燃氣熱水器低電量實時提醒的低功耗研究

鄺耀朋

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃氣熱水器借助燃燒燃氣對水加熱，是一種對生活便利的家用設備。其中以電池為電源的燃氣熱水器，因對使用環境要求低，仍占有一定的市場份額。然而隨著熱水器的啟動使用，電池電力會逐漸消耗，當電池電量下降到某電量以下時，燃氣熱水器將無法正常工作，而此時用戶往往未能及時發現，并誤認為熱水器有故障，造成不必要的麻煩。

同時，即使在熱水器上存在電量指示裝置實時監測電池電量，在傳統技術中，較為常見的是采用AD 檢測電路、比較器以及所連接的外圍電路組成或者采用電壓表檢測。這種電路存在電路結構復雜且其監測電流過大或者難以安裝、提醒不清晰等問題，從而會加速電池電量消耗，影響電池使用壽命。

針對上述傳統技術中的不足，本文對燃氣熱水器低電量實時提醒功能進行低功耗研究，以解決用戶的痛點。

1 燃氣熱水器低電量實時提醒

1.1 燃氣熱水器電池電量

燃氣熱水器可使用的電池包括一次性電池、可充電電池，其中一次性電池俗稱“用完即棄”電池，常見的一次性電池包括堿錳電池、鋅錳電池、鋰電池、銀鋅電池、鋅空電池、鋅汞電池和鎂錳電池；可充電電池按制作材料和工藝上的不同，常見的有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池、鋰離子電池。由于燃氣熱水器可使用的電池種類多，所以不同電池種類的電池電量各不相同。另外同一規格的電池，不同品牌的電池容量也會不相同，同時即使同一品牌同一規格的電池，實際電池容量也會不一致，表現為新電池的電壓不同。

綜上所述，燃氣熱水器電池，其電量也會因用戶使用電池的不同，而出現不同的電池電量。電池電量的不同，會影響電池在燃氣熱水器中的工作壽命，但燃氣熱水器因電池而無法正常工作，是電池電量過低導致燃氣熱水器用電負載無法正常工作，所以可在燃氣熱水器電池電量過低前進行提醒，以便用戶及時更換電池。

1.2 燃氣熱水器的電池低電量判定

對于燃氣熱水器的電池低電量判定，需要結合燃氣熱水器用電負載與電池電量間的影響進行判定。

1.2.1 燃氣熱水器的用電負載

目前市場上以電池為電源的燃氣熱水器，常用的用電負載結構圖如圖1所示。控制器2 連接第一電源端子a 和第二電源端子b，電池1 給控制器2 供電。點火與火焰檢測裝置3、溫度顯示與檢測裝置4、水流檢測裝置5、燃氣閥6 以及防干燒裝置7 連接控制器2，通過控制器1進行供電。其中點火與火焰檢測裝置3、溫度顯示與檢測裝置4、燃氣閥6 的供電由控制器2 進行控制。

圖1 電池供電燃氣熱水器結構圖

1.2.2 燃氣熱水器用電負載與電池電量間的影響

電池供電的燃氣熱水器的常用用電負載，正常工作時的耗電量各不相同，其中以燃氣閥6 與點火與火焰檢測裝置3 耗電量最大。隨著負載耗電量的變化，電池電壓也會相應變化。負載越重，電池電壓越低；負載越輕，電池電壓越高。空載時，電池電壓最高。

隨著電池電量的逐漸降低，無論是空載還是帶載的情況下，電池電壓都會相應降低。當電池電量降低到影響到熱水器負載的正常工作時，電池電壓也會降低到相應的電壓值。在此電池電壓的基礎上，再結合電池電壓會隨著熱水器負載耗電量的變化而變化，可以相應確定一個電壓值來判定燃氣熱水器的電池電量低，提醒用戶更換電池。

1.3 燃氣熱水器電池電量實時檢測

為了減少電池損耗，熱水器關機下，電池1 僅對水流檢測裝置5 供電，對其它裝置斷電或僅讓控制器2 內個別單元休眠省電，其余裝置斷電。由于電池存在自放電現象，空載情況下，電池電量也會產生損耗。當電池電量過低時，燃氣熱水器則無法正常工作。因此需要對燃氣熱水器電池電量實時檢測。

2 燃氣熱水器低電量實時提醒的低功耗設計

針對傳統檢測技術的不足，本文創新性地采用低功耗電壓檢測器進行低功耗設計，具體結構如圖2所示。具體的，低功耗電壓檢測芯片U1 實時采集電池BAT 兩端的電壓， 在芯片U1 通過第一電源端子a 和第二電源端子b 檢測到電池BAT 的電壓未降低到預設電壓時輸出高電平信號，三極管Q1 截止，指示器D1 不工作，此時只有芯片U1 工作因而消耗電流小，功耗低，其消耗電流小于10 μA，例如達到0.7 μA。在芯片U1 檢測到電池BAT 的電壓降低到預設電壓時，輸出低電平，從而導通三極管Q1,使得指示器D1 工作，進而相對于沒有導通三極管Q1 而言其消耗電流較大，低功耗電壓檢測器電流可達到2 至3 mA，可以通過調節R2、R3 阻值與選用低壓降的三極管Q1 進一步減少低功耗電壓檢測器進入低電量提醒時的工作電流。其中，預設電壓固定于芯片U1中，檢測精度較高（±2 %），可選擇不同規格的芯片來選擇。低功耗電壓檢測芯片U1 的型號為XC61CC 系列、XC61CN 系 列、ILC5061、ILC5062、KA75、MAX6375-MAX6380 等任一種芯片。

圖2 低功耗電壓檢測器電量指示器結構圖

此低電量提醒電路結構簡單，功耗低，能夠實時檢測并清晰提醒用戶電量低，正好解決了傳統低電量實時提醒測試方式的不足，能防止用戶誤解燃氣熱水器故障。

3 燃氣熱水器低功耗低電量提醒器的應用與測試驗證

3.1 低功耗低電量提醒器在燃氣熱水器上的應用

低功耗低電量提醒器用在以電池為電源的燃氣熱水器上，安裝結構如圖3所示。控制器1 和低功耗電壓檢測芯片U1 通過第一電源端子a 和第二電源端子b 并聯在電池BAT 兩端，芯片U1 的輸出端Vout 連接開關電路8的控制端，指示器9 通過開關電路8 連接端子a 和端子b。當燃氣熱水器不工作時可無需為控制器1 供電，但同時芯片U1 可實時檢測電池BAT 電壓，并在電池BAT 電壓低于預設電壓時，通過輸出端Vout 輸出驅動信號導通開關電路8，使得指示器9 工作發出低電量提示信號。芯片U1 在電池電量檢測過程中可實現低電流消耗，且當電池BAT 電壓過低時觸發其輸出驅動信號，同時配合開關電路8 以及指示器9，當電池BAT 電壓過低使得燃氣熱水器接近或已無法正常工作時，既能及時提醒更換電池BAT，又可減少對電池BAT 使用壽命的影響。此接法，可直接用于常規的以電池為電源的燃氣熱水器上，無需對現有的用電負載進行變更。

圖3 帶電池電量指示的燃氣熱水器結構圖

3.2 低功耗低電量提醒器在燃氣熱水器上的測試驗證

低功耗低電量提醒器用在以電池為電源的燃氣熱水器上，可通過加速測試的方法模擬用戶使用。現選用一款萬和的零水壓煙道式燃氣熱水器進行測試，具體的測試數據如下面的表1所示。

表1 帶低電量提醒燃氣熱水器測試數據表

通過上表可以看出，隨著熱水器的循環使用，電池電量在減少，電池組電壓在降低。由于燃氣熱水器在點火與燃氣閥吸合過程中，用電負載工作電流較大，導致電池組電壓瞬間被拉低，正常燃燒后電池電壓會回升。此過程不用于對用戶進行低電量提醒。在熱水器正常燃燒與待機狀態下，低電量提醒器可起到低電量提醒作用，特別是待機狀態下的提醒。使用低功耗電壓檢測器的低功耗低電量提醒器，在電量未降低到需要提醒用戶準備電池更換前，由于低功耗電壓檢測器的低功耗特性以及不對指示器供電，使低功耗低電量提醒器既做到實時檢測，又做到低功耗，避免了影響電池使用壽命。

進一步地，根據燃氣熱水器用電負載正常工作條件，可通過調整進行低電量提醒時對應的閾值電壓，來調整低電量提醒的提醒時間先后。低電量提醒器的指示器可通過調整相關器件參數，降低指示器提醒時的工作電流來降低提醒時的功耗。

4 結論

由于燃氣熱水器使用的電池種類多、不固定以及電池的自放電特性，導致燃氣熱水器的電池電量不統一，但燃氣熱水器的電池電量降低會造成燃氣熱水器用電負載無法工作，所以本文從燃氣熱水器用電負載工作與電池電量間的影響出發，通過實時監測電池電壓，當低于設定電壓閾值，如接近燃氣熱水器用電負載正常工作的最低電壓，則進行燃氣熱水器低電量實時提醒，提醒用戶更換電池。

傳統的燃氣熱水器電量檢測方式存在結構復雜不便安裝、功耗大影響電池使用壽命、提醒不清晰等問題，本文創新性地使用低功耗電壓檢測器實時監測，并在燃氣熱水器整機上進行了測試，可以很好地解決傳統電量檢測方式功耗大等相關問題，又能提醒用戶更換電池，極大地提升了用戶的體驗效果。