智能電能表電池容量衰減的欠電壓故障分析

(深圳市計量質量檢測研究院，廣東 深圳 518000)

0 引言

我國自2009 年啟動智能電能表的項目以來，累積采購單相智能電能表已多達3.58億只。為了進一步強化電能表質量，從2013年第3批開始國網招標文件中列出了19種典型故障現象，要求各電能表生產商對其進行深層的故障原因分析，并提出技術和管理上的管控措施。由于智能電能表運行在環境復雜的堅強電網末端，保證智能電能表運行質量的穩定性和可靠性是計量產品的核心。根據國家電網投標文件提供的典型故障，主要包括設計環節、制造工藝環節、元器件環節三大類故障。在智能電能表中，分時電量結算和階梯電量均依賴于電能表的準確計時，電能表時鐘的準確計時是保證電量正確計量的關鍵，電能表時鐘錯誤將直接導致電能表正常計量出現問題。而電池欠電壓會引起時鐘錯誤，從而使費率時段、負荷記錄等功能無法正常工作，造成電能表故障。

1 電能表電池欠電壓的典型故障

電能表電池欠電壓的典型故障現象主要有：導致時鐘錯誤、混亂；分時電量結算和階梯電價結算計算錯誤；凍結數據和各類事件錯誤，不具備可追溯性，成為無效數據。智能電能表不良現象中電池欠電壓、時鐘亂等故障較多，造成這一故障的可能原因包括：智能電能表的設計和制造工藝問題、電子元器件問題、軟件設計問題以及電池質量問題等。根據應用調查，現場按標準生產的智能電能表出現電池欠電壓故障(ERR-04)比例約為千分之幾[1]，由此分析了電能表電池實際使用過程中出現低壓的原因。智能電能表使用的電池主要是鋰-亞硫酰氯電池，其欠電壓表現一般有三種原因。

1.1 容量耗盡

鋰-亞硫酰氯電池作為一種液體陰極電池，其小電流工作電壓在從0%～90% DOD(Depth of Discharge)時均表現得十分穩定，只有在接近電池壽命末期、電池活性物質耗盡時，才會出現明顯的電壓下降。從分析的電池來看，約65%的電池是由于電池容量耗盡而導致電池低壓。

1.2 鈍化影響

分析的故障電池中約25%的電池可以放電，并且開路電壓逐步恢復正常。鋰-亞硫酰氯電池經過一定時間的高低溫存儲后，負極鋰金屬表面氯化鋰鈍化膜層持續生長，最終導致電池發生鈍化，提供的工作電壓不能滿足電能表需要，但此時電池容量并未真正耗盡，其開路電壓也表現正常[2]。

電池鈍化現象用于表計上最大的危害就是當市電停電發生時，由于各智能表掉電判斷流程設計不同而表現出不同的結果，理想的設計是當市電掉電過電能表最低工作電壓的時候，電能表能及時(10 ms級半個周波)檢測出外部停電，而不消耗電池的容量。但軟件實際設計過程中由于各種任務的限制，或多或少存在依靠電池供電的模式，此時MCU工作電流一般為5～10 mA，如果電池鈍化比較嚴重，不能瞬時供出電流，會導致MCU程序復位。在設計軟件時，必須充分考慮電池鈍化短時供電不足帶來的影響。

1.3 電池本身故障

故障表計中約3%～5%的電池，是由于電池本身故障(焊接脫落、漏液等原因)。排除電池本身在制造過程中的不良，電池的不當安裝和超出電池設計范圍的高低溫也會導致電池本身出現故障。從以上智能電能表電池故障分析結果可以看出，電池欠電壓造成的電能表故障已需要引起重視，而這其中大部分的低壓電池又是由于容量耗盡而造成的。

2 智能電能表用鋰-亞硫酰氯電池壽命預測

鋰-亞硫酰氯電池在智能電能表中標準應用條件下的容量消耗，如下所述[3]。

1)自放電消耗的電池容量：鋰亞電池的年自放電率小于1%，以1 200 mAh 容量為例，每年自放電容量消耗：12 mAh×1%=12 mAh；則10年最大自放電容量為：12 mAh×10=120 mAh。

2)斷電消耗的電池容量：國網單相智能電能表的時鐘及CPU的整機平均電流為15 μA左右，則1年耗電為：15 μA×24 h×365 d=131 400 μAh=131.4 mAh；根據國網智能電能表“斷電后可維持內部時鐘正確工作時間累計不少于5年”技術要求，則5年斷電待機容量為：131.4 mAh×5=657 mAh。

3)供電消耗的電池容量：為減少電池進入鈍化的時間，實際電池設計時均設計有遲緩鈍化的電池放電電流。按2 μA計算，則1年耗電為2 μA×24 h×365=17 520 μAh=17.52 mAh。

按照10 年壽命要求，減去5年斷電待機，系統帶電的5 年消耗的電池容量為：17.52 mAh×5=87.6 mAh。

4)總容量確定：根據上述計算，電池在標準應用條件下的容量消耗為：120+657+87.6=864.6 mAh。

從以上分析可得，在標準應用條件下，ER14250 型(1 200 mAh)電池的可靠性和使用壽命均能夠滿足智能電能表對電池10年的使用要求。

3 智能電能表電池實際應用壽命偏離理論預測壽命的原因

電池廠家在預估電池的應用壽命時，是基于標準應用條件和環境下的預估壽命，但顯而易見的是，目前國內智能電能表的應用條件和環境并非全部能夠達到標準條件，而由此帶來的一系列變化最終都將體現為電池的使用壽命衰減。

3.1 實際應用條件和標準存儲條件下ER14250型電池容量衰減對比測試

分別測試了實際應用條件下掛表電池和標準倉儲條件下ER14250型電池的有效剩余容量，如圖1所示。

(a)實際掛表使用3.5年后電池，平均剩余容量630 mAh (b)標準倉儲條件下存儲4年后電池，平均剩余容量970 mAh

圖1(a)中電池在電能表現場使用約3.5年，表計工作正常，從測試數據看，各電池剩余容量差別較大，平均剩余容量僅為630 mAh，相對新電池330 Ω放電容量1 000 mAh損耗率已達到37%，而標準倉儲條件下存儲4年的電池，其剩余容量一致性明顯更好，且平均剩余容量仍達到970 mAh，相對新電損耗率不足3%。由此可見，實際應用環境對電池性能影響極為顯著。

3.2 使用環境對鋰-亞硫酰氯電池有效容量的影響

一般來說，電池在20 ℃～40 ℃之間能夠獲得最好的特性，鋰-亞硫酰氯電池作為一種化學電源，其放電時的環境溫度對其使用壽命(容量)和電壓特性有明顯的影響。這是由于低溫下化學活性降低，電池內阻增加，放電溫度的下降會導致容量減少和放電曲線斜率增大，而在較高的溫度下，內阻降低，放電電壓升高，當化學活性增加速率快到足以產生凈容量損失(自放電現象)時，也會導致電池實際放電容量的降低。

圖2 ER14250型鋰-亞硫酰氯電池容量-溫度-電流特性

注：某電能表廠實測提供

如圖2所示，ER14250型鋰-亞硫酰氯電池以1 mA電流恒流放電，在25 ℃下能夠達到最高容量1.2 Ah，而同樣1 mA放電，在0 ℃和60 ℃時只能達到約1.0 Ah容量，容量衰減率達到約17%，在更低溫(-30 ℃)和更高的溫度(+85 ℃)下，電池容量衰減更為明顯。

3.3 使用環境對鋰-亞硫酰氯電池自放電率的影響

根據范特霍夫定律，溫度每升高10 ℃，化學反應速度增加2～4倍[3]。根據這一化學反應動力學規律以及電池生產實際使用數據，一般認為電池在60 ℃下儲存200 d就相當于在常溫下儲存10年。依據Sandia國家實驗室結論和范特霍夫定律，高溫會造成電池內部電化學反應的加速，還會造成電池內部液體循環加速和自放電的加速。根據對電池進行長達2年室溫及高溫儲存，ER14250型鋰-亞硫酰氯電池不同環境溫度下空載和帶載儲存后自放電率值如表1所示。

表1 鋰-亞硫酰氯電池不同環境溫度下空載和帶載儲存后自放電率

由模擬測試數據可以看出，室溫條件下的年自放電率小于1.5%，60 ℃條件下的自放電率高達14%，結果與范特霍夫定律相符。高溫下自放電率的顯著升高，也是導致實際應用過程中電池壽命提前終結的原因之一。

3.4 使用環境對電池外電路的影響

鋰-亞硫酰氯電池在智能電能表中安裝的典型電路圖如圖3所示[4]。

圖3 智能電能表中時鐘電池安裝典型電路

圖4 肖特基二極管反向漏電流溫度特性

由于鋰-亞硫酰氯電池屬于一次性鋰電，為避免外電路給其充電，電池需要串聯一個二極管后接入電路。該二極管器件的對電池的使用壽命有很大的影響，在高溫下，二極管的反向漏電流將會顯著增大，這樣的電能表在高溫下，電池很容易被耗盡致使出現低壓，圖4所示為肖特基二極管反向電流溫度特性曲線，可見隨溫度升高，其反向漏電流在電池供電條件下最大可達mA級別。

5 結論

1)目前智能電能表在實際使用4～5年時，逐漸出現的時鐘電池欠電壓故障比例，造成這一故障的原因是時鐘電池容量耗盡。

2)智能電能表用鋰-亞硫酰氯電池10年以上的預測使用壽命是基于電池處于標準的應用條件和環境條件，而實際應用條件和環境條件往往與標準條件偏離較大。

3)實際應用環境會對鋰-亞硫酰氯電池的有效容量和自放電率造成的影響較大。

4)實際應用環境會提高智能電能表中的其他元器件的故障率，而這些元器件的故障也會造成時鐘電池的功耗提升并導致其提前失效。

為降低智能電能表實際應用中的電池欠電壓故障率，由于電能表可能安裝在比較惡劣的工作環境中，電池廠家應努力提升電池自身耐候性，提高電池在鈍化情況下能持續提供動力，另外，國網公司已陸續推出了關鍵元器件全性能試驗大綱，規定了各種元器件的工作環境和測試方法，勢必會進一步推動智能電能表用元器件性能更優，質量更穩定。