李俊文 解超 樊堅(jiān) 姜志博

【摘要】從生產(chǎn)工藝控制、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和電池品質(zhì)等幾個(gè)方面深入分析了目前國(guó)內(nèi)智能電能表中時(shí)鐘電池欠壓產(chǎn)生的主要原因，并在設(shè)計(jì)方面提出了相應(yīng)的解決辦法。

【關(guān)鍵詞】智能電能表;助焊劑;鋰-亞硫酰氯電池;電池鈍化

Abstract：From the production process control，hardware design，software design and the quality of the battery from several aspects such as in-depth analysis of the current domestic smart meters in the clock battery voltage of the main causes，and puts forward corresponding solutions in the design source.

Key words：Intelligent watt-hour meter;soldering flux;Lithium thionyl chloride batteries;battery passivation

引言

目前國(guó)內(nèi)使用的智能電能表時(shí)鐘電池欠壓將引起電能表的分時(shí)、階梯計(jì)費(fèi)以及凍結(jié)等功能都不能正常實(shí)現(xiàn)，造成電能表的嚴(yán)重故障。而電表的時(shí)鐘電池欠壓主要有四個(gè)方面的原因，其中分別為生產(chǎn)工藝控制，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，電池品質(zhì)等。

1.生產(chǎn)工藝控制

1.1 助焊劑殘留

在生產(chǎn)中的過(guò)程控制、管理存在問(wèn)題，產(chǎn)生助焊劑殘留，其中下圖中貼片電容附近白色結(jié)晶體和霉點(diǎn)為助焊劑殘留物受潮之后形成的鹽化物（見(jiàn)圖1），而通常這種鹽化物質(zhì)的形成是生產(chǎn)過(guò)程中少量助焊劑未有效揮發(fā)導(dǎo)致，殘留物質(zhì)附著在PCB板上，使表計(jì)在潮濕環(huán)境下容易局部受潮，通常情況下，產(chǎn)生吸潮的原因的三種可能：1）PCB基材不合格、2）焊接材料低劣、3）覆膜缺陷導(dǎo)致。助焊劑殘留物主要成份是NaCl，此物質(zhì)容易與空氣中的水分子發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)換成Na+，從而使PCB板上電路周圍器件阻抗降低，引起露電流，使電表工作電流增大，當(dāng)電表中電池工作時(shí)，電池功耗增大，電池壽命也將下降，電表掛網(wǎng)運(yùn)行一定時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)電池欠壓，具體時(shí)間與漏電流大小有關(guān)。

1.2 生產(chǎn)過(guò)程撞件

生產(chǎn)過(guò)程中PCB板上貼片電容在制造過(guò)程中應(yīng)當(dāng)避免受到外力沖擊，否則電容內(nèi)部將破裂，電容損壞后阻抗可能下降（并不一定是短路狀態(tài)），尤其助焊劑易進(jìn)入其中，而在潮濕的環(huán)境下導(dǎo)致電池快速放電失效（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖1 助焊劑殘留物

圖2 電容出現(xiàn)裂紋

圖3 電容內(nèi)部裂紋圖

1.3 清洗工藝問(wèn)題

印刷電路板清洗工藝不到位殘留部分雜質(zhì)，在潮濕、鹽霧等惡劣的環(huán)境下局部易產(chǎn)生電解反應(yīng)，使電路板的阻抗降低，電池將在這個(gè)電路板局部范圍內(nèi)產(chǎn)生放電，根據(jù)漏放電電流大小的不同，電池壽命也會(huì)有不同程度的減少（見(jiàn)圖4）。

圖4 電阻抗殘留物

圖5 電池供電電路

圖6 漏電流溫度特性曲線

2.硬件電路設(shè)計(jì)

當(dāng)外部電源供電時(shí)，MCU及時(shí)鐘等模塊電路由5V（或3.3V）主電源供電，而外部電源中斷時(shí)切換到電池供電，對(duì)于部分電能表主芯片工作電壓為3.3V，而電池的電壓為3.6V，電池與電網(wǎng)供電電源的切換電路尤為重要，切換必須準(zhǔn)確，否則電池耗電。如圖5設(shè)計(jì)中，MOS管Q2電路保證上掉電過(guò)程中電池電源與電網(wǎng)供電電路的順利切換。如果電路中取消MOS管，在不同的溫度點(diǎn)不能全面保證電池不工作，因?yàn)樵诓煌瑴囟赛c(diǎn)二極管的正向壓降相差較大。

電池供電電路上不能采用電解電容，電解電容的漏電電流隨著溫度的上升而呈指數(shù)函數(shù)增加，導(dǎo)致電池快速放電。電解電容的漏電流溫度特性（見(jiàn)圖6）。其本質(zhì)在于電解電容中氧化膜內(nèi)雜質(zhì)離子的遷移率是隨溫度上升而急劇增加的，這是離子導(dǎo)電的普遍規(guī)律。另外高溫下氧化膜中，由于熱振動(dòng)的加劇，使某些填隙離子獲得足夠大的能量而擺脫束縛，參與遷移行為，對(duì)漏電流的增加也有一定貢獻(xiàn)。

3.軟件設(shè)計(jì)

單相電能表RTC電路和MCU低功耗電路使用一顆電池。RTC電路功耗比較低，但MCU部分消耗比較多電流，因此電表停電狀態(tài)下應(yīng)避免干擾等其它原因頻繁啟動(dòng)MCU，電池功耗將變大，電池壽命會(huì)不同程度的下降影響電表的正常工作。MCU進(jìn)入低功耗前軟件必須控制各個(gè)I/O口和外設(shè)處于低功耗模式，否則電池電量將被快速耗盡。

電表掉電后需及時(shí)檢測(cè)掉電信號(hào)，確保完成相關(guān)的掉電操作進(jìn)入低功耗后才能切換為電池工作，否則電池啟動(dòng)時(shí)電流較大，如果電池處于深度鈍化狀態(tài)，電池電壓將下降較大，可能造成時(shí)鐘芯片短時(shí)掉電可亂時(shí)鐘。

MCU中一般有一個(gè)電壓檢測(cè)模塊，當(dāng)MCU的工作電壓低于域值時(shí)，將進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，如果該閾值設(shè)計(jì)不合理，電表將不斷復(fù)位，電池工作時(shí)會(huì)短時(shí)間內(nèi)放完電量。

4.電池品質(zhì)

4.1 電池內(nèi)部微短路

導(dǎo)致電池內(nèi)部微短路主要原因是：

鋰-亞硫酰氯電池內(nèi)的隔膜材料品質(zhì)差性能不穩(wěn)定、長(zhǎng)期存放或使用過(guò)程中易破損或絕緣性能降低。電池所用正負(fù)極之間的隔膜是玻璃纖維材質(zhì)，經(jīng)過(guò)噴漿工藝加工制成，該隔膜存在一定程度的不均勻性、含有雜質(zhì)或小氣泡，還有電池裝配過(guò)程難免會(huì)造成隔膜一定程度的損傷，極輕微的損傷或固有的缺陷不能被儀器檢測(cè)出來(lái)。當(dāng)電池放電一段時(shí)間后內(nèi)部碳正極膨脹，就可能會(huì)將隔膜脹破，造成電池出現(xiàn)內(nèi)部微短路，電池容量提前耗盡。

金屬密封蓋內(nèi)的玻璃絕緣體密度低，毛細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重，易受電解液的侵蝕和污染，形成結(jié)晶鹽而產(chǎn)生微短路，電池正負(fù)極之間的阻抗降低，加快了電池的自放電。

4.2 高自放電率

（1）導(dǎo)致高自放電率首先是電池內(nèi)部微短路。（2）所用材料金屬鋰純度不高或加工過(guò)程受到污染（如水汽）。（3）與電池內(nèi)部鋰金屬表面鈍化層的形成以及結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。

4.3 電池鈍化

鋰-亞硫酰氯電池電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

負(fù)極：4Li-4e=4Li+

正極：2SOCl2+4e=2SO2+4Cl-

電池總反應(yīng)：

4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2

當(dāng)鋰-亞硫酰氯電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間存放后，Li和SOCl2反應(yīng)會(huì)在金屬鋰表面產(chǎn)生一層致密的LiCl保護(hù)膜，我們稱之為一次膜，隨著環(huán)境溫度的升高和電池儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，一次膜會(huì)逐漸擴(kuò)大變厚形成二次膜（也稱鈍化膜），二次膜的形成嚴(yán)重影響了鋰離子在電池內(nèi)部的遷移速率，鈍化膜可以防止Li和SOCl2 進(jìn)一步反應(yīng)。所以存儲(chǔ)后的電池首次接上負(fù)載，負(fù)載電壓會(huì)瞬時(shí)下降到最低值（即TMV值），會(huì)出現(xiàn)電壓滯后現(xiàn)象。但隨著電池放電的進(jìn)行，鈍化膜會(huì)逐漸被消除，負(fù)載電壓逐漸上升，典型的鈍化曲線如圖7所示。

圖7 電池鈍化曲線圖

由圖7可以看出在很低的放電率下（幾十微安），鈍化膜的導(dǎo)電率通常能滿足充足的離子傳輸。這種情況下沒(méi)有電壓滯后顯現(xiàn)出來(lái)，電池輸出電壓立即達(dá)到。當(dāng)電池放電的電流極較小時(shí)（幾百微安），鋰離子在鈍化膜中的遷移速率基本能夠滿足要求。但是，當(dāng)電流較大時(shí)（10毫安），鋰離子在鈍化膜中的遷移速率就已經(jīng)無(wú)（下轉(zhuǎn)第98頁(yè)）（上接第57頁(yè)）法滿足要求了，鈍化膜兩端產(chǎn)生很大的電壓降，電池就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電壓低下的問(wèn)題，即電池出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，隨著電流的持續(xù)，鈍化膜逐漸被擊穿，兩端的壓降逐漸減小，電池的負(fù)載電壓就慢慢恢復(fù)正常，這種消耗鈍化膜的過(guò)程我們稱之為消除滯后或者激活。

因此如果電表軟件設(shè)計(jì)合理，正常進(jìn)入電池工作狀態(tài)（即低功耗掉電狀態(tài)）時(shí)，功耗一般不會(huì)超過(guò)幾十微安，電池鈍化現(xiàn)象不會(huì)對(duì)電表正常工作產(chǎn)生影響。如果軟件設(shè)計(jì)不合理，電表未進(jìn)入低功耗前就使用電池供電，此時(shí)電池工作電流會(huì)比較大，那么電池的鈍化作用就會(huì)使電池輸出電壓下降到很低，可能產(chǎn)生時(shí)鐘芯片掉電亂數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。同時(shí)如果MCU的電源電壓監(jiān)控值設(shè)置不合理（如3V或更高），還有可能使電表進(jìn)入反復(fù)復(fù)位狀態(tài)，電池將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)放完電而失效。

鋰-亞硫酰氯電池內(nèi)部嚴(yán)重鈍化的原因主要與電池的生產(chǎn)工藝、材料，尤其與電池用電解液有關(guān)，電池鈍化是鋰-亞硫酰氯電池的一大特性，也是該類型電池長(zhǎng)壽命的基礎(chǔ);需要掌握先進(jìn)的鈍化膜形成基理與鈍化膜去除相關(guān)電化學(xué)技術(shù)，嚴(yán)重的鈍化將堵塞電池內(nèi)部反應(yīng)通道，即使仍有材料剩余也無(wú)法放出電來(lái)，電池使用壽命提前結(jié)束。

4.4 氣密性問(wèn)題

鋰-亞硫酰氯電池是典型的非水無(wú)機(jī)電解質(zhì)電池，該電池的電解液遇水后有極強(qiáng)的氧化性，因此該電池采用全密封結(jié)構(gòu)，該電池外殼及蓋組為不銹鋼材質(zhì)，它們之間采用亞弧焊或極光焊密封，正極與負(fù)極為玻璃絕緣子密封，因此有優(yōu)良的儲(chǔ)存性能。如果電池氣密性出現(xiàn)問(wèn)題，電池將很快失效。

鋰-亞硫酰氯電池在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中容易引起電池漏液的部位主要有以下四處：

4.4.1 注液孔處（如圖8中1處）

電池裝配后，電解液通過(guò)注液孔注入后，采用密封鋼釘或鋼珠進(jìn)行密封。電池儲(chǔ)存和使用后是否會(huì)出現(xiàn)漏液主要有三方面原因：

①注液孔與密封鋼釘或鋼珠的設(shè)計(jì)匹配性。

②注液孔密封生產(chǎn)工藝（如焊接）。

③原材料及生產(chǎn)過(guò)程的控制。

圖8 鋰-亞硫酰氯電池結(jié)構(gòu)圖

4.4.2 玻璃絕緣子處（如圖8中2處）

玻璃絕緣子的主要作用是在電池外部將正負(fù)極絕緣，玻璃絕緣子出現(xiàn)漏液有原材料質(zhì)量的原因，也有生產(chǎn)工藝控制方面的原因。

4.4.3 電池蓋焊接處（如圖8中3處）

電池焊接處主要指蓋組與鋼殼的連接處，通常采用激光焊或亞弧焊接，該處出現(xiàn)漏液的原因主要取決于電池的焊接工藝以及蓋組與鋼殼的匹配性。

4.4.4 鋼殼處（如圖8中4處）

鋼殼是由機(jī)械拉伸生產(chǎn)的，在生產(chǎn)過(guò)程中由于機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié)及鋼殼內(nèi)壁不易檢測(cè)的細(xì)小裂紋等也可能引起漏液。

5.結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)以上幾方面時(shí)鐘電池欠壓的原因可以采取相應(yīng)的解決辦法，在電表的生產(chǎn)過(guò)程中可采用免清洗焊膏、焊錫，或采用清洗、覆膜的工藝來(lái)解決助焊劑殘留的質(zhì)量隱患，同時(shí)需加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程的全程管控。電路的設(shè)計(jì)、元器件的合理選擇以及提高軟件設(shè)計(jì)的合理性都能在不同層面減少電能表時(shí)鐘電池欠壓的發(fā)生。電池設(shè)計(jì)的選型，完善的電池長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性測(cè)試是解決電能表時(shí)鐘電池欠壓?jiǎn)栴}的關(guān)鍵之處。

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