智能电能表电池欠压问题探讨

张皓淼

国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐830000

摘要：随着国家电网公司采集工程建设的不断推进，现场运行的智能电能表数量越来越多，作为贸易结算器具的电能表在现场运行的可靠性逐渐受各方关注。智能电能表均在实验室检测合格后才配送、安装至用户，由于现场运行环境复杂多变，实验室检测并不能完全排除其性能缺陷，故考究智能电能表可靠性就变得尤为必要。智能电能表能够满足我国正在执行阶梯电价和分时电价政策的需求，电能表分时电量和阶梯电量正确计量的关键是电表计时的准确性，错误的计时将会导致电能表费率切换错误，电量冻结转存时间错误，主动事件上报与系统召测时间错误等。

关键词：智能；电能表；电池欠压；问题

1智能电能表在运行过程中存在的电池欠压问题

智能电能表在实际运行中会受到电能表本身质量和供电电源电压质量的影响，如电表电池钝化、电池馈电以及变电设施故障或负荷突然变化，造成电压骤降、短时中断、频繁掉电等，电源电压恢复稳定后，多数电子式电能表仍能正确运行，但是少数表计经受不住电压瞬时变化及电池馈电的考验，出现计量功能紊乱，这给国家及供电企业造成损失[1]。

2导致智能电能表电池欠压的主要原因

一是电池本身问题。目前，从返厂维修的数据分析看，电池本身问题占很大比例，主要是国产电池的稳定性、自放电和抗钝化能力要比国外进口的性能稍差，在高温、高湿、高盐雾情况下会出现自放电和钝化，在长期库存以及运行工作4—5年后有可能出现电池欠压报警。二是电能表设计方案问题[2]。如设计方案不合理就会造成功耗超标，导致电能表使用不久后就出现电池欠压。三是电能表生产工艺控制问题造成功耗超标，导致电能表使用不久后就出现电池欠压。

3电池欠压故障对智能电能表的影响

智能电能表电池既作抄表电池又作时钟电池，电能表电池欠压造成电能表时钟偏差和停电无法唤醒。现阶段，我国正在全面推广阶梯电价和分时电价，电能表分时电量和阶梯电量正确计量的关键是电能表计时的准确性，电能表时间偏差会导致表内费率切换出错、冻结电量转存发生时间错误等，这些均影响电能表正常计量[3]。当电池欠压时，电能表屏显“Err－04”的报警提示，报警灯指示闪烁。智能电能表的推广应用是智能电网建设的重要环节，智能电能表能实时或者定时传递表内信息至主站，然而时间偏差大于5min时，主站就无法使表计时钟同步，也无法采集到现场实时数据，只能采取人工现场修改的方法，因此影响智能电网的智能化水平。当电能表掉电后，时钟不计数，电能表无法唤醒，无法抄读电能表内部信息和开盖检测等，直接影响了电能表稳定、安全运行。

4硬件电路设计

当外部电源供电时，MCU及时钟等模块电路由5V（或3.3V）主电源供电，而外部电源中断时切换到电池供电，对于部分电能表主芯片工作电压为3.3V，而电池的电压为3.6V，电池与电网供电电源的切换电路尤为重要，切换必须准确，否则电池耗电。如图5设计中，MOS管Q2电路保证上掉电过程中电池电源与电网供电电路的顺利切换。如果电路中取消MOS管，在不同的温度点不能全面保证电池不工作，因为在不同温度点二极管的正向压降相差较大。电池供电电路上不能采用电解电容，电解电容的漏电电流随着温度的上升而呈指数函数增加，导致电池快速放电。电解电容的漏电流温度特性（见图6）。其本质在于电解电容中氧化膜内杂质离子的迁移率是随温度上升而急剧增加的，这是离子导电的普遍规律。另外高温下氧化膜中，由于热振动的加剧，使某些填隙离子获得足够大的能量而摆脱束缚，参与迁移行为，对漏电流的增加也有一定贡献。

5软件设计

电能表RTC电路和MCU低功耗电路使用一颗电池。RTC电路功耗比较低，但MCU部分消耗比较多电流，因此电表停电状态下应避免干扰等其它原因频繁启动MCU，电池功耗将变大，电池寿命会不同程度的下降影响电表的正常工作。MCU进入低功耗前软件必须控制各个I/O口和外设处于低功耗模式，否则电池电量将被快速耗尽。电表掉电后需及时检测掉电信号，确保完成相关的掉电操作进入低功耗后才能切换为电池工作，否则电池启动时电流较大，如果电池处于深度钝化状态，电池电压将下降较大，可能造成时钟芯片短时掉电可乱时钟。MCU中一般有一个电压检测模块，当MCU的工作电压低于域值时，将进入复位状态，如果该阈值设计不合理，电表将不断复位，电池工作时会短时间内放完电量。

6电池品质

6.1电池内部微短路

导致电池内部微短路主要原因是：锂-亚硫酰氯电池内的隔膜材料品质差性能不稳定、长期存放或使用过程中易破损或绝缘性能降低。电池所用正负极之间的隔膜是玻璃纤维材质，经过喷浆工艺加工制成，该隔膜存在一定程度的不均匀性、含有杂质或小气泡，还有电池装配过程难免会造成隔膜一定程度的损伤，极轻微的损伤或固有的缺陷不能被仪器检测出来。当电池放电一段时间后内部碳正极膨胀，就可能会将隔膜胀破，造成电池出现内部微短路，电池容量提前耗尽。金属密封盖内的玻璃绝缘体密度低，毛细现象严重，易受电解液的侵蚀和污染，形成结晶盐而产生微短路，电池正负极之间的阻抗降低，加快了电池的自放电。

6.2电池钝化

锂-亚硫酰氯电池电化学反应方程式如下：

负极：4Li-4e=4Li+

正极：2SOCl2+4e=2SO2+4Cl-

电池总反应：4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2

当锂-亚硫酰氯电池经过一段时间存放后，Li和SOCl2反应会在金属锂表面产生一层致密的LiCl保护膜，我们称之为一次膜，随着环境温度的升高和电池储存时间的延长，一次膜会逐渐扩大变厚形成二次膜（也称钝化膜），二次膜的形成严重影响了锂离子在电池内部的迁移速率，钝化膜可以防止Li和SOCl2进一步反应。所以存储后的电池首次接上负载，负载电压会瞬时下降到最低值（即TMV值），会出现电压滞后现象。但随着电池放电的进行，钝化膜会逐渐被消除，负载电压逐渐上升。因此如果电表软件设计合理，正常进入电池工作状态（即低功耗掉电状态）时，功耗一般不会超过几十微安，电池钝化现象不会对电表正常工作产生影响。

如果软件设计不合理，电表未进入低功耗前就使用电池供电，此时电池工作电流会比较大，那么电池的钝化作用就会使电池输出电压下降到很低，可能产生时钟芯片掉电乱数据的现象。同时如果MCU的电源电压监控值设置不合理（如3V或更高），还有可能使电表进入反复复位状态，电池将会在短时间内放完电而失效。锂-亚硫酰氯电池内部严重钝化的原因主要与电池的生产工艺、材料，尤其与电池用电解液有关，电池钝化是锂-亚硫酰氯电池的一大特性，也是该类型电池长寿命的基础；需要掌握先进的钝化膜形成基理与钝化膜去除相关电化学技术，严重的钝化将堵塞电池内部反应通道，即使仍有材料剩余也无法放出电来，电池使用寿命提前结束。

总结：

针对以上几方面时钟电池欠压的原因可以采取相应的解决办法，在电表的生产过程中可采用免清洗焊膏、焊锡，或采用清洗、覆膜的工艺来解决助焊剂残留的质量隐患，同时需加强生产过程的全程管控。电路的设计、元器件的合理选择以及提高软件设计的合理性都能在不同层面减少电能表时钟电池欠压的发生。电池设计的选型，完善的电池长期运行可靠性测试是解决电能表时钟电池欠压问题的关键之处。

参考文献：

[1]王晨，庞富宽，魏彤珈，巨汉基，姜振宇.不同环境对单相智能电能表电池寿命的影响分析[J].机电元件，2018，38（05）：53-56+64.

[2]杜峥嵘.分析智能电能表时钟电池欠压分析及关键计量指标影响[J].通讯世界，2018（05）：220-221.

[3]李鹏，杨熹，陈欣，高敬更，李飒.单相智能电能表电池欠压故障分析[J].工业仪表与自动化装置，2017（04）：113-114+120.