面對智能電表設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如何最大限度地延長電池壽命

1. 前言

隨著中國信息化、智能化、科技化水平的提升，智能技術(shù)在水表、電表、燃?xì)獗怼崃勘碇械膽?yīng)用也越來越廣泛。目前中國正在對智能電表、智能水表、智能燃?xì)獗?、智能熱量表進(jìn)行大力的研究和建設(shè)工作。隨著電網(wǎng)改革進(jìn)程的不斷加快，智能電表在中國已得到了大范圍的推廣，其余三表也得到了不同程度的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建智慧城市的潮流在全世界范圍內(nèi)興起，許多國家已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了初步成就。全球智慧城市的規(guī)劃布局中，都少不了對智慧水務(wù)、智慧電力的大力投入。智慧水電以其在城市運(yùn)行中的重要基礎(chǔ)地位，成為了智慧城市建設(shè)的先行軍。自然也就為智能電表和水表帶來了發(fā)展空間。

設(shè)計(jì)下一代智能水表、燃?xì)獗砗碗姳淼脑O(shè)計(jì)師面臨著許多挑戰(zhàn)。除了在競爭激烈的市場中始終存在的將成本降至最低的需求之外，性能、能耗和壽命可靠性要求都迫使我們不斷尋求創(chuàng)新的解決方案。

然而，在創(chuàng)新方面，智能電表設(shè)計(jì)人員必須解決以下三個(gè)具體挑戰(zhàn)：

· 最大限度地延長電池壽命，從而延長儀表的整體壽命。

· 提高整個(gè)水表和/或燃?xì)獗砩芷谥辛髁繙y量的準(zhǔn)確性。

· 減輕危害電表性能和服務(wù)運(yùn)營商商業(yè)模式的篡改攻擊帶來的日益增加的威脅。

2.如何去實(shí)現(xiàn)三個(gè)挑戰(zhàn)
讓我們考慮第一個(gè)挑戰(zhàn)。智能水表和煤氣表通常必須使用不可充電的原電池在各種環(huán)境條件下運(yùn)行至少 15 年，這使得能源消耗和整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)準(zhǔn)確測量的可靠性成為設(shè)計(jì)的最高優(yōu)先事項(xiàng)。

智能水表和燃?xì)獗碇凶畛Ｒ姷碾姵鼗瘜W(xué)成分是鋰基電池。鋰亞硫酰氯 (LiSOCL 2 ) 電池的高能量密度和低自放電率使其非常適合長壽命應(yīng)用。

另一個(gè)越來越受歡迎的選擇是鋰二氧化錳 (LiMnO 2 ) 化學(xué)，因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的高脈沖電流能力。隨著智能電表集成了更多高功率射頻通信模塊，例如窄帶物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器，電池需要在傳輸間隔期間提供 1A 或更高的周期性電流脈沖。

通過預(yù)測性維護(hù)最大限度地提高智能電表的投資回報(bào)率
智能水表和燃?xì)獗硇枰休^長的有效壽命，以便為服務(wù)運(yùn)營商提供足夠的投資回報(bào)，并最終最大限度地降低消費(fèi)者的公用事業(yè)成本。部署智能水表網(wǎng)絡(luò)是服務(wù)運(yùn)營商的一項(xiàng)重大資本投資。在 2017 年接受彭博新聞采訪時(shí)，DC Water 首席執(zhí)行官 George Hawkins 提到，在華盛頓特區(qū)的每個(gè)家庭中安裝一個(gè)智能電表的成本為 180 美元。技術(shù)如何幫助確保運(yùn)營商和消費(fèi)者以該成本獲得最大價(jià)值？

一種選擇是使用儀表智能來執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)。如果智能電表能夠準(zhǔn)確預(yù)測其電池的剩余有效壽命，那么服務(wù)運(yùn)營商就可以更經(jīng)濟(jì)高效地規(guī)劃更換周期。如果由于有利的環(huán)境條件，電表達(dá)到其預(yù)計(jì)壽命結(jié)束時(shí)仍有 20% 的能量可用，該怎么辦？服務(wù)運(yùn)營商是否仍應(yīng)更換儀表？相反，如果不利的環(huán)境條件、組件故障或某些其他可靠性問題縮短了儀表的電池壽命，則服務(wù)運(yùn)營商將受益于足夠的警告，以便提前計(jì)劃服務(wù)。

TI 的設(shè)計(jì)展示了一種用于監(jiān)測水表和燃?xì)獗碚w健康狀況的新型解決方案。它使用BQ35100 電量計(jì)和服務(wù)終止監(jiān)視器來跟蹤主電池中的剩余電量，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用情況準(zhǔn)確估計(jì)電池的剩余壽命。

該參考設(shè)計(jì)還使用ADS7142 傳感器監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，以自主監(jiān)控系統(tǒng)電流消耗，并實(shí)時(shí)將其與預(yù)計(jì)使用情況進(jìn)行比較。這使系統(tǒng)能夠立即確定操作條件是否發(fā)生變化。這些變化可能是由于環(huán)境、組件退化、固件錯(cuò)誤或其他一些需要識別的故障條件造成的。

3.結(jié)論
隨著性能和連接期望的增加以及降低成本和延長壽命的市場壓力，最大限度地延長電池壽命的挑戰(zhàn)可能會令人生畏。如本參考設(shè)計(jì)所示，通過實(shí)時(shí)預(yù)測電池壽命和監(jiān)控系統(tǒng)性能的新功能提高系統(tǒng)智能，有助于應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。