智能電表外置時鐘電池連接可靠性分析與探討

劉保會 任曉鋒 劉安東 曹健 時彬

摘要：為便于時鐘電池更換，智能電表時鐘電池正逐步由內(nèi)置焊接安裝方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥庵每刹灏伟惭b方式。中電裝備山東電子有限公司供貨的智能電表在電力公司驗收檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)有個別產(chǎn)品出現(xiàn)時鐘電池欠壓現(xiàn)象，經(jīng)過單獨測試驗證，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有時鐘電池連接方式存在缺陷，該情況在不同電能表廠家的產(chǎn)品中均有被檢出，具有一定的普遍性。對此現(xiàn)象，文章進行深入分析，提出了時鐘電池連接方式的改進建議，為今后產(chǎn)品的改進指明了方向，有利于減少智能電表時鐘故障的發(fā)生，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能電表;時鐘電池;接觸電阻;電壓波動

中圖分類號：TM933.4? ? ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-4706（2021）07-0162-04

Analysis and Discussion on the Connection Reliability of the

External Clock Battery of the Smart Meter

LIU Baohui1，REN Xiaofeng1，LIU Andong2，CAO Jian1，SHI Bin1

（1.CET Shandong Electronics Co.，Ltd.，Jinan? 250109，China;

2.University of Science and Technology Beijing，Beijing? 100083，China）

Abstract：In order to facilitate the replacement of the clock battery，the clock battery of smart meter is gradually changing from the internal welding installation mode to the external pluggable installation mode. In the process of acceptance inspection of smart meters supplied by CET Shandong Electronics Co.，Ltd.，it is found that there is a phenomenon of clock battery under voltage in individual products. After a separate test and verification，it is found that there is a defect in the connection mode of the existing clock battery. This situation is detected in the products of different energy meter manufacturers，which has a certain universality. This paper analyzes this phenomenon deeply，and puts forward some suggestions for improving the connection mode of the clock battery，which points out the direction for the future product improvement，and is conducive to reducing the occurrence of the clock failure of the smart meter and improving the product quality.

Keywords：smart meter;clock battery;contact resistance;voltage fluctuation

收稿日期：2021-03-10

0? 引? 言

智能電表具有分時計費、階梯電價、凍結(jié)和事件記錄等功能，這些功能都必須帶有時標才有意義，因此需要電表提供一個準確的時鐘。目前時鐘電池采用綠色環(huán)保鋰電池，在智能電表斷電時，可保證電能表內(nèi)部時鐘正常工作，累計維持時間可達5年。電力公司為了維修更換方便，智能電表時鐘安裝正逐步采用可插拔的安裝方式，據(jù)了解下一代IR46智能電表[1]也準備采用外置可插拔電池安裝方式。時鐘電池連接的可靠性會影響時鐘準確性，進而影響到分時計費、階梯電價以及數(shù)據(jù)采集、臺區(qū)線損分析的準確性[2，3]。解決現(xiàn)有時鐘電池連接方式的缺陷，成為智能電表廠家的首要課題，本文從問題產(chǎn)生原因出發(fā)，層層剖析，在制定問題解決措施等方面進行深入分析和驗證，制定需求改進方案。

1? 現(xiàn)行外置可插拔時鐘電池連接方式

現(xiàn)行方案電池放在電池盒內(nèi)，通過彈簧的彈力使電池和電池盒保持接觸，組裝方式如圖1所示。

圖1中：序號（7）電池裝在電池倉內(nèi)。序號（8）電池的負極與序號（4）負極彈簧相接觸，序號（4）負極彈簧與序號（1）負極彈片相連，序號（1）負極引片插裝在序號（2）電池插座中（放大圖見圖2）。序號（6）正極與序號（5）正極觸片接觸，序號（5）正極觸片延伸出電池倉后，如同負極引片一樣插裝在序號（2）電池插座中。

圖2是圖1中電池插座部分的放大圖。圖2中：序號（1）電池插座彈片靠彈力將序號（3）電池負極引片夾持（電池正極引片連接方式與此相同）。

2? 時鐘電池電壓波動問題描述

目前時鐘電池外置的智能電表在我司已開始批量生產(chǎn)，電力公司也開始安裝使用。根據(jù)電力公司驗收檢驗的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有個別產(chǎn)品出現(xiàn)電池欠壓現(xiàn)象，通過單獨對電池進行測試，發(fā)現(xiàn)電池欠壓現(xiàn)象確實存在。另外還發(fā)現(xiàn)，當對表計進行敲擊振動時，電池電壓時高時低（在0 V至3.6 V之間變動）;將電池倉拔出、將電池取出重新安裝后，電池電壓恢復(fù)正常，過段時間后，仍存在電池欠壓的現(xiàn)象。據(jù)了解，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的比例較高，而且不同廠家的同類產(chǎn)品中有一定的普遍性。此種現(xiàn)象說明現(xiàn)有時鐘電池的連接方式存在缺陷，智能電表在使用過程中存在時鐘電池接觸不良的情況，時鐘電池連接的可靠性不夠，容易產(chǎn)生智能電表的時鐘故障問題。

3? 原因分析

3.1? 原因分析魚骨圖

圖3中給出了造成時鐘電池電壓波動可能的原因。通過單獨測試時鐘電池電壓，排除了時鐘電池本身質(zhì)量不良的可能性。下面再對其他原因進行分析。

3.2? 電路分析

由歐姆定律可知：

V=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，U、RZ不變，電池內(nèi)阻R5在放電容量小于0.8 Ah時幾乎不變[4]。影響電池電壓V的因素為R1～R4四個接觸電阻。當R1～R4中任一阻值變化時，就會導(dǎo)致電壓V的變化。

根據(jù)上述分析，當智能電表長時間存儲或受到外力沖擊振動后，時鐘電池電源回路中的接觸電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致時鐘電池電壓波動;接觸電阻變化與時鐘電池電源回路連接的可靠性密切相關(guān)。電池電源回路電路原理如圖4所示。其中，R1為電池正極與電池正極觸片之間的接觸電阻;R2為電池正極觸片與電池插座之間的接觸電阻;R3為電池負極彈簧與電池負極端面之間的接觸電阻;R4為電池負極引片與電池插座之間的接觸電阻;R5為電池內(nèi)阻;RZ為電池所帶的負載電阻;U為電池開路電壓;V為電池安裝到電池插座后，電池負載電阻RZ兩端的電壓。

3.3? 金屬接觸電阻的特性分析

理論研究表明兩種固體接觸面之間存在微動現(xiàn)象即周期性小振幅（不超過250 μm）的相對運動[5]。兩種金屬表面接觸微動腐蝕產(chǎn)生的金屬氧化物的絕緣特性對接觸電阻會產(chǎn)生影響。在微動過程中，接觸電阻的值將會很高，有時會達到幾納秒甚至更長時間的開路狀態(tài)[6]。

接觸電阻受金屬材料物理性能、接觸壓力、環(huán)境條件、振動、接觸面積、接觸面電流熱效應(yīng)的影響，當接觸壓力小于臨界值時，接觸壓力越大，接觸電阻越小[7]。

試驗研究證明：鍍金材料與鍍鎳、鍍銅材料的接觸電阻較小，與鍍鎳材料的接觸電阻較大;不銹鋼與不銹鋼、鎳與鎳之間的接觸電阻較高，不銹鋼與鎳接觸電阻次之。目前連接器行業(yè)中，一般采用鍍鎳的方式，我司目前的時鐘電池連接也采用鍍鎳的方式，因為鎳比較便宜，有較好的防腐蝕功能，同時鎳也存在接觸電阻較大的問題。

3.4? 智能電表時鐘電池電源回路接觸電阻

時鐘電池電路中產(chǎn)生接觸電阻的材料：電池正極材料為不銹鋼（鐵鉻合金），電池負極材料為不銹鋼（304），電池插座金屬為鍍鎳銅材，電池正、負極引片材料為鍍鎳銅材。由此可知：R1和R3均為不銹鋼材料與鍍鎳銅材之間的接觸電阻;R2和R4均為鍍鎳銅材之間的接觸電阻。根據(jù)接觸電阻特性分析結(jié)論，R1至R4接觸電阻均較高，且R2和R4應(yīng)大于R1和R3。

3.5? 接觸電阻測試驗證

用萬用表測量電池負極彈簧與電池負極端面之間的接觸電阻R3，阻值在1.6 Ω至2.4 Ω之間。測量負極引片與電池插座彈片之間的電阻R4，阻值不穩(wěn)定，阻值在2.0 Ω至12.7 Ω之間。測試結(jié)果與上述關(guān)于接觸電阻特性分析基本一致。

R4阻值較大可能與插座彈片對電池電極引片的接觸壓力小、接觸面積小有關(guān)（見圖2）。另外由于金屬接觸面間形成的氧化物接觸膜較薄，在受到強烈沖擊或磨損后易受到破壞，會導(dǎo)致接觸電阻測量值不能復(fù)現(xiàn)。因此在對時鐘電池電壓波動的電表重新安裝電池后，時鐘電池電壓波動現(xiàn)象不再復(fù)現(xiàn)。

4? 現(xiàn)行電池連接方式問題分析

根據(jù)上述分析，導(dǎo)致出現(xiàn)時鐘電池電壓波動的原因，是現(xiàn)行時鐘電池連接方式的可靠性方面存在不足，具體表現(xiàn)在兩個方面。一是結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：電池正極與正極觸片、負極與彈簧、電極引片與電池插座彈片接觸面積較小，而且由于電池電極引片較?。?.3～0.5 mm），如圖2所示，電池插座彈片張開的自由度又較大，對電池電極引片的接觸壓力較小;二是材料方面：接觸材料為不銹鋼與鍍鎳金屬、鍍鎳金屬與鍍鎳金屬，兩者接觸面均會產(chǎn)生高絕緣的氧化物。

由于現(xiàn)行方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料方面均存在不足，導(dǎo)致現(xiàn)行方案在實際應(yīng)用過程中存在時鐘電池欠壓的現(xiàn)象，現(xiàn)行方案可從以上兩個方面進行改進。

5? 現(xiàn)有問題改進措施

根據(jù)上面的分析結(jié)論，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料方面做創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的可靠性，為了提高智能電表時鐘電池電源回路連接的可靠性，減少接觸電阻及其變化，建議采取以下措施進行改進：

（1）將時鐘電池正、負極引出片直接焊接在電池上，電極引片通過電池倉引出，插裝在電池插座上，通過此方法可避免正極與正極觸片、負極彈簧與負極、負極彈簧與負極引片3處接觸環(huán)節(jié)的接觸不良、接觸電阻較大的問題。電池焊接如圖5所示。

（2）改進時鐘電池插座的結(jié)構(gòu)，電極引片增大增粗、插座采用四面夾持的方式，增加時鐘電池插座彈片與時鐘電池電極引片的接觸面積和接觸壓力，提供接觸的可靠性，如圖6所示。

（3）改進時鐘電池倉結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加安裝引導(dǎo)柱，如圖7所示，方便插座安裝到位，由于時鐘電池采用人工安裝，存在安裝偏斜的問題，增加安裝引導(dǎo)柱可有效避免該問題的發(fā)生。

（4）對電池電極引片以及電池插座彈片兩者的接觸部分采用局部鍍金工藝[8]，鍍金的工業(yè)連接器除了在防腐蝕方面能夠比其他方式出眾之外，由于金的耐磨，可延展性等特征，也大大提高了我們產(chǎn)品的插拔次數(shù)，保證了多次插拔之后仍然能夠保持很高的接觸力。最后一點就是金無可比擬的導(dǎo)電性能。

6? 驗證結(jié)果

時鐘電池采用現(xiàn)有方案和優(yōu)化方案分別對單相智能電能表進行測試。兩種方法各測試1 000只電能表，其檢定結(jié)果如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)行方案存在時鐘電池電壓異常的情況（<3.3 V），占比約3.5%，產(chǎn)品可靠性低，智能電表存在質(zhì)量隱患。優(yōu)化方案在時鐘電池電壓測試方面明顯改善，提高了時鐘電池連接可靠性，杜絕了時鐘電池電壓為0的現(xiàn)象發(fā)生，杜絕了電能表時鐘故障的發(fā)生。

7? 結(jié)? 論

從測試結(jié)果可以看出，通過本文采用的改進措施，在提高外置時鐘電池連接可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。通過對時鐘電池在結(jié)構(gòu)和材料方面的改進，避免了現(xiàn)行方案存在的缺陷，降低了智能電表在使用過程中的故障率，提高了用戶的滿意度，提高了產(chǎn)品的可靠性，有較高的推廣價值。

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作者簡介：劉保會（1964—），男，漢族，山東曹縣人，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電能計量技術(shù)及質(zhì)量管理;任曉鋒（1986—），男，漢族，安徽淮北人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電能計量技術(shù);劉安東（1998—），男，漢族，山東濟南人，本科在讀，研究方向：接觸電阻自動化測試;曹?。?978—），男，漢族，山東濟南人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電能計量檢驗試驗技

術(shù);時彬（1986—），男，漢族，山東泰安人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電能計量技術(shù)及質(zhì)量管理。