不同環(huán)境對單相智能電能表電池壽命的影響分析

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(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院; 2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京，100045)

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速開展，單相智能電能表已廣泛應(yīng)用于居民用戶及單相一般工商業(yè)用戶[1-2]。單相智能電能表具備分時費率計量、電量結(jié)算、定時凍結(jié)、負荷記錄、LCD顯示、遠程控制等功能，并且作為用電算費的重要工具，可靠、穩(wěn)定運行越來越受到各方關(guān)注[3-4]。但從大量運行數(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問題。經(jīng)分析研究，故障單相智能電能表未及時安裝，長時間未供電，而單相智能電能表采用同一個電池作為時鐘電池與抄表電池兩種不同用途，以致電池耗電量大，造成電池欠壓問題的發(fā)生。同時，因不能給時鐘電路正常供電，最終時鐘紊亂，嚴重影響到分時費率計量、電量結(jié)算等其它功能[5-6]。

依據(jù)國家電網(wǎng)公司標準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[7]。若電池電量不足，現(xiàn)場不能更換，僅能更換整塊電能表，導致資產(chǎn)極大浪費。2017年8月，國家電網(wǎng)公司頒布《國網(wǎng)計量中心電能表全性能試驗檢測公告》第8號補遺，第二大項內(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題，但同時引來需要批量采購電池的問題，費用較高[8]。

本文基于實際工作、環(huán)境因素等方面，通過環(huán)境溫度影響試驗、高溫高濕試驗，檢測停電并且休眠狀態(tài)下的單相智能電能表電池功耗值，計算電池使用壽命，查出最佳貯存環(huán)境，以便節(jié)省電池電量，減少采購電池數(shù)量，保證現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠。

2 電池簡介

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、貯存壽命長等優(yōu)點。電池正極是碳，負極是金屬鋰，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)無需更換，斷電后可維持內(nèi)部時鐘正確工作時間累計不少于5年。電池應(yīng)有防脫落措施，引腳焊點應(yīng)足夠牢固，與電池正極直接連接的裸露導電體與其他裸露導電體之間應(yīng)有防短路措施。當電池電壓不能滿足元器件供電要求時，電能表液晶屏顯示“Err-04”，說明電池欠壓。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

外部未對單相智能電能表供電時，內(nèi)部電池為主處理器MCU、時鐘芯片、存儲芯片等芯片供電，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)、短時喚醒運行狀態(tài)、偶爾的I2C總線操作狀態(tài)。最大持續(xù)放電電流需確保MCU喚醒運行，最大脈沖放電電流需確保I2C總線操作。因各供應(yīng)商設(shè)計思路不同，結(jié)合國家電網(wǎng)標準技術(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時間不少于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

計算電池使用壽命，需要獲知電池標準電壓值、電池標稱容量值以及電池功耗值。供應(yīng)商在設(shè)計電能表時，結(jié)合前期檢測、運輸電能表等操作時間，電能表內(nèi)部芯片供電需要的電壓值，需要合理計算電池標準電壓值和電池標稱容量值，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電池標稱容量為例，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：單相智能電能表的時鐘及MCU的整機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年斷電待機容量為131.4mAh×5=657mAh；

(3)供電消耗的電池容量：為減少電池進入鈍化的時間，實際電池設(shè)計時均設(shè)計有遲緩鈍化的電池放電電流。按照2μA計算， 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年斷電待機時間，帶電的5 年消耗的電池容量為17.52mAh×5=87.6mAh；

(4)電池標稱容量確定：根據(jù)上述計算，電池在標準應(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ER14250，3.6V、1200mAh的電池。

對于電池內(nèi)置電能表，為方便檢測電池功耗，供應(yīng)商在設(shè)計電路板時預留檢測點，如圖2所示。當電能表正常工作時，檢測點處于短接狀態(tài)。檢測電池功耗，需要打開表蓋，斷開檢測點，將數(shù)字萬用表串聯(lián)至電池供電回路，測得電流值為當前環(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點

對于電池可更換電能表，打開客戶銘牌，電池倉如圖3所示。卸下電池，打開表蓋，檢測點位置如圖4所示。通過檢測點將數(shù)字萬用表、電池串聯(lián)至供電回路，測得電流值為當前環(huán)境下的電池功耗值。

圖3 電池可更換電能表電池倉位置

圖4 電池可更換電能表電池功耗檢測點

隨著用電損耗，電池電壓下降，為防止電池損壞，避免發(fā)生安全事故，終止電壓設(shè)定為2.0V，不再繼續(xù)放電同時也不可充電。單相智能電能表具有“電池電壓不足”檢測與報警功能。供應(yīng)商考慮電池的負載電壓與放電容量特性的關(guān)系，設(shè)定電池報警電壓閥值。電池報警電壓閥值根據(jù)電路可以正常工作的最低電壓來確定，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)定電池報警電壓閥值為3.2V，相當0.9倍電池標準電壓值。低于3.2V時，電池電壓不能滿足電能表內(nèi)部芯片的供電要求，進而電池標稱容量僅能占用近80%。

通過分析電池欠壓電能表，發(fā)現(xiàn)電能表未及時安裝，長時間未供電，以致電池耗電量大，造成電池欠壓問題的發(fā)生。因此，著重關(guān)注在不同環(huán)境下檢測電池內(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，在實際運用中，可轉(zhuǎn)換其它單位(如：年)；

Q——電池標稱容量，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——測得的電池功耗(如：1.2μA)；

4 試驗結(jié)果分析及解決措施

為方便對比，隨機抽取6個不同供應(yīng)商并且檢測合格的單相智能電能表，在溫度(23±2)℃、濕度(45%±75%)RH環(huán)境下開展試驗，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箱，待溫度穩(wěn)定4小時后，開始檢測電池功耗，計算電池使用壽命，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。電能表表1、表2、表3、表5滿足國家電網(wǎng)公司標準電池正確工作時間至少5年的技術(shù)要求，但是表4、表6不能滿足電池的技術(shù)要求。電能表表4、表6是電池可更換樣式，利于現(xiàn)場維護，但是會增加采購電池數(shù)量近1.8倍，費用較高，建議供應(yīng)商修改電池供電回路設(shè)計方案。

4.2 高溫高濕試驗結(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箱，待溫度、濕度穩(wěn)定4小時后，開始檢測電池功耗，計算電池使用壽命，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

單相智能電能表時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，文章通過環(huán)境溫度影響試驗、高溫高濕試驗，檢測電池內(nèi)置式和電池可更換式電能表的電池功耗，計算電池使用壽命。建議在20℃～30℃，45%RH～75%RH環(huán)境貯存電能表，但是貯存時間不宜過長。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，建議在全性能試驗和抽樣驗收試驗開展電池功耗檢測。采集主站也應(yīng)加強對電能表電池欠壓的監(jiān)測，便于及時更換電池，保證電能表信息不紊亂。