超級電容在井口無線儀表中的研究與探索

張藝凡

摘要：隨著人們對低功耗、循環利用等問題的探索，在現代電子工業中為終端設備提供電能的電池慢慢地暴露出了維護困難、使用壽命短、高消耗等問題。本文簡介超級電容性能與特性，結合與數字化油田設計提出的利用超級電容提高儲能電池的使用壽命及對低功耗的影響與探索。

關鍵詞：超級電容；無線傳感器；低功耗

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）25-0182-02

目前，無線傳感器被廣泛應用于工業現場中，能源問題已經成為無線傳感器研究核心之一。針對在水利工程、石油化工及石油天然氣等方面的應用，井口無線儀表基于MSP430單片機和ZigBee無線技術相互應用，實現對油氣田井口參數的采集和無線傳輸。超級電容器作為一種新型的儲能裝置，具有功率密度高、充電迅速快、使用壽命長等特性，對其的研究及應用也日益活躍。

1 超級電容

超級電容也稱電化學電容器，可以很好地實現能量回收，利用充放電效率高，充放電速度快的特點。可以取代原有的極性電容，不是把能量釋放掉，而是吸收儲存起來，回饋給母線或者供電端。

超級電容運用于無線儀表最大的特點是上電平穩對電池的沖擊小，是電池對其平穩放電，而放電時間短速度快，反應機制高，啟動時間與電路的穩定性可以保證電池的耗電小，因此具有很好的循環壽命并且和蓄電池在儲存大量能量的時候電壓比較匹配。

2 超級電容和蓄電池

蓄電池是較為傳統的儲能電池，一般情況下，在充放電時，電極電位的變化不大，其儲存的能量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于儲鋰機制不一樣，電容器可以獲得超大的容量，可達到80000F。

3 井口無線儀表模塊仿真

隨著石油化工開采規模的不斷擴大，開發難度越來越大，融合傳感技術、計算機技術和無線通信技術的數字化油田已經成為主流趨勢，而抽油機更是數字化油田的重要組成部分。對于井口數據的采集與傳輸，無線儀表更是至關重要。采用MSP430單片機的井口無線儀表采用單節蓄電池供電，在保證對無線儀表提供電能的同時還要最大可能的增大使用壽命。

利用抽油機仿真的平臺，對各模塊功能研究與測試就可以再實驗室內完成，簡化了對數字油田建設，模擬抽油機工作所有的生產管理過程的功能，為數字化抽油機控制系統的研發提供平臺。圖1為抽油機仿真模塊。

井口無線儀表工作過程分為4個過程：1）深度休眠階段，耗電<[100μA]；2）休眠階段，不發送不采集；3）AO采集；4）通信狀態，耗電在20～30mA。在實際應用中的采用蓄電池供電，單節電池耗電量為19A/h，在降低功耗的原則上各個工作狀態下電量采集模塊都會有一個充放電的過程，這個過程對蓄電池的折損是不可逆的。因此，引入超級電容的特性，在低功耗的原則下利用超級電容充放電時間短、容量大、上電平穩對電池沖擊小等特性增強電池使用壽命利用實際工作中抽油機控制系統的建設。

4 供電系統對超級電容運用的測試與研究

在完全按照實際操作中的井口無線儀表，制作出實驗板并進行升級改造加入超級電容進行工作狀態下的耗電測試，從而探索研究超級電容對耗電的影響度。

圖2 電源裝換模塊

在仿真平臺下模擬抽油機控制系統對2塊實驗板進行對比測試。測試板運營過程分為1）上電/重啟（1s～2s），指示燈連續閃爍1s～2s；2）進入等待配置（10s）階段，即為AO采集應答階段，如若應答成功進入應用層下載配置階段，否者10s后沒有應答成功系統自動進入休眠階段；3）通信狀態。工作狀態指示燈均1s閃爍一次。表2顯示2中測試板的耗電情況。

通過實驗測試我們可以看出，在加有超級電容的測試板中耗電會隨著閃爍燈而變化，在燈滅時整體耗電會下降到15mA，表明此時超級電容已經代替電池對電路供電，對無線儀表的工作耗電低功耗上起到了一定量的作用，并有效地減少了對電池能量的消耗，同時利用超級級電容的特性減少了由于不當的放電充電對蓄電池內部的破壞。

5 結論

以超級電容器為儲能元件來代取原有的極性電容為低功耗無線傳感器供電轉換裝置的實際測試，得出了該能量供應在實現低功耗、提高能量利用率、增強使用壽命方面都有明顯的成果。超級電容作為新型儲能裝置，被更多的利用與市場中，它的高功率比、長循環壽命等優勢，已經更好地融合在計算機、通信等現代電子產業中，在未來的研究與探索中它將更大可能地發揮其優勢。

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