燃气热水器低电量实时提醒的低功耗研究

邝耀朋

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃气热水器借助燃烧燃气对水加热，是一种对生活便利的家用设备。其中以电池为电源的燃气热水器，因对使用环境要求低，仍占有一定的市场份额。然而随着热水器的启动使用，电池电力会逐渐消耗，当电池电量下降到某电量以下时，燃气热水器将无法正常工作，而此时用户往往未能及时发现，并误认为热水器有故障，造成不必要的麻烦。

同时，即使在热水器上存在电量指示装置实时监测电池电量，在传统技术中，较为常见的是采用AD 检测电路、比较器以及所连接的外围电路组成或者采用电压表检测。这种电路存在电路结构复杂且其监测电流过大或者难以安装、提醒不清晰等问题，从而会加速电池电量消耗，影响电池使用寿命。

针对上述传统技术中的不足，本文对燃气热水器低电量实时提醒功能进行低功耗研究，以解决用户的痛点。

1 燃气热水器低电量实时提醒

1.1 燃气热水器电池电量

燃气热水器可使用的电池包括一次性电池、可充电电池，其中一次性电池俗称“用完即弃”电池，常见的一次性电池包括碱锰电池、锌锰电池、锂电池、银锌电池、锌空电池、锌汞电池和镁锰电池；可充电电池按制作材料和工艺上的不同，常见的有铅酸电池、镍镉电池、镍铁电池、镍氢电池、锂离子电池。由于燃气热水器可使用的电池种类多，所以不同电池种类的电池电量各不相同。另外同一规格的电池，不同品牌的电池容量也会不相同，同时即使同一品牌同一规格的电池，实际电池容量也会不一致，表现为新电池的电压不同。

综上所述，燃气热水器电池，其电量也会因用户使用电池的不同，而出现不同的电池电量。电池电量的不同，会影响电池在燃气热水器中的工作寿命，但燃气热水器因电池而无法正常工作，是电池电量过低导致燃气热水器用电负载无法正常工作，所以可在燃气热水器电池电量过低前进行提醒，以便用户及时更换电池。

1.2 燃气热水器的电池低电量判定

对于燃气热水器的电池低电量判定，需要结合燃气热水器用电负载与电池电量间的影响进行判定。

1.2.1 燃气热水器的用电负载

目前市场上以电池为电源的燃气热水器，常用的用电负载结构图如图1所示。控制器2 连接第一电源端子a 和第二电源端子b，电池1 给控制器2 供电。点火与火焰检测装置3、温度显示与检测装置4、水流检测装置5、燃气阀6 以及防干烧装置7 连接控制器2，通过控制器1进行供电。其中点火与火焰检测装置3、温度显示与检测装置4、燃气阀6 的供电由控制器2 进行控制。

图1 电池供电燃气热水器结构图

1.2.2 燃气热水器用电负载与电池电量间的影响

电池供电的燃气热水器的常用用电负载，正常工作时的耗电量各不相同，其中以燃气阀6 与点火与火焰检测装置3 耗电量最大。随着负载耗电量的变化，电池电压也会相应变化。负载越重，电池电压越低；负载越轻，电池电压越高。空载时，电池电压最高。

随着电池电量的逐渐降低，无论是空载还是带载的情况下，电池电压都会相应降低。当电池电量降低到影响到热水器负载的正常工作时，电池电压也会降低到相应的电压值。在此电池电压的基础上，再结合电池电压会随着热水器负载耗电量的变化而变化，可以相应确定一个电压值来判定燃气热水器的电池电量低，提醒用户更换电池。

1.3 燃气热水器电池电量实时检测

为了减少电池损耗，热水器关机下，电池1 仅对水流检测装置5 供电，对其它装置断电或仅让控制器2 内个别单元休眠省电，其余装置断电。由于电池存在自放电现象，空载情况下，电池电量也会产生损耗。当电池电量过低时，燃气热水器则无法正常工作。因此需要对燃气热水器电池电量实时检测。

2 燃气热水器低电量实时提醒的低功耗设计

针对传统检测技术的不足，本文创新性地采用低功耗电压检测器进行低功耗设计，具体结构如图2所示。具体的，低功耗电压检测芯片U1 实时采集电池BAT 两端的电压， 在芯片U1 通过第一电源端子a 和第二电源端子b 检测到电池BAT 的电压未降低到预设电压时输出高电平信号，三极管Q1 截止，指示器D1 不工作，此时只有芯片U1 工作因而消耗电流小，功耗低，其消耗电流小于10 μA，例如达到0.7 μA。在芯片U1 检测到电池BAT 的电压降低到预设电压时，输出低电平，从而导通三极管Q1,使得指示器D1 工作，进而相对于没有导通三极管Q1 而言其消耗电流较大，低功耗电压检测器电流可达到2 至3 mA，可以通过调节R2、R3 阻值与选用低压降的三极管Q1 进一步减少低功耗电压检测器进入低电量提醒时的工作电流。其中，预设电压固定于芯片U1中，检测精度较高（±2 %），可选择不同规格的芯片来选择。低功耗电压检测芯片U1 的型号为XC61CC 系列、XC61CN 系 列、ILC5061、ILC5062、KA75、MAX6375-MAX6380 等任一种芯片。

图2 低功耗电压检测器电量指示器结构图

此低电量提醒电路结构简单，功耗低，能够实时检测并清晰提醒用户电量低，正好解决了传统低电量实时提醒测试方式的不足，能防止用户误解燃气热水器故障。

3 燃气热水器低功耗低电量提醒器的应用与测试验证

3.1 低功耗低电量提醒器在燃气热水器上的应用

低功耗低电量提醒器用在以电池为电源的燃气热水器上，安装结构如图3所示。控制器1 和低功耗电压检测芯片U1 通过第一电源端子a 和第二电源端子b 并联在电池BAT 两端，芯片U1 的输出端Vout 连接开关电路8的控制端，指示器9 通过开关电路8 连接端子a 和端子b。当燃气热水器不工作时可无需为控制器1 供电，但同时芯片U1 可实时检测电池BAT 电压，并在电池BAT 电压低于预设电压时，通过输出端Vout 输出驱动信号导通开关电路8，使得指示器9 工作发出低电量提示信号。芯片U1 在电池电量检测过程中可实现低电流消耗，且当电池BAT 电压过低时触发其输出驱动信号，同时配合开关电路8 以及指示器9，当电池BAT 电压过低使得燃气热水器接近或已无法正常工作时，既能及时提醒更换电池BAT，又可减少对电池BAT 使用寿命的影响。此接法，可直接用于常规的以电池为电源的燃气热水器上，无需对现有的用电负载进行变更。

图3 带电池电量指示的燃气热水器结构图

3.2 低功耗低电量提醒器在燃气热水器上的测试验证

低功耗低电量提醒器用在以电池为电源的燃气热水器上，可通过加速测试的方法模拟用户使用。现选用一款万和的零水压烟道式燃气热水器进行测试，具体的测试数据如下面的表1所示。

表1 带低电量提醒燃气热水器测试数据表

通过上表可以看出，随着热水器的循环使用，电池电量在减少，电池组电压在降低。由于燃气热水器在点火与燃气阀吸合过程中，用电负载工作电流较大，导致电池组电压瞬间被拉低，正常燃烧后电池电压会回升。此过程不用于对用户进行低电量提醒。在热水器正常燃烧与待机状态下，低电量提醒器可起到低电量提醒作用，特别是待机状态下的提醒。使用低功耗电压检测器的低功耗低电量提醒器，在电量未降低到需要提醒用户准备电池更换前，由于低功耗电压检测器的低功耗特性以及不对指示器供电，使低功耗低电量提醒器既做到实时检测，又做到低功耗，避免了影响电池使用寿命。

进一步地，根据燃气热水器用电负载正常工作条件，可通过调整进行低电量提醒时对应的阈值电压，来调整低电量提醒的提醒时间先后。低电量提醒器的指示器可通过调整相关器件参数，降低指示器提醒时的工作电流来降低提醒时的功耗。

4 结论

由于燃气热水器使用的电池种类多、不固定以及电池的自放电特性，导致燃气热水器的电池电量不统一，但燃气热水器的电池电量降低会造成燃气热水器用电负载无法工作，所以本文从燃气热水器用电负载工作与电池电量间的影响出发，通过实时监测电池电压，当低于设定电压阈值，如接近燃气热水器用电负载正常工作的最低电压，则进行燃气热水器低电量实时提醒，提醒用户更换电池。

传统的燃气热水器电量检测方式存在结构复杂不便安装、功耗大影响电池使用寿命、提醒不清晰等问题，本文创新性地使用低功耗电压检测器实时监测，并在燃气热水器整机上进行了测试，可以很好地解决传统电量检测方式功耗大等相关问题，又能提醒用户更换电池，极大地提升了用户的体验效果。