張藝凡

摘要：隨著人們對(duì)低功耗、循環(huán)利用等問(wèn)題的探索，在現(xiàn)代電子工業(yè)中為終端設(shè)備提供電能的電池慢慢地暴露出了維護(hù)困難、使用壽命短、高消耗等問(wèn)題。本文簡(jiǎn)介超級(jí)電容性能與特性，結(jié)合與數(shù)字化油田設(shè)計(jì)提出的利用超級(jí)電容提高儲(chǔ)能電池的使用壽命及對(duì)低功耗的影響與探索。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；無(wú)線傳感器；低功耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）25-0182-02

目前，無(wú)線傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，能源問(wèn)題已經(jīng)成為無(wú)線傳感器研究核心之一。針對(duì)在水利工程、石油化工及石油天然氣等方面的應(yīng)用，井口無(wú)線儀表基于MSP430單片機(jī)和ZigBee無(wú)線技術(shù)相互應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣田井口參數(shù)的采集和無(wú)線傳輸。超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能裝置，具有功率密度高、充電迅速快、使用壽命長(zhǎng)等特性，對(duì)其的研究及應(yīng)用也日益活躍。

1 超級(jí)電容

超級(jí)電容也稱(chēng)電化學(xué)電容器，可以很好地實(shí)現(xiàn)能量回收，利用充放電效率高，充放電速度快的特點(diǎn)。可以取代原有的極性電容，不是把能量釋放掉，而是吸收儲(chǔ)存起來(lái)，回饋給母線或者供電端。

超級(jí)電容運(yùn)用于無(wú)線儀表最大的特點(diǎn)是上電平穩(wěn)對(duì)電池的沖擊小，是電池對(duì)其平穩(wěn)放電，而放電時(shí)間短速度快，反應(yīng)機(jī)制高，啟動(dòng)時(shí)間與電路的穩(wěn)定性可以保證電池的耗電小，因此具有很好的循環(huán)壽命并且和蓄電池在儲(chǔ)存大量能量的時(shí)候電壓比較匹配。

2 超級(jí)電容和蓄電池

蓄電池是較為傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電池，一般情況下，在充放電時(shí)，電極電位的變化不大，其儲(chǔ)存的能量E=QV（Q：電池放電的電量；V：電池兩極電壓差）。蓄電池的比容量和電容器的比容量差別大歸結(jié)于儲(chǔ)鋰機(jī)制不一樣，電容器可以獲得超大的容量，可達(dá)到80000F。

3 井口無(wú)線儀表模塊仿真

隨著石油化工開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越大，融合傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)字化油田已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，而抽油機(jī)更是數(shù)字化油田的重要組成部分。對(duì)于井口數(shù)據(jù)的采集與傳輸，無(wú)線儀表更是至關(guān)重要。采用MSP430單片機(jī)的井口無(wú)線儀表采用單節(jié)蓄電池供電，在保證對(duì)無(wú)線儀表提供電能的同時(shí)還要最大可能的增大使用壽命。

利用抽油機(jī)仿真的平臺(tái)，對(duì)各模塊功能研究與測(cè)試就可以再實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，簡(jiǎn)化了對(duì)數(shù)字油田建設(shè)，模擬抽油機(jī)工作所有的生產(chǎn)管理過(guò)程的功能，為數(shù)字化抽油機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)提供平臺(tái)。圖1為抽油機(jī)仿真模塊。

井口無(wú)線儀表工作過(guò)程分為4個(gè)過(guò)程：1）深度休眠階段，耗電<[100μA]；2）休眠階段，不發(fā)送不采集；3）AO采集；4）通信狀態(tài)，耗電在20～30mA。在實(shí)際應(yīng)用中的采用蓄電池供電，單節(jié)電池耗電量為19A/h，在降低功耗的原則上各個(gè)工作狀態(tài)下電量采集模塊都會(huì)有一個(gè)充放電的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程對(duì)蓄電池的折損是不可逆的。因此，引入超級(jí)電容的特性，在低功耗的原則下利用超級(jí)電容充放電時(shí)間短、容量大、上電平穩(wěn)對(duì)電池沖擊小等特性增強(qiáng)電池使用壽命利用實(shí)際工作中抽油機(jī)控制系統(tǒng)的建設(shè)。

4 供電系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容運(yùn)用的測(cè)試與研究

在完全按照實(shí)際操作中的井口無(wú)線儀表，制作出實(shí)驗(yàn)板并進(jìn)行升級(jí)改造加入超級(jí)電容進(jìn)行工作狀態(tài)下的耗電測(cè)試，從而探索研究超級(jí)電容對(duì)耗電的影響度。

圖2 電源裝換模塊

在仿真平臺(tái)下模擬抽油機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)2塊實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試板運(yùn)營(yíng)過(guò)程分為1）上電/重啟（1s～2s），指示燈連續(xù)閃爍1s～2s；2）進(jìn)入等待配置（10s）階段，即為AO采集應(yīng)答階段，如若應(yīng)答成功進(jìn)入應(yīng)用層下載配置階段，否者10s后沒(méi)有應(yīng)答成功系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠階段；3）通信狀態(tài)。工作狀態(tài)指示燈均1s閃爍一次。表2顯示2中測(cè)試板的耗電情況。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試我們可以看出，在加有超級(jí)電容的測(cè)試板中耗電會(huì)隨著閃爍燈而變化，在燈滅時(shí)整體耗電會(huì)下降到15mA，表明此時(shí)超級(jí)電容已經(jīng)代替電池對(duì)電路供電，對(duì)無(wú)線儀表的工作耗電低功耗上起到了一定量的作用，并有效地減少了對(duì)電池能量的消耗，同時(shí)利用超級(jí)級(jí)電容的特性減少了由于不當(dāng)?shù)姆烹姵潆妼?duì)蓄電池內(nèi)部的破壞。

5 結(jié)論

以超級(jí)電容器為儲(chǔ)能元件來(lái)代取原有的極性電容為低功耗無(wú)線傳感器供電轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)際測(cè)試，得出了該能量供應(yīng)在實(shí)現(xiàn)低功耗、提高能量利用率、增強(qiáng)使用壽命方面都有明顯的成果。超級(jí)電容作為新型儲(chǔ)能裝置，被更多的利用與市場(chǎng)中，它的高功率比、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)更好地融合在計(jì)算機(jī)、通信等現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)中，在未來(lái)的研究與探索中它將更大可能地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

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