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。 4.2 高自放电率
（1）导致高自放电率首先是电池内部微短路。（2）所用材料金属锂纯度不高或加工过程受到污染（如水汽）。（3）与电池内部锂金属表面钝化层的形成以及结构有密切关系。
4.3 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，典型的钝化曲线如图7所示。
图7 电池钝化曲线图
由图7可以看出在很低的放电率下（几十微安），钝化膜的导电率通常能满足充足的离子传输。这种情况下没有电压滞后显现出来，电池输出电压立即达到。当电池放电的电流极较小时（几百微安），锂离子在钝化膜中的迁移速率基本能够满足要求。但是，当电流较大时（10毫安），锂离子在钝化膜中的迁移速率就已经无（下转第98页）（上接第57页）法满足要求了，钝化膜两端产生很大的电压降，电池就会出现负载电压低下的问题，即电池出现了滞后现象，随着电流的持续，钝化膜逐渐被击穿，两端的压降逐渐减小，电池的负载电压就慢慢恢复正常，这种消耗钝化膜的过程我们称之为消除滞后或者激活。
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。
4.4 气密性问题
锂-亚硫酰氯电池是典型的非水无机电解质电池，该电池的电解液遇水后有极强的氧化性，因此该电池采用全密封结构，该电池外壳及盖组为不锈钢材质，它们之间采用亚弧焊或极光焊密封，正极与负极为玻璃绝缘子密封，因此有优良的储存性能。如果电池气密性出现问题，电池将很快失效。
锂-亚硫酰氯电池在储存和使用过程中容易引起电池漏液的部位主要有以下四处：
4.4.1 注液孔处（如图8中1处）
电池装配后，电解液通过注液孔注入后，采用密封钢钉或钢珠进行密封。电池储存和使用后是否会出现漏液主要有三方面原因：
①注液孔与密封钢钉或钢珠的设计匹配性。
②注液孔密封生产工艺（如焊接）。
③原材料及生产过程的控制。
图8 锂-亚硫酰氯电池结构图
4.4.2 玻璃绝缘子处（如图8中2处）
玻璃绝缘子的主要作用是在电池外部将正负极绝缘，玻璃绝缘子出现漏液有原材料质量的原因，也有生产工艺控制方面的原因。
4.4.3 电池盖焊接处（如图8中3处）
电池焊接处主要指盖组与钢壳的连接处，通常采用激光焊或亚弧焊接，该处出现漏液的原因主要取决于电池的焊接工艺以及盖组与钢壳的匹配性。
4.4.4 钢壳处（如图8中4处）
钢壳是由机械拉伸生产的，在生产过程中由于机械应力产生的薄弱环节及钢壳内壁不易检测的细小裂纹等也可能引起漏液。
5.结束语
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。
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