智能电能表时钟电池欠压分析

智能电能表时钟电池欠压分析

【摘要】从生产工艺控制、硬件设计、软件设计和电池品质等几个方面深入分析了目前国内智能电能表中时钟电池欠压产生的主要原因，并在设计方面提出了相应的解决办法。

【关键词】智能电能表;助焊剂;锂-亚硫酰氯电池;电池钝化

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

目前国内使用的智能电能表时钟电池欠压将引起电能表的分时、阶梯计费以及冻结等功能都不能正常实现，造成电能表的严重故障。而电表的时钟电池欠压主要有四个方面的原因，其中分别为生产工艺控制，硬件电路设计，软件设计，电池品质等。

1.生产工艺控制

1.1 助焊剂残留

在生产中的过程控制、管理存在问题，产生助焊剂残留，其中下图中贴片电容附近白色结晶体和霉点为助焊剂残留物受潮之后形成的盐化物（见图1），而通常这种盐化物质的形成是生产过程中少量助焊剂未有效挥发导致，残留物质附着在PCB板上，使表计在潮湿环境下容易局部受潮，通常情况下，产生吸潮的原因的三种可能：1）PCB基材不合格、2）焊接材料低劣、3）覆膜缺陷导致。助焊剂残留物主要成份是NaCl，此物质容易与空气中的水分子发生反应，转换成Na+，从而使PCB板上电路周围器件阻抗降低，引起露电流，使电表工作电流增大，当电表中电池工作时，电池功耗增大，电池寿命也将下降，电表挂网运行一定时间就会出现电池欠压，具体时间与漏电流大小有关。

1.2 生产过程撞件

生产过程中PCB板上贴片电容在制造过程中应当避免受到外力冲击，否则电容内部将破裂，电容损坏后阻抗可能下降（并不一定是短路状态），尤其助焊剂易进入其中，而在潮湿的环境下导致电池快速放电失效（见图2、图3）。

图1 助焊剂残留物

图2 电容出现裂纹

图3 电容内部裂纹图

1.3 清洗工艺问题

印刷电路板清洗工艺不到位残留部分杂质，在潮湿、盐雾等恶劣的环境下局部易产生电解反应，使电路板的阻抗降低，电池将在这个电路板局部范围内产生放电，根据漏放电电流大小的不同，电池寿命也会有不同程度的减少（见图4）。

图4 电阻抗残留物

图5 电池供电电路

图6 漏电流温度特性曲线

2.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。

3.软件设计

单相电能表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。

4.电池品质

4.1 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。