低温环境下电子仪表的供电装置、方法与流程

1.本发明涉及电子仪表的供电技术领域，更为具体的，涉及一种低温环境下电子仪表的供电装置、方法。


背景技术：

2.电子仪表，特别是具备gprs通信功能的设备(如智能燃气表、智能电表和智能水表)，其在低温下的供电存在如下问题：由于低温，特别是在-40℃下时，电子元件的性能会受影响。特别是低温下电池、电容等元件性能会随温度降低而明显下降，所以一般的具备gprs通信功能的设备的电源处理方案不能支持-40度下gprs通信。
3.现有技术中，有关于电子仪表低温下供电的解决方案。但是，仍然存在如下问题没有得到有效解决：1.采用较为单一或简单组合的供电方式直接供电，没有考虑能量存储变化特点，特别是电子仪表在长时间处于低温环境工作时由于电池性能变化，导致工作可靠性变差，寿命降低的问题；2.采用耐低温材料制作电池保障其性能，从而解决低温下电源稳定工作的问题，但是耐低温材料存在成本高昂的问题；3.低温环境下电能质量会受影响，存在电能变低的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低温环境下电子仪表的供电装置、方法，支持在-40℃下通信供电，且具有供电可靠，使用寿命长、成本低和电能质量高的优点。
5.本发明的目的是通过以下方案实现的：
6.一种低温环境下电子仪表的供电装置，包括能量输出单元、第一级能量存储单元、第二级能量存储单元、第三级能量存储单元、开关单元和升压稳压单元；所述能量输出单元的第一端接地，所述能量输出单元的第二端与第一级能量存储单元的第一端连接，第一级能量存储单元的第二端接地；所述能量输出单元的第二端与第二级能量存储单元的第一端连接，所述第二级能量存储单元的第二端接地；所述能量输出单元的第二端与开关单元的第一端连接，所述开关单元的第二端与电源控制单元连接，所述开关单元的第三端与第三级能量存储单元的第一端连接，所述第三级能量存储单元的第二端接地；所述开关单元的第三端与升压稳压单元的第一端连接，所述升压稳压单元的第二端与通信供电输入接口单元连接。
7.进一步地，包括电容单元，所述电容单元的一端与通信供电输入端口单元连接，另一端接地。
8.进一步地，所述能量输出单元包括锂电池。
9.进一步地，所述第一级能量存储单元包括锂离子超级电容。
10.进一步地，所述第二级能量存储单元包括超级电容。
11.进一步地，所述第三级能量存储单元包括固态电容。
12.进一步地，所述升压稳压单元包括dc-dc单元。
13.进一步地，所述电源控制单元包括gprs电源控制单元，所述通信供电输入接口单元包括gprs供电输入接口单元，
14.进一步地，所述电子仪表包括带gprs通信功能的智能燃气表、智能电表和智能水表中的任一种。
15.一种基于如上任一项所述低温环境下电子仪表的供电装置的供电方法，判断所述电子仪表工作在常态还是通信态；然后执行如下步骤：当在常态时，通过控制单元控制所述开关单元让第一级能量存储单元、第二级能量存储单元工作，进行能量存储；当在通信态时，通过控制单元控制所述开关单元让第三级能量存储单元和升压稳压单元工作，此时，第一级能量存储单元、第二级能量存储单元的电能迅速补充到第三级能量存储单元，由第三级能量存储单元来提供低温下通信供电输入接口单元所需要的电流。
16.本发明的有益效果是：
17.1.本发明支持在-40度下gprs通信，在实施例中解决燃气表在-40℃下gprs通信的电源供电问题；
18.2.本发明增强低温通信的供电可靠性，延长电子仪表的使用寿命，可以提供低温下(-40℃)足够长的通信时间；
19.3.本发明提供的装置和方法，相比采用耐低温材料制作电池的方案，显著降低了成本；
20.4.本发明提高电能质量，根据不同级能量存储单元特点结合通信工作模式来制定相应的供电控制策略，不仅能够保证通信中足够大的发射瞬间脉动电流使通信正常工作，还可以使通信质量更加稳定可靠。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例在-40℃低温下gprs通信的电源供电示意图。
具体实施方式
23.本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
24.下面根据附图1，对本发明的技术问题、技术构思、工作原理效作进一步详细说明。
25.本发明要解决的主要技术问题：燃气表处于安全考虑，一般使用电池作为能源供给者。在gprs通信时，发射瞬间电流最高可大2a以上，而低温下电池、电容等元件性能会随温度降低而下降，所以一般的燃气表的电源处理方案不能支持-40度下gprs通信。
26.由于本发明要解决适用南北极极低温度环境的燃气表用户的通信电源问题，其需要使用-40℃下用gprs通信，目前现有技术中的gprs燃气表未能解决低温下的gprs通信。因此本发明研发一种经济的、可民用的电源方案来满足低温下(-40℃)使用电池作为能源的
gprs通信。
27.在实际解决上述问题的过程中，本发明又发现了现有技术还存在如下问题：1.工作可靠性差，寿命低；2.成本高昂；3.低温环境下电能质量降低。并且，不仅仅是燃气表存在这些问题，在低温环境中工作的具备通信功能的设备，例如智能电表和智能水表，均存在类似问题。
28.本发明的技术构思、工作原理是这样的：电池作为电能输出，但电池在低温下其活性降低，尤其在-40℃时电池内阻增加几十上百倍，其电流输出能力可能不到原来的十分之一。由于燃气表常态工作在低电流的状态下(微安级的电流)，只有在gprs通信时需要大电流，通信频率每天平均小于两次gprs通信，每次约一分钟。因此本发明设计锂超容来充当一级电能存储充。锂超容是一种具有介于锂电池和超级电容特性之间性能，只使用锂超容还不能足以提供gprs发射时瞬间大电流的供给，此时采用超级电容作为二级电能存储，超级电容受低温影响比电池小，但比固态电容大。当开关打开时，第一级和第二级电能迅速补充到第三级能量存储，第三级能量存储使用固态电容，其内阻极小，即使在低温(-40℃)时也只有毫欧级内阻。这样第一，第二，第三级能量存储综合起来可以提供低温下(-40℃)足够长的通信时间和通信中足够大的发射瞬间脉动电流，再经过dc-dc升压稳压便可以提供gprs通信稳定可靠的电能。
29.本发明提供的方案采用第一，第二，第三级能量存储来综合提供足够长的通信时间和通信中足够大的发射瞬间脉动电流。其中通过开关控制使燃气表在常态工作时第一，第二进行能量存储，而在gprs通信时才让第三级能量存储和dc-dc工作，dc-dc作为能源的升压及稳压。第三级能量存储作为进一步保证低温下(-40℃)发射瞬间大电流的提供。
30.实施例1：一种低温环境下电子仪表的供电装置，包括能量输出单元、第一级能量存储单元、第二级能量存储单元、第三级能量存储单元、开关单元和升压稳压单元；能量输出单元的第一端接地，能量输出单元的第二端与第一级能量存储单元的第一端连接，第一级能量存储单元的第二端接地；能量输出单元的第二端与第二级能量存储单元的第一端连接，第二级能量存储单元的第二端接地；能量输出单元的第二端与开关单元的第一端连接，开关单元的第二端与电源控制单元连接，开关单元的第三端与第三级能量存储单元的第一端连接，第三级能量存储单元的第二端接地；开关单元的第三端与升压稳压单元的第一端连接，升压稳压单元的第二端与通信供电输入接口单元连接。
31.实施例2：在实施例1的基础上，设有电容单元，电容单元的一端与通信供电输入端口单元连接，另一端接地。
32.实施例3：在实施例1的基础上，能量输出单元为锂电池，也可以是其他与锂电池具有类似特点的电池。
33.实施例4：在实施例1的基础上，第一级能量存储单元为锂离子超级电容，也可以是其他与锂离子超级电容具有类似特点的装置。
34.实施例5：在实施例1的基础上，第二级能量存储单元为超级电容，也可以是其他与超级电容具有类似特点的装置。
35.实施例6：在实施例1的基础上，第三级能量存储单元为固态电容，也可以是其他与固态电容具有类似特点的装置。
36.实施例7：在实施例1的基础上，升压稳压单元为dc-dc单元。
37.实施例8：在实施例1的基础上，电源控制单元为gprs电源控制单元，通信供电输入接口单元为gprs供电输入接口单元，
38.实施例9：在实施例1的基础上，电子仪表为带gprs通信功能的智能燃气表、智能电表和智能水表中的任一种。
39.实施例10：在任一实施例1～9的基础上，提供一种供电方法，包括步骤：判断电子仪表工作在常态还是通信态；然后执行如下步骤：当在常态时，通过控制单元控制开关单元让第一级能量存储单元、第二级能量存储单元工作，进行能量存储；当在通信态时，通过控制单元控制开关单元让第三级能量存储单元和升压稳压单元工作，此时，第一级能量存储单元、第二级能量存储单元的电能迅速补充到第三级能量存储单元，由第三级能量存储单元来提供低温下通信供电输入接口单元所需要的电流。
40.除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。