циклов заряда-разряда — в 500 раз больше, чем у литий-ионных батарей, и в 1000 раз больше, чем у никель-металлогидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов. Если суперконденсатор заряжать и разряжать 20 раз в день, он сможет обеспечивать непрерывное использование до 68 лет.

3. Поддерживает зарядку высоким током, отличается короткими циклами заряда-разряда, требует простой схемы зарядки и не имеет эффекта памяти.

4. Не требует обслуживания и полностью герметичен.

5. Широкий диапазон температур: от -40°C до +70°C; типичный рабочий диапазон батареи — от -20°C до 60°C. Произведено компанией Shanghai Lvtai. Суперконденсаторы кнопочного типа бренда GTCAP Рабочие температуры варьируются от -40℃ до +70℃, при этом серия для высоких температур доступна от -40℃ до +85℃.

По сравнению с умными водосчётчиками, оснащёнными встроенными литиевыми батареями, данное решение заменяет литиевую батарею на суперконденсатор, который интегрирован непосредственно в счётчик и питается извне от сухой батарейки. Обычно сухая батарейка обеспечивает питание цепей счётчика и заряжает суперконденсатор. Когда возникает необходимость открыть водяной клапан, система сначала проверяет, хватит ли накопленной в суперконденсаторе энергии. Если энергии недостаточно, клапан остаётся закрытым. Однако, если в суперконденсаторе достаточно энергии, внешняя сухая батарейка поставляет необходимое питание для активации водяного клапана. Напротив, при закрытии клапана, если внешняя батарейка не способна обеспечить достаточную энергию, именно суперконденсатор в этот момент включается, чтобы гарантировать надёжное перекрытие клапана. Такая конструкция работает практически как резервуар для хранения воды: он накапливает воду во время нормальной работы и выпускает её в случае прерывания подачи воды, обеспечивая бесперебойную функциональность даже при временных отключениях.

Это решение явно превосходит предыдущую конструкцию и обладает следующими преимуществами:

1. Батарея отсоединена от водосчётчика, что исключает необходимость учитывать срок её службы и тем самым продлевает эксплуатационный ресурс счётчика.

2. С другой стороны, высокотоковые характеристики разряда суперконденсатора обеспечивают надежную работу закрытия водяного клапана. Даже когда внешнего питания от сухой батареи недостаточно, энергия, накопленная в суперконденсаторе, по-прежнему может использоваться для надежного перекрытия водяного клапана.

3. Раньше основное внимание уделялось исключительно минимизации тока утечки для обеспечения долговечности батареи. Однако после перехода на суперконденсаторы спецификация по току утечки стала менее критичной. Если заряд батареи становится низким, пользователи могут заменить её в любое время. Такой подход не только упрощает схемотехнику и сокращает количество процедур заводской проверки, но и снижает общие затраты на продукцию.

Это решение устраняет текущие недостатки умных водосчётчиков, прокладывая новый путь для развития интеллектуальной технологии учёта.