智能電能表時鐘電池欠壓分析

李俊文 解超 樊堅 姜志博

【摘要】從生產(chǎn)工藝控制、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和電池品質(zhì)等幾個方面深入分析了目前國內(nèi)智能電能表中時鐘電池欠壓產(chǎn)生的主要原因，并在設(shè)計方面提出了相應(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

目前國內(nèi)使用的智能電能表時鐘電池欠壓將引起電能表的分時、階梯計費(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。而電表的時鐘電池欠壓主要有四個方面的原因，其中分別為生產(chǎn)工藝控制，硬件電路設(shè)計，軟件設(shè)計，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)中的過程控制、管理存在問題，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（見圖1），而通常這種鹽化物質(zhì)的形成是生產(chǎn)過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，電池功耗增大，電池壽命也將下降，電表掛網(wǎng)運(yùn)行一定時間就會出現(xiàn)電池欠壓，具體時間與漏電流大小有關(guān)。

1.2 生產(chǎn)過程撞件

生產(chǎn)過程中PCB板上貼片電容在制造過程中應(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，電池壽命也會有不同程度的減少（見圖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

當(dāng)外部電源供電時，MCU及時鐘等模塊電路由5V（或3.3V）主電源供電，而外部電源中斷時切換到電池供電，對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)計中，MOS管Q2電路保證上掉電過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，對漏電流的增加也有一定貢獻(xiàn)。

3.軟件設(shè)計

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MCU，電池功耗將變大，電池壽命會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。

電表掉電后需及時檢測掉電信號，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，否則電池啟動時電流較大，如果電池處于深度鈍化狀態(tài)，電池電壓將下降較大，可能造成時鐘芯片短時掉電可亂時鐘。

MCU中一般有一個電壓檢測模塊，當(dāng)MCU的工作電壓低于域值時，將進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，如果該閾值設(shè)計不合理，電表將不斷復(fù)位，電池工作時會短時間內(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、長期存放或使用過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，還有電池裝配過程難免會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出來。當(dāng)電池放電一段時間后內(nèi)部碳正極膨脹，就可能會將隔膜脹破，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)過一段時間存放后，Li和SOCl2反應(yīng)會在金屬鋰表面產(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存時間的延長，一次膜會逐漸擴(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)。所以存儲后的電池首次接上負(fù)載，負(fù)載電壓會瞬時下降到最低值（即TMV值），會出現(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。這種情況下沒有電壓滯后顯現(xiàn)出來，電池輸出電壓立即達(dá)到。當(dāng)電池放電的電流極較小時（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（10毫安），鋰離子在鈍化膜中的遷移速率就已經(jīng)無（下轉(zhuǎn)第98頁）（上接第57頁）法滿足要求了，鈍化膜兩端產(chǎn)生很大的電壓降，電池就會出現(xiàn)負(fù)載電壓低下的問題，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)計合理，正常進(jìn)入電池工作狀態(tài)（即低功耗掉電狀態(tài)）時，功耗一般不會超過幾十微安，電池鈍化現(xiàn)象不會對電表正常工作產(chǎn)生影響。如果軟件設(shè)計不合理，電表未進(jìn)入低功耗前就使用電池供電，此時電池工作電流會比較大，那么電池的鈍化作用就會使電池輸出電壓下降到很低，可能產(chǎn)生時鐘芯片掉電亂數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。同時如果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)，電池將會在短時間內(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法放出電來，電池使用壽命提前結(jié)束。

4.4 氣密性問題

鋰-亞硫酰氯電池是典型的非水無機(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)良的儲存性能。如果電池氣密性出現(xiàn)問題，電池將很快失效。

鋰-亞硫酰氯電池在儲存和使用過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，電解液通過注液孔注入后，采用密封鋼釘或鋼珠進(jìn)行密封。電池儲存和使用后是否會出現(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)壁不易檢測的細(xì)小裂紋等也可能引起漏液。

5.結(jié)束語

針對以上幾方面時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)過程中可采用免清洗焊膏、焊錫，或采用清洗、覆膜的工藝來解決助焊劑殘留的質(zhì)量隱患，同時需加強(qiáng)生產(chǎn)過程的全程管控。電路的設(shè)計、元器件的合理選擇以及提高軟件設(shè)計的合理性都能在不同層面減少電能表時鐘電池欠壓的發(fā)生。電池設(shè)計的選型，完善的電池長期運(yùn)行可靠性測試是解決電能表時鐘電池欠壓問題的關(guān)鍵之處。

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