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        智能電能表電池容量衰減的欠電壓故障分析

        2020-04-20 02:27:08
        技術(shù)與市場(chǎng) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:自放電電池容量電能表

        (深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院,廣東 深圳 518000)

        0 引言

        我國(guó)自2009 年啟動(dòng)智能電能表的項(xiàng)目以來(lái),累積采購(gòu)單相智能電能表已多達(dá)3.58億只。為了進(jìn)一步強(qiáng)化電能表質(zhì)量,從2013年第3批開(kāi)始國(guó)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(duì)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(yùn)行在環(huán)境復(fù)雜的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)末端,保證智能電能表運(yùn)行質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性是計(jì)量產(chǎn)品的核心。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)投標(biāo)文件提供的典型故障,主要包括設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、制造工藝環(huán)節(jié)、元器件環(huán)節(jié)三大類(lèi)故障。在智能電能表中,分時(shí)電量結(jié)算和階梯電量均依賴(lài)于電能表的準(zhǔn)確計(jì)時(shí),電能表時(shí)鐘的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)是保證電量正確計(jì)量的關(guān)鍵,電能表時(shí)鐘錯(cuò)誤將直接導(dǎo)致電能表正常計(jì)量出現(xiàn)問(wèn)題。而電池欠電壓會(huì)引起時(shí)鐘錯(cuò)誤,從而使費(fèi)率時(shí)段、負(fù)荷記錄等功能無(wú)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(shí)鐘錯(cuò)誤、混亂;分時(shí)電量結(jié)算和階梯電價(jià)結(jié)算計(jì)算錯(cuò)誤;凍結(jié)數(shù)據(jù)和各類(lèi)事件錯(cuò)誤,不具備可追溯性,成為無(wú)效數(shù)據(jù)。智能電能表不良現(xiàn)象中電池欠電壓、時(shí)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(jì)和制造工藝問(wèn)題、電子元器件問(wèn)題、軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題以及電池質(zhì)量問(wèn)題等。根據(jù)應(yīng)用調(diào)查,現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際使用過(guò)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(shí)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(shí),才會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓下降。從分析的電池來(lái)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(kāi)路電壓逐步恢復(fù)正常。鋰-亞硫酰氯電池經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的高低溫存儲(chǔ)后,負(fù)極鋰金屬表面氯化鋰鈍化膜層持續(xù)生長(zhǎng),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(shí)電池容量并未真正耗盡,其開(kāi)路電壓也表現(xiàn)正常[2]。

        電池鈍化現(xiàn)象用于表計(jì)上最大的危害就是當(dāng)市電停電發(fā)生時(shí),由于各智能表掉電判斷流程設(shè)計(jì)不同而表現(xiàn)出不同的結(jié)果,理想的設(shè)計(jì)是當(dāng)市電掉電過(guò)電能表最低工作電壓的時(shí)候,電能表能及時(shí)(10 ms級(jí)半個(gè)周波)檢測(cè)出外部停電,而不消耗電池的容量。但軟件實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)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(shí)供出電流,會(huì)導(dǎo)致MCU程序復(fù)位。在設(shè)計(jì)軟件時(shí),必須充分考慮電池鈍化短時(shí)供電不足帶來(lái)的影響。

        1.3 電池本身故障

        故障表計(jì)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(guò)程中的不良,電池的不當(dāng)安裝和超出電池設(shè)計(jì)范圍的高低溫也會(huì)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(cè)

        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(guó)網(wǎng)單相智能電能表的時(shí)鐘及CPU的整機(jī)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(guó)網(wǎng)智能電能表“斷電后可維持內(nèi)部時(shí)鐘正確工作時(shí)間累計(jì)不少于5年”技術(shù)要求,則5年斷電待機(jī)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(shí)間,實(shí)際電池設(shè)計(jì)時(shí)均設(shè)計(jì)有遲緩鈍化的電池放電電流。按2 μA計(jì)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(jī),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(jì)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(duì)電池10年的使用要求。

        3 智能電能表電池實(shí)際應(yīng)用壽命偏離理論預(yù)測(cè)壽命的原因

        電池廠家在預(yù)估電池的應(yīng)用壽命時(shí),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(jiàn)的是,目前國(guó)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(lái)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(shí)際應(yīng)用條件和標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)條件下ER14250型電池容量衰減對(duì)比測(cè)試

        分別測(cè)試了實(shí)際應(yīng)用條件下掛表電池和標(biāo)準(zhǔn)倉(cāng)儲(chǔ)條件下ER14250型電池的有效剩余容量,如圖1所示。

        (a)實(shí)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(cāng)儲(chǔ)條件下存儲(chǔ)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(chǎng)使用約3.5年,表計(jì)工作正常,從測(cè)試數(shù)據(jù)看,各電池剩余容量差別較大,平均剩余容量?jī)H為630 mAh,相對(duì)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(cāng)儲(chǔ)條件下存儲(chǔ)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(duì)新電損耗率不足3%。由此可見(jiàn),實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對(duì)電池性能影響極為顯著。

        3.2 使用環(huán)境對(duì)鋰-亞硫酰氯電池有效容量的影響

        一般來(lái)說(shuō),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(shí)的環(huán)境溫度對(duì)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(huì)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(shí),也會(huì)導(dǎo)致電池實(shí)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(shí)測(cè)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(shí)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(duì)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(dòng)力學(xué)規(guī)律以及電池生產(chǎn)實(shí)際使用數(shù)據(jù),一般認(rèn)為電池在60 ℃下儲(chǔ)存200 d就相當(dāng)于在常溫下儲(chǔ)存10年。依據(jù)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室結(jié)論和范特霍夫定律,高溫會(huì)造成電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的加速,還會(huì)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(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)2年室溫及高溫儲(chǔ)存,ER14250型鋰-亞硫酰氯電池不同環(huán)境溫度下空載和帶載儲(chǔ)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(chǔ)存后自放電率

        由模擬測(cè)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中電池壽命提前終結(jié)的原因之一。

        3.4 使用環(huán)境對(duì)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(shí)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(gè)二極管后接入電路。該二極管器件的對(duì)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(huì)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(jiàn)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(jí)別。

        5 結(jié)論

        1)目前智能電能表在實(shí)際使用4~5年時(shí),逐漸出現(xiàn)的時(shí)鐘電池欠電壓故障比例,造成這一故障的原因是時(shí)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(cè)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(shí)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境會(huì)對(duì)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境會(huì)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(huì)造成時(shí)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(shí)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(dòng)力,另外,國(guó)網(wǎng)公司已陸續(xù)推出了關(guān)鍵元器件全性能試驗(yàn)大綱,規(guī)定了各種元器件的工作環(huán)境和測(cè)試方法,勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)智能電能表用元器件性能更優(yōu),質(zhì)量更穩(wěn)定。

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