不同环境对单相智能电能表电池寿命的影响分析

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(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院; 2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京，100045)

1 引言

随着智能电网的快速开展，单相智能电能表已广泛应用于居民用户及单相一般工商业用户[1-2]。单相智能电能表具备分时费率计量、电量结算、定时冻结、负荷记录、LCD显示、远程控制等功能，并且作为用电算费的重要工具，可靠、稳定运行越来越受到各方关注[3-4]。但从大量运行数据分析，发现单相智能电能表存在大批量电池欠压问题。经分析研究，故障单相智能电能表未及时安装，长时间未供电，而单相智能电能表采用同一个电池作为时钟电池与抄表电池两种不同用途，以致电池耗电量大，造成电池欠压问题的发生。同时，因不能给时钟电路正常供电，最终时钟紊乱，严重影响到分时费率计量、电量结算等其它功能[5-6]。

依据国家电网公司标准Q/GDW 1364-2013《单相智能电能表技术规范》，单相智能电能表采用绿色环保锂电池内置式设计[7]。若电池电量不足，现场不能更换，仅能更换整块电能表，导致资产极大浪费。2017年8月，国家电网公司颁布《国网计量中心电能表全性能试验检测公告》第8号补遗，第二大项内容是电池可换单相电能表样式，解决电池电量不足不便更换的问题，但同时引来需要批量采购电池的问题，费用较高[8]。

本文基于实际工作、环境因素等方面，通过环境温度影响试验、高温高湿试验，检测停电并且休眠状态下的单相智能电能表电池功耗值，计算电池使用寿命，查出最佳贮存环境，以便节省电池电量，减少采购电池数量，保证现场运行稳定可靠。

2 电池简介

单相智能电能表的内部电池采用绿色环保锂电池，具有体积小、比功率高、工作电压平稳、使用温度范围广、安全性好、贮存寿命长等优点。电池正极是碳，负极是金属锂，电解液是亚硫酰氯，内部采用炭包式结构，更适合于小电流长寿命的工作模式。锂电池的基本参数如表1所示。

表1 锂电池的基本参数

电池在电能表寿命周期内无需更换，断电后可维持内部时钟正确工作时间累计不少于5年。电池应有防脱落措施，引脚焊点应足够牢固，与电池正极直接连接的裸露导电体与其他裸露导电体之间应有防短路措施。当电池电压不能满足元器件供电要求时，电能表液晶屏显示“Err-04”，说明电池欠压。智能电能表的温度范围如表2所示。

表2 温度范围

依据表2，锂电池的工作温度范围满足智能电能表技术规范要求。

3 电池使用寿命分析

外部未对单相智能电能表供电时，内部电池为主处理器MCU、时钟芯片、存储芯片等芯片供电，使电能表信息不发生紊乱。主处理器MCU工作状态包括休眠状态、短时唤醒运行状态、偶尔的I2C总线操作状态。最大持续放电电流需确保MCU唤醒运行，最大脉冲放电电流需确保I2C总线操作。因各供应商设计思路不同，结合国家电网标准技术要求，最大持续放电电流和最大脉冲放电电流不尽相同，以保证电池维持内部芯片正常工作累计时间不少于5年。单相智能电能表的工作原理结构框图，如图1所示[9-10]。

图1 单相智能电能表的原理结构框图

计算电池使用寿命，需要获知电池标准电压值、电池标称容量值以及电池功耗值。供应商在设计电能表时，结合前期检测、运输电能表等操作时间，电能表内部芯片供电需要的电压值，需要合理计算电池标准电压值和电池标称容量值，具体如下所示：

(1)自放电消耗的电池容量：电池的年自放电率小于2%，以1200mAh电池标称容量为例，每年自放电容量消耗1200mAh×2%=24mAh，则10年最大自放电容量为24mAh×10=240mAh；

(2)断电消耗的电池容量：单相智能电能表的时钟及MCU的整机功耗平均电流近似为15μA，1年消耗的电池容量为15μA×24h×365d=131.4mAh，则5年断电待机容量为131.4mAh×5=657mAh；

(3)供电消耗的电池容量：为减少电池进入钝化的时间，实际电池设计时均设计有迟缓钝化的电池放电电流。按照2μA计算， 1年消耗的电池容量为2μA×24h×365d=17.52mAh。

按照10 年寿命要求，减去5年断电待机时间，带电的5 年消耗的电池容量为17.52mAh×5=87.6mAh；

(4)电池标称容量确定：根据上述计算，电池在标准应用条件下的容量消耗为240 mAh +657 mAh +87.6 mAh =984.6mAh。

为此，多数供应商采用型号ER14250，3.6V、1200mAh的电池。

对于电池内置电能表，为方便检测电池功耗，供应商在设计电路板时预留检测点，如图2所示。当电能表正常工作时，检测点处于短接状态。检测电池功耗，需要打开表盖，断开检测点，将数字万用表串联至电池供电回路，测得电流值为当前环境下的电池功耗值。

图2 电池内置电能表电池功耗检测点

对于电池可更换电能表，打开客户铭牌，电池仓如图3所示。卸下电池，打开表盖，检测点位置如图4所示。通过检测点将数字万用表、电池串联至供电回路，测得电流值为当前环境下的电池功耗值。

图3 电池可更换电能表电池仓位置

图4 电池可更换电能表电池功耗检测点

随着用电损耗，电池电压下降，为防止电池损坏，避免发生安全事故，终止电压设定为2.0V，不再继续放电同时也不可充电。单相智能电能表具有“电池电压不足”检测与报警功能。供应商考虑电池的负载电压与放电容量特性的关系，设定电池报警电压阀值。电池报警电压阀值根据电路可以正常工作的最低电压来确定，若MCU最低工作电压为2.8V，电路中二极管，片式电阻等电压为0.4V，因此设定电池报警电压阀值为3.2V，相当0.9倍电池标准电压值。低于3.2V时，电池电压不能满足电能表内部芯片的供电要求，进而电池标称容量仅能占用近80%。

通过分析电池欠压电能表，发现电能表未及时安装，长时间未供电，以致电池耗电量大，造成电池欠压问题的发生。因此，着重关注在不同环境下检测电池内置式电能表和电池可换电能表停电并且休眠状态的电池功耗，计算电池使用寿命。具体公式如公式(1)所示：

T=Q×a÷W

(1)

式中：T——电池使用寿命，单位h，在实际运用中，可转换其它单位(如：年)；

Q——电池标称容量，单位mAh(如：1200mAh)；

a——系数，(如：80%)因电池供应商不同，放电电流存在差异；

W——测得的电池功耗(如：1.2μA)；

4 试验结果分析及解决措施

为方便对比，随机抽取6个不同供应商并且检测合格的单相智能电能表，在温度(23±2)℃、湿度(45%±75%)RH环境下开展试验，其中电池内置式3块(分别为表1、表2、表3)、电池可更换样式3块(分别为表4、表5、表6)。

4.1 环境温度影响试验结果分析

使电能表处于停电并且休眠状态，放入高低温交变湿热试验箱，待温度稳定4小时后，开始检测电池功耗，计算电池使用寿命，如表3所示。

表3 不同环境温度下的电池使用寿命

从表3计算结果可以获知，同一块单相智能电能表在不同温度下，电池使用寿命差距较小，但相比之下，处于20℃～30℃，45%RH～75%RH环境，电池使用寿命较长。电能表表1、表2、表3、表5满足国家电网公司标准电池正确工作时间至少5年的技术要求，但是表4、表6不能满足电池的技术要求。电能表表4、表6是电池可更换样式，利于现场维护，但是会增加采购电池数量近1.8倍，费用较高，建议供应商修改电池供电回路设计方案。

4.2 高温高湿试验结果分析

使电能表处于停电并且休眠状态，，放入高低温交变湿热试验箱，待温度、湿度稳定4小时后，开始检测电池功耗，计算电池使用寿命，如表4所示。

表4 高温高湿下的电池使用寿命

从表4检测结果可以获知，同一块单相智能电能表在不同温度湿度下，电池使用寿命差距较大，温度湿度越高，电池使用寿命越低。与上述环境温度影响试验结果相比，电池使用寿命明显降低，建议不要在高温高湿环境下贮存电能表。

5 结束语

单相智能电能表时钟电池与抄表电池采用同一块电池，电池消耗电量较大。为节省电池电量，文章通过环境温度影响试验、高温高湿试验，检测电池内置式和电池可更换式电能表的电池功耗，计算电池使用寿命。建议在20℃～30℃，45%RH～75%RH环境贮存电能表，但是贮存时间不宜过长。各供应商生产的电池可更换式电能表的电池功耗差距较大，建议在全性能试验和抽样验收试验开展电池功耗检测。采集主站也应加强对电能表电池欠压的监测，便于及时更换电池，保证电能表信息不紊乱。