智能電能表電池容量衰減的欠電壓故障分析

(深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，廣東 深圳 518000)

0 引言

我國自2009 年啟動智能電能表的項目以來，累積采購單相智能電能表已多達(dá)3.58億只。為了進(jìn)一步強化電能表質(zhì)量，從2013年第3批開始國網(wǎng)招標(biāo)文件中列出了19種典型故障現(xiàn)象，要求各電能表生產(chǎn)商對其進(jìn)行深層的故障原因分析，并提出技術(shù)和管理上的管控措施。由于智能電能表運行在環(huán)境復(fù)雜的堅強電網(wǎng)末端，保證智能電能表運行質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性是計量產(chǎn)品的核心。根據(jù)國家電網(wǎng)投標(biāo)文件提供的典型故障，主要包括設(shè)計環(huán)節(jié)、制造工藝環(huán)節(jié)、元器件環(huán)節(jié)三大類故障。在智能電能表中，分時電量結(jié)算和階梯電量均依賴于電能表的準(zhǔn)確計時，電能表時鐘的準(zhǔn)確計時是保證電量正確計量的關(guān)鍵，電能表時鐘錯誤將直接導(dǎo)致電能表正常計量出現(xiàn)問題。而電池欠電壓會引起時鐘錯誤，從而使費率時段、負(fù)荷記錄等功能無法正常工作，造成電能表故障。

1 電能表電池欠電壓的典型故障

電能表電池欠電壓的典型故障現(xiàn)象主要有：導(dǎo)致時鐘錯誤、混亂；分時電量結(jié)算和階梯電價結(jié)算計算錯誤；凍結(jié)數(shù)據(jù)和各類事件錯誤，不具備可追溯性，成為無效數(shù)據(jù)。智能電能表不良現(xiàn)象中電池欠電壓、時鐘亂等故障較多，造成這一故障的可能原因包括：智能電能表的設(shè)計和制造工藝問題、電子元器件問題、軟件設(shè)計問題以及電池質(zhì)量問題等。根據(jù)應(yīng)用調(diào)查，現(xiàn)場按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的智能電能表出現(xiàn)電池欠電壓故障(ERR-04)比例約為千分之幾[1]，由此分析了電能表電池實際使用過程中出現(xiàn)低壓的原因。智能電能表使用的電池主要是鋰-亞硫酰氯電池，其欠電壓表現(xiàn)一般有三種原因。

1.1 容量耗盡

鋰-亞硫酰氯電池作為一種液體陰極電池，其小電流工作電壓在從0%～90% DOD(Depth of Discharge)時均表現(xiàn)得十分穩(wěn)定，只有在接近電池壽命末期、電池活性物質(zhì)耗盡時，才會出現(xiàn)明顯的電壓下降。從分析的電池來看，約65%的電池是由于電池容量耗盡而導(dǎo)致電池低壓。

1.2 鈍化影響

分析的故障電池中約25%的電池可以放電，并且開路電壓逐步恢復(fù)正常。鋰-亞硫酰氯電池經(jīng)過一定時間的高低溫存儲后，負(fù)極鋰金屬表面氯化鋰鈍化膜層持續(xù)生長，最終導(dǎo)致電池發(fā)生鈍化，提供的工作電壓不能滿足電能表需要，但此時電池容量并未真正耗盡，其開路電壓也表現(xiàn)正常[2]。

電池鈍化現(xiàn)象用于表計上最大的危害就是當(dāng)市電停電發(fā)生時，由于各智能表掉電判斷流程設(shè)計不同而表現(xiàn)出不同的結(jié)果，理想的設(shè)計是當(dāng)市電掉電過電能表最低工作電壓的時候，電能表能及時(10 ms級半個周波)檢測出外部停電，而不消耗電池的容量。但軟件實際設(shè)計過程中由于各種任務(wù)的限制，或多或少存在依靠電池供電的模式，此時MCU工作電流一般為5～10 mA，如果電池鈍化比較嚴(yán)重，不能瞬時供出電流，會導(dǎo)致MCU程序復(fù)位。在設(shè)計軟件時，必須充分考慮電池鈍化短時供電不足帶來的影響。

1.3 電池本身故障

故障表計中約3%～5%的電池，是由于電池本身故障(焊接脫落、漏液等原因)。排除電池本身在制造過程中的不良，電池的不當(dāng)安裝和超出電池設(shè)計范圍的高低溫也會導(dǎo)致電池本身出現(xiàn)故障。從以上智能電能表電池故障分析結(jié)果可以看出，電池欠電壓造成的電能表故障已需要引起重視，而這其中大部分的低壓電池又是由于容量耗盡而造成的。

2 智能電能表用鋰-亞硫酰氯電池壽命預(yù)測

鋰-亞硫酰氯電池在智能電能表中標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用條件下的容量消耗，如下所述[3]。

1)自放電消耗的電池容量：鋰亞電池的年自放電率小于1%，以1 200 mAh 容量為例，每年自放電容量消耗：12 mAh×1%=12 mAh；則10年最大自放電容量為：12 mAh×10=120 mAh。

2)斷電消耗的電池容量：國網(wǎng)單相智能電能表的時鐘及CPU的整機平均電流為15 μA左右，則1年耗電為：15 μA×24 h×365 d=131 400 μAh=131.4 mAh；根據(jù)國網(wǎng)智能電能表“斷電后可維持內(nèi)部時鐘正確工作時間累計不少于5年”技術(shù)要求，則5年斷電待機容量為：131.4 mAh×5=657 mAh。

3)供電消耗的電池容量：為減少電池進(jìn)入鈍化的時間，實際電池設(shè)計時均設(shè)計有遲緩鈍化的電池放電電流。按2 μA計算，則1年耗電為2 μA×24 h×365=17 520 μAh=17.52 mAh。

按照10 年壽命要求，減去5年斷電待機，系統(tǒng)帶電的5 年消耗的電池容量為：17.52 mAh×5=87.6 mAh。

4)總?cè)萘看_定：根據(jù)上述計算，電池在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用條件下的容量消耗為：120+657+87.6=864.6 mAh。

從以上分析可得，在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用條件下，ER14250 型(1 200 mAh)電池的可靠性和使用壽命均能夠滿足智能電能表對電池10年的使用要求。

3 智能電能表電池實際應(yīng)用壽命偏離理論預(yù)測壽命的原因

電池廠家在預(yù)估電池的應(yīng)用壽命時，是基于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用條件和環(huán)境下的預(yù)估壽命，但顯而易見的是，目前國內(nèi)智能電能表的應(yīng)用條件和環(huán)境并非全部能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)條件，而由此帶來的一系列變化最終都將體現(xiàn)為電池的使用壽命衰減。

3.1 實際應(yīng)用條件和標(biāo)準(zhǔn)存儲條件下ER14250型電池容量衰減對比測試

分別測試了實際應(yīng)用條件下掛表電池和標(biāo)準(zhǔn)倉儲條件下ER14250型電池的有效剩余容量，如圖1所示。

(a)實際掛表使用3.5年后電池，平均剩余容量630 mAh (b)標(biāo)準(zhǔn)倉儲條件下存儲4年后電池，平均剩余容量970 mAh

圖1(a)中電池在電能表現(xiàn)場使用約3.5年，表計工作正常，從測試數(shù)據(jù)看，各電池剩余容量差別較大，平均剩余容量僅為630 mAh，相對新電池330 Ω放電容量1 000 mAh損耗率已達(dá)到37%，而標(biāo)準(zhǔn)倉儲條件下存儲4年的電池，其剩余容量一致性明顯更好，且平均剩余容量仍達(dá)到970 mAh，相對新電損耗率不足3%。由此可見，實際應(yīng)用環(huán)境對電池性能影響極為顯著。

3.2 使用環(huán)境對鋰-亞硫酰氯電池有效容量的影響

一般來說，電池在20 ℃～40 ℃之間能夠獲得最好的特性，鋰-亞硫酰氯電池作為一種化學(xué)電源，其放電時的環(huán)境溫度對其使用壽命(容量)和電壓特性有明顯的影響。這是由于低溫下化學(xué)活性降低，電池內(nèi)阻增加，放電溫度的下降會導(dǎo)致容量減少和放電曲線斜率增大，而在較高的溫度下，內(nèi)阻降低，放電電壓升高，當(dāng)化學(xué)活性增加速率快到足以產(chǎn)生凈容量損失(自放電現(xiàn)象)時，也會導(dǎo)致電池實際放電容量的降低。

圖2 ER14250型鋰-亞硫酰氯電池容量-溫度-電流特性

注：某電能表廠實測提供

如圖2所示，ER14250型鋰-亞硫酰氯電池以1 mA電流恒流放電，在25 ℃下能夠達(dá)到最高容量1.2 Ah，而同樣1 mA放電，在0 ℃和60 ℃時只能達(dá)到約1.0 Ah容量，容量衰減率達(dá)到約17%，在更低溫(-30 ℃)和更高的溫度(+85 ℃)下，電池容量衰減更為明顯。

3.3 使用環(huán)境對鋰-亞硫酰氯電池自放電率的影響

根據(jù)范特霍夫定律，溫度每升高10 ℃，化學(xué)反應(yīng)速度增加2～4倍[3]。根據(jù)這一化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律以及電池生產(chǎn)實際使用數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為電池在60 ℃下儲存200 d就相當(dāng)于在常溫下儲存10年。依據(jù)Sandia國家實驗室結(jié)論和范特霍夫定律，高溫會造成電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的加速，還會造成電池內(nèi)部液體循環(huán)加速和自放電的加速。根據(jù)對電池進(jìn)行長達(dá)2年室溫及高溫儲存，ER14250型鋰-亞硫酰氯電池不同環(huán)境溫度下空載和帶載儲存后自放電率值如表1所示。

表1 鋰-亞硫酰氯電池不同環(huán)境溫度下空載和帶載儲存后自放電率

由模擬測試數(shù)據(jù)可以看出，室溫條件下的年自放電率小于1.5%，60 ℃條件下的自放電率高達(dá)14%，結(jié)果與范特霍夫定律相符。高溫下自放電率的顯著升高，也是導(dǎo)致實際應(yīng)用過程中電池壽命提前終結(jié)的原因之一。

3.4 使用環(huán)境對電池外電路的影響

鋰-亞硫酰氯電池在智能電能表中安裝的典型電路圖如圖3所示[4]。

圖3 智能電能表中時鐘電池安裝典型電路

圖4 肖特基二極管反向漏電流溫度特性

由于鋰-亞硫酰氯電池屬于一次性鋰電，為避免外電路給其充電，電池需要串聯(lián)一個二極管后接入電路。該二極管器件的對電池的使用壽命有很大的影響，在高溫下，二極管的反向漏電流將會顯著增大，這樣的電能表在高溫下，電池很容易被耗盡致使出現(xiàn)低壓，圖4所示為肖特基二極管反向電流溫度特性曲線，可見隨溫度升高，其反向漏電流在電池供電條件下最大可達(dá)mA級別。

5 結(jié)論

1)目前智能電能表在實際使用4～5年時，逐漸出現(xiàn)的時鐘電池欠電壓故障比例，造成這一故障的原因是時鐘電池容量耗盡。

2)智能電能表用鋰-亞硫酰氯電池10年以上的預(yù)測使用壽命是基于電池處于標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用條件和環(huán)境條件，而實際應(yīng)用條件和環(huán)境條件往往與標(biāo)準(zhǔn)條件偏離較大。

3)實際應(yīng)用環(huán)境會對鋰-亞硫酰氯電池的有效容量和自放電率造成的影響較大。

4)實際應(yīng)用環(huán)境會提高智能電能表中的其他元器件的故障率，而這些元器件的故障也會造成時鐘電池的功耗提升并導(dǎo)致其提前失效。

為降低智能電能表實際應(yīng)用中的電池欠電壓故障率，由于電能表可能安裝在比較惡劣的工作環(huán)境中，電池廠家應(yīng)努力提升電池自身耐候性，提高電池在鈍化情況下能持續(xù)提供動力，另外，國網(wǎng)公司已陸續(xù)推出了關(guān)鍵元器件全性能試驗大綱，規(guī)定了各種元器件的工作環(huán)境和測試方法，勢必會進(jìn)一步推動智能電能表用元器件性能更優(yōu)，質(zhì)量更穩(wěn)定。