不同環(huán)境對(duì)單相智能電能表電池壽命的影響分析

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(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院; 2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京，100045)

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速開(kāi)展，單相智能電能表已廣泛應(yīng)用于居民用戶(hù)及單相一般工商業(yè)用戶(hù)[1-2]。單相智能電能表具備分時(shí)費(fèi)率計(jì)量、電量結(jié)算、定時(shí)凍結(jié)、負(fù)荷記錄、LCD顯示、遠(yuǎn)程控制等功能，并且作為用電算費(fèi)的重要工具，可靠、穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越受到各方關(guān)注[3-4]。但從大量運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)單相智能電能表存在大批量電池欠壓?jiǎn)栴}。經(jīng)分析研究，故障單相智能電能表未及時(shí)安裝，長(zhǎng)時(shí)間未供電，而單相智能電能表采用同一個(gè)電池作為時(shí)鐘電池與抄表電池兩種不同用途，以致電池耗電量大，造成電池欠壓?jiǎn)栴}的發(fā)生。同時(shí)，因不能給時(shí)鐘電路正常供電，最終時(shí)鐘紊亂，嚴(yán)重影響到分時(shí)費(fèi)率計(jì)量、電量結(jié)算等其它功能[5-6]。

依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1364-2013《單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》，單相智能電能表采用綠色環(huán)保鋰電池內(nèi)置式設(shè)計(jì)[7]。若電池電量不足，現(xiàn)場(chǎng)不能更換，僅能更換整塊電能表，導(dǎo)致資產(chǎn)極大浪費(fèi)。2017年8月，國(guó)家電網(wǎng)公司頒布《國(guó)網(wǎng)計(jì)量中心電能表全性能試驗(yàn)檢測(cè)公告》第8號(hào)補(bǔ)遺，第二大項(xiàng)內(nèi)容是電池可換單相電能表樣式，解決電池電量不足不便更換的問(wèn)題，但同時(shí)引來(lái)需要批量采購(gòu)電池的問(wèn)題，費(fèi)用較高[8]。

本文基于實(shí)際工作、環(huán)境因素等方面，通過(guò)環(huán)境溫度影響試驗(yàn)、高溫高濕試驗(yàn)，檢測(cè)停電并且休眠狀態(tài)下的單相智能電能表電池功耗值，計(jì)算電池使用壽命，查出最佳貯存環(huán)境，以便節(jié)省電池電量，減少采購(gòu)電池?cái)?shù)量，保證現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2 電池簡(jiǎn)介

單相智能電能表的內(nèi)部電池采用綠色環(huán)保鋰電池，具有體積小、比功率高、工作電壓平穩(wěn)、使用溫度范圍廣、安全性好、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。電池正極是碳，負(fù)極是金屬鋰，電解液是亞硫酰氯，內(nèi)部采用炭包式結(jié)構(gòu)，更適合于小電流長(zhǎng)壽命的工作模式。鋰電池的基本參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池的基本參數(shù)

電池在電能表壽命周期內(nèi)無(wú)需更換，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。電池應(yīng)有防脫落措施，引腳焊點(diǎn)應(yīng)足夠牢固，與電池正極直接連接的裸露導(dǎo)電體與其他裸露導(dǎo)電體之間應(yīng)有防短路措施。當(dāng)電池電壓不能滿(mǎn)足元器件供電要求時(shí)，電能表液晶屏顯示“Err-04”，說(shuō)明電池欠壓。智能電能表的溫度范圍如表2所示。

表2 溫度范圍

依據(jù)表2，鋰電池的工作溫度范圍滿(mǎn)足智能電能表技術(shù)規(guī)范要求。

3 電池使用壽命分析

外部未對(duì)單相智能電能表供電時(shí)，內(nèi)部電池為主處理器MCU、時(shí)鐘芯片、存儲(chǔ)芯片等芯片供電，使電能表信息不發(fā)生紊亂。主處理器MCU工作狀態(tài)包括休眠狀態(tài)、短時(shí)喚醒運(yùn)行狀態(tài)、偶爾的I2C總線(xiàn)操作狀態(tài)。最大持續(xù)放電電流需確保MCU喚醒運(yùn)行，最大脈沖放電電流需確保I2C總線(xiàn)操作。因各供應(yīng)商設(shè)計(jì)思路不同，結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，最大持續(xù)放電電流和最大脈沖放電電流不盡相同，以保證電池維持內(nèi)部芯片正常工作累計(jì)時(shí)間不少于5年。單相智能電能表的工作原理結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示[9-10]。

圖1 單相智能電能表的原理結(jié)構(gòu)框圖

計(jì)算電池使用壽命，需要獲知電池標(biāo)準(zhǔn)電壓值、電池標(biāo)稱(chēng)容量值以及電池功耗值。供應(yīng)商在設(shè)計(jì)電能表時(shí)，結(jié)合前期檢測(cè)、運(yùn)輸電能表等操作時(shí)間，電能表內(nèi)部芯片供電需要的電壓值，需要合理計(jì)算電池標(biāo)準(zhǔn)電壓值和電池標(biāo)稱(chēng)容量值，具體如下所示：

(1)自放電消耗的電池容量：電池的年自放電率小于2%，以1200mAh電池標(biāo)稱(chēng)容量為例，每年自放電容量消耗1200mAh×2%=24mAh，則10年最大自放電容量為24mAh×10=240mAh；

(2)斷電消耗的電池容量：?jiǎn)蜗嘀悄茈娔鼙淼臅r(shí)鐘及MCU的整機(jī)功耗平均電流近似為15μA，1年消耗的電池容量為15μA×24h×365d=131.4mAh，則5年斷電待機(jī)容量為131.4mAh×5=657mAh；

(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。按照2μA計(jì)算， 1年消耗的電池容量為2μA×24h×365d=17.52mAh。

按照10 年壽命要求，減去5年斷電待機(jī)時(shí)間，帶電的5 年消耗的電池容量為17.52mAh×5=87.6mAh；

(4)電池標(biāo)稱(chēng)容量確定：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240 mAh +657 mAh +87.6 mAh =984.6mAh。

為此，多數(shù)供應(yīng)商采用型號(hào)ER14250，3.6V、1200mAh的電池。

對(duì)于電池內(nèi)置電能表，為方便檢測(cè)電池功耗，供應(yīng)商在設(shè)計(jì)電路板時(shí)預(yù)留檢測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。當(dāng)電能表正常工作時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)處于短接狀態(tài)。檢測(cè)電池功耗，需要打開(kāi)表蓋，斷開(kāi)檢測(cè)點(diǎn)，將數(shù)字萬(wàn)用表串聯(lián)至電池供電回路，測(cè)得電流值為當(dāng)前環(huán)境下的電池功耗值。

圖2 電池內(nèi)置電能表電池功耗檢測(cè)點(diǎn)

對(duì)于電池可更換電能表，打開(kāi)客戶(hù)銘牌，電池倉(cāng)如圖3所示。卸下電池，打開(kāi)表蓋，檢測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)將數(shù)字萬(wàn)用表、電池串聯(lián)至供電回路，測(cè)得電流值為當(dāng)前環(huán)境下的電池功耗值。

圖3 電池可更換電能表電池倉(cāng)位置

圖4 電池可更換電能表電池功耗檢測(cè)點(diǎn)

隨著用電損耗，電池電壓下降，為防止電池?fù)p壞，避免發(fā)生安全事故，終止電壓設(shè)定為2.0V，不再繼續(xù)放電同時(shí)也不可充電。單相智能電能表具有“電池電壓不足”檢測(cè)與報(bào)警功能。供應(yīng)商考慮電池的負(fù)載電壓與放電容量特性的關(guān)系，設(shè)定電池報(bào)警電壓閥值。電池報(bào)警電壓閥值根據(jù)電路可以正常工作的最低電壓來(lái)確定，若MCU最低工作電壓為2.8V，電路中二極管，片式電阻等電壓為0.4V，因此設(shè)定電池報(bào)警電壓閥值為3.2V，相當(dāng)0.9倍電池標(biāo)準(zhǔn)電壓值。低于3.2V時(shí)，電池電壓不能滿(mǎn)足電能表內(nèi)部芯片的供電要求，進(jìn)而電池標(biāo)稱(chēng)容量?jī)H能占用近80%。

通過(guò)分析電池欠壓電能表，發(fā)現(xiàn)電能表未及時(shí)安裝，長(zhǎng)時(shí)間未供電，以致電池耗電量大，造成電池欠壓?jiǎn)栴}的發(fā)生。因此，著重關(guān)注在不同環(huán)境下檢測(cè)電池內(nèi)置式電能表和電池可換電能表停電并且休眠狀態(tài)的電池功耗，計(jì)算電池使用壽命。具體公式如公式(1)所示：

T=Q×a÷W

(1)

式中：T——電池使用壽命，單位h，在實(shí)際運(yùn)用中，可轉(zhuǎn)換其它單位(如：年)；

Q——電池標(biāo)稱(chēng)容量，單位mAh(如：1200mAh)；

a——系數(shù)，(如：80%)因電池供應(yīng)商不同，放電電流存在差異；

W——測(cè)得的電池功耗(如：1.2μA)；

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及解決措施

為方便對(duì)比，隨機(jī)抽取6個(gè)不同供應(yīng)商并且檢測(cè)合格的單相智能電能表，在溫度(23±2)℃、濕度(45%±75%)RH環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)，其中電池內(nèi)置式3塊(分別為表1、表2、表3)、電池可更換樣式3塊(分別為表4、表5、表6)。

4.1 環(huán)境溫度影響試驗(yàn)結(jié)果分析

使電能表處于停電并且休眠狀態(tài)，放入高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，待溫度穩(wěn)定4小時(shí)后，開(kāi)始檢測(cè)電池功耗，計(jì)算電池使用壽命，如表3所示。

表3 不同環(huán)境溫度下的電池使用壽命

從表3計(jì)算結(jié)果可以獲知，同一塊單相智能電能表在不同溫度下，電池使用壽命差距較小，但相比之下，處于20℃～30℃，45%RH～75%RH環(huán)境，電池使用壽命較長(zhǎng)。電能表表1、表2、表3、表5滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)電池正確工作時(shí)間至少5年的技術(shù)要求，但是表4、表6不能滿(mǎn)足電池的技術(shù)要求。電能表表4、表6是電池可更換樣式，利于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，但是會(huì)增加采購(gòu)電池?cái)?shù)量近1.8倍，費(fèi)用較高，建議供應(yīng)商修改電池供電回路設(shè)計(jì)方案。

4.2 高溫高濕試驗(yàn)結(jié)果分析

使電能表處于停電并且休眠狀態(tài)，，放入高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，待溫度、濕度穩(wěn)定4小時(shí)后，開(kāi)始檢測(cè)電池功耗，計(jì)算電池使用壽命，如表4所示。

表4 高溫高濕下的電池使用壽命

從表4檢測(cè)結(jié)果可以獲知，同一塊單相智能電能表在不同溫度濕度下，電池使用壽命差距較大，溫度濕度越高，電池使用壽命越低。與上述環(huán)境溫度影響試驗(yàn)結(jié)果相比，電池使用壽命明顯降低，建議不要在高溫高濕環(huán)境下貯存電能表。

5 結(jié)束語(yǔ)

單相智能電能表時(shí)鐘電池與抄表電池采用同一塊電池，電池消耗電量較大。為節(jié)省電池電量，文章通過(guò)環(huán)境溫度影響試驗(yàn)、高溫高濕試驗(yàn)，檢測(cè)電池內(nèi)置式和電池可更換式電能表的電池功耗，計(jì)算電池使用壽命。建議在20℃～30℃，45%RH～75%RH環(huán)境貯存電能表，但是貯存時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。各供應(yīng)商生產(chǎn)的電池可更換式電能表的電池功耗差距較大，建議在全性能試驗(yàn)和抽樣驗(yàn)收試驗(yàn)開(kāi)展電池功耗檢測(cè)。采集主站也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電能表電池欠壓的監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)更換電池，保證電能表信息不紊亂。