超级电容（法拉电容）在智能水表中的应用

智能水表简介
---传统的智能水表在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点是重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此，由于智能水表都没有设计再充电电路，锂电池使用到一定时间后，将无法为控制电路提供能量，不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表，这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事情。更危险的是，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不和及时的监测电池电量，将无法可靠地关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。针对这一问题，水表生产厂家设计了很多方案，如：尽量降低功耗，在静态时控制漏电流在10μA以内，保证电池可以连续使用5年以上，这对电路的设计和元器件的选型提出了更高的要求，增加了设计难度和成品检测的工序，如加上可靠的电池电量监测电路，也会使成本增加。

新的解决方案
---为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，已有不少厂家尝试了一种全新的方案，那就是用超级电容（Super-Capacitor）代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，性能介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。

---以美国库柏（Cooper）超级电容为例，与电池进行比较，有如下一些明显特性：
* 超低串联等效电阻（ESR），功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）为水表控制电机阀或电磁阀的可靠开启提供了保障。
* 超长寿命，充放电大于50万次，是锂离子电池的500倍，是镍氢和镍镉电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。
* 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。
* 免维护，可密封。
* 温度范围宽-40～+70℃，普通电池是-20～60℃。

方案描述
---与内装锂电池的智能水表相比，这种方案是用超级电容替换锂电池封装在水表中，同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容的充电，在需要开启水阀时，由外接干电池提供能量将水阀开启；在需要关断水阀时，如果外接电池不能提供能量将水阀关断，那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱，平时将水存储起来，在停水时才起作用。
---正常情况下，电池通过电阻R、二级管D1向负载和超级电容充电。电阻R的作用是限制电流过大，因为超级电容内阻很小，充电时电流较大可能造成电池损坏。二级管D1防止反向电流。当电池电压过低，或突然断电时（如取下电池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超级电容存储的能量足以关断阀门。

方案优点
 ---这种方案明显优于以前的设计，优点如下：
*将电池从水表中分离出来，从而可以不考虑电池寿命对水表的影响，大大延长了水表的使用时间。
* 另一方面，超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性，在外接干电池电量不足时，仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。
* 以前一味追求的漏电流指标，主要是为了保障电池的使用寿命，改用超级电容后，漏电流指标变得不再重要。如果电池电量不足，用户可以随时更换。这样，不仅使电路设计简化，减少产品的出厂检验工序，还使产品的成本降低。

结论
---这种方案克服了现阶段智能水表的缺点，为智能水表的发展找到了一条新的途径。目前国内已有多家水表生产厂应用该方案，实践证明，它是切实可行的。