超级电容在井口无线仪表中的研究与探索

张艺凡

摘要：随着人们对低功耗、循环利用等问题的探索，在现代电子工业中为终端设备提供电能的电池慢慢地暴露出了维护困难、使用寿命短、高消耗等问题。本文简介超级电容性能与特性，结合与数字化油田设计提出的利用超级电容提高储能电池的使用寿命及对低功耗的影响与探索。

关键词：超级电容；无线传感器；低功耗

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）25-0182-02

目前，无线传感器被广泛应用于工业现场中，能源问题已经成为无线传感器研究核心之一。针对在水利工程、石油化工及石油天然气等方面的应用，井口无线仪表基于MSP430单片机和ZigBee无线技术相互应用，实现对油气田井口参数的采集和无线传输。超级电容器作为一种新型的储能装置，具有功率密度高、充电迅速快、使用寿命长等特性，对其的研究及应用也日益活跃。

1 超级电容

超级电容也称电化学电容器，可以很好地实现能量回收，利用充放电效率高，充放电速度快的特点。可以取代原有的极性电容，不是把能量释放掉，而是吸收储存起来，回馈给母线或者供电端。

超级电容运用于无线仪表最大的特点是上电平稳对电池的冲击小，是电池对其平稳放电，而放电时间短速度快，反应机制高，启动时间与电路的稳定性可以保证电池的耗电小，因此具有很好的循环寿命并且和蓄电池在储存大量能量的时候电压比较匹配。

2 超级电容和蓄电池

蓄电池是较为传统的储能电池，一般情况下，在充放电时，电极电位的变化不大，其储存的能量E=QV（Q：电池放电的电量；V：电池两极电压差）。蓄电池的比容量和电容器的比容量差别大归结于储锂机制不一样，电容器可以获得超大的容量，可达到80000F。

3 井口无线仪表模块仿真

随着石油化工开采规模的不断扩大，开发难度越来越大，融合传感技术、计算机技术和无线通信技术的数字化油田已经成为主流趋势，而抽油机更是数字化油田的重要组成部分。对于井口数据的采集与传输，无线仪表更是至关重要。采用MSP430单片机的井口无线仪表采用单节蓄电池供电，在保证对无线仪表提供电能的同时还要最大可能的增大使用寿命。

利用抽油机仿真的平台，对各模块功能研究与测试就可以再实验室内完成，简化了对数字油田建设，模拟抽油机工作所有的生产管理过程的功能，为数字化抽油机控制系统的研发提供平台。图1为抽油机仿真模块。

井口无线仪表工作过程分为4个过程：1）深度休眠阶段，耗电<[100μA]；2）休眠阶段，不发送不采集；3）AO采集；4）通信状态，耗电在20～30mA。在实际应用中的采用蓄电池供电，单节电池耗电量为19A/h，在降低功耗的原则上各个工作状态下电量采集模块都会有一个充放电的过程，这个过程对蓄电池的折损是不可逆的。因此，引入超级电容的特性，在低功耗的原则下利用超级电容充放电时间短、容量大、上电平稳对电池冲击小等特性增强电池使用寿命利用实际工作中抽油机控制系统的建设。

4 供电系统对超级电容运用的测试与研究

在完全按照实际操作中的井口无线仪表，制作出实验板并进行升级改造加入超级电容进行工作状态下的耗电测试，从而探索研究超级电容对耗电的影响度。

图2 电源装换模块

在仿真平台下模拟抽油机控制系统对2块实验板进行对比测试。测试板运营过程分为1）上电/重启（1s～2s），指示灯连续闪烁1s～2s；2）进入等待配置（10s）阶段，即为AO采集应答阶段，如若应答成功进入应用层下载配置阶段，否者10s后没有应答成功系统自动进入休眠阶段；3）通信状态。工作状态指示灯均1s闪烁一次。表2显示2中测试板的耗电情况。

通过实验测试我们可以看出，在加有超级电容的测试板中耗电会随着闪烁灯而变化，在灯灭时整体耗电会下降到15mA，表明此时超级电容已经代替电池对电路供电，对无线仪表的工作耗电低功耗上起到了一定量的作用，并有效地减少了对电池能量的消耗，同时利用超级级电容的特性减少了由于不当的放电充电对蓄电池内部的破坏。

5 结论

以超级电容器为储能元件来代取原有的极性电容为低功耗无线传感器供电转换装置的实际测试，得出了该能量供应在实现低功耗、提高能量利用率、增强使用寿命方面都有明显的成果。超级电容作为新型储能装置，被更多的利用与市场中，它的高功率比、长循环寿命等优势，已经更好地融合在计算机、通信等现代电子产业中，在未来的研究与探索中它将更大可能地发挥其优势。

参考文献：

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