智能电表外置时钟电池连接可靠性分析与探讨

刘保会 任晓锋 刘安东 曹健 时彬

摘要：为便于时钟电池更换，智能电表时钟电池正逐步由内置焊接安装方式转变为外置可插拔安装方式。中电装备山东电子有限公司供货的智能电表在电力公司验收检验过程中，发现有个别产品出现时钟电池欠压现象，经过单独测试验证，发现现有时钟电池连接方式存在缺陷，该情况在不同电能表厂家的产品中均有被检出，具有一定的普遍性。对此现象，文章进行深入分析，提出了时钟电池连接方式的改进建议，为今后产品的改进指明了方向，有利于减少智能电表时钟故障的发生，提升产品质量。

关键词：智能电表;时钟电池;接触电阻;电压波动

中图分类号：TM933.4       文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2021）07-0162-04

Analysis and Discussion on the Connection Reliability of the

External Clock Battery of the Smart Meter

LIU Baohui1，REN Xiaofeng1，LIU Andong2，CAO Jian1，SHI Bin1

（1.CET Shandong Electronics Co.，Ltd.，Jinan  250109，China;

2.University of Science and Technology Beijing，Beijing  100083，China）

Abstract：In order to facilitate the replacement of the clock battery，the clock battery of smart meter is gradually changing from the internal welding installation mode to the external pluggable installation mode. In the process of acceptance inspection of smart meters supplied by CET Shandong Electronics Co.，Ltd.，it is found that there is a phenomenon of clock battery under voltage in individual products. After a separate test and verification，it is found that there is a defect in the connection mode of the existing clock battery. This situation is detected in the products of different energy meter manufacturers，which has a certain universality. This paper analyzes this phenomenon deeply，and puts forward some suggestions for improving the connection mode of the clock battery，which points out the direction for the future product improvement，and is conducive to reducing the occurrence of the clock failure of the smart meter and improving the product quality.

Keywords：smart meter;clock battery;contact resistance;voltage fluctuation

收稿日期：2021-03-10

0  引  言

智能電表具有分时计费、阶梯电价、冻结和事件记录等功能，这些功能都必须带有时标才有意义，因此需要电表提供一个准确的时钟。目前时钟电池采用绿色环保锂电池，在智能电表断电时，可保证电能表内部时钟正常工作，累计维持时间可达5年。电力公司为了维修更换方便，智能电表时钟安装正逐步采用可插拔的安装方式，据了解下一代IR46智能电表[1]也准备采用外置可插拔电池安装方式。时钟电池连接的可靠性会影响时钟准确性，进而影响到分时计费、阶梯电价以及数据采集、台区线损分析的准确性[2，3]。解决现有时钟电池连接方式的缺陷，成为智能电表厂家的首要课题，本文从问题产生原因出发，层层剖析，在制定问题解决措施等方面进行深入分析和验证，制定需求改进方案。

1  现行外置可插拔时钟电池连接方式

现行方案电池放在电池盒内，通过弹簧的弹力使电池和电池盒保持接触，组装方式如图1所示。

图1中：序号（7）电池装在电池仓内。序号（8）电池的负极与序号（4）负极弹簧相接触，序号（4）负极弹簧与序号（1）负极弹片相连，序号（1）负极引片插装在序号（2）电池插座中（放大图见图2）。序号（6）正极与序号（5）正极触片接触，序号（5）正极触片延伸出电池仓后，如同负极引片一样插装在序号（2）电池插座中。

图2是图1中电池插座部分的放大图。图2中：序号（1）电池插座弹片靠弹力将序号（3）电池负极引片夹持（电池正极引片连接方式与此相同）。

2  时钟电池电压波动问题描述

目前时钟电池外置的智能电表在我司已开始批量生产，电力公司也开始安装使用。根据电力公司验收检验的数据，发现有个别产品出现电池欠压现象，通过单独对电池进行测试，发现电池欠压现象确实存在。另外还发现，当对表计进行敲击振动时，电池电压时高时低（在0 V至3.6 V之间变动）;将电池仓拔出、将电池取出重新安装后，电池电压恢复正常，过段时间后，仍存在电池欠压的现象。据了解，这种现象出现的比例较高，而且不同厂家的同类产品中有一定的普遍性。此种现象说明现有时钟电池的连接方式存在缺陷，智能电表在使用过程中存在时钟电池接触不良的情况，时钟电池连接的可靠性不够，容易产生智能电表的时钟故障问题。

3  原因分析

3.1  原因分析鱼骨图

图3中给出了造成时钟电池电压波动可能的原因。通过单独测试时钟电池电压，排除了时钟电池本身质量不良的可能性。下面再对其他原因进行分析。

3.2  电路分析

由欧姆定律可知：

V=                           （1）

式（1）中，U、RZ不变，电池内阻R5在放电容量小于0.8 Ah时几乎不变[4]。影响电池电压V的因素为R1～R4四个接触电阻。当R1～R4中任一阻值变化时，就会导致电压V的变化。

根据上述分析，当智能电表长时间存储或受到外力冲击振动后，时钟电池电源回路中的接触电阻发生变化，导致时钟电池电压波动;接触电阻变化与时钟电池电源回路连接的可靠性密切相关。电池电源回路电路原理如图4所示。其中，R1为电池正极与电池正极触片之间的接触电阻;R2为电池正极触片与电池插座之间的接触电阻;R3为电池负极弹簧与电池负极端面之间的接触电阻;R4为电池负极引片与电池插座之间的接触电阻;R5为电池内阻;RZ为电池所带的负载电阻;U为电池开路电压;V为电池安装到电池插座后，电池负载电阻RZ两端的电压。

3.3  金属接触电阻的特性分析

理论研究表明两种固体接触面之间存在微动现象即周期性小振幅（不超过250 μm）的相对运动[5]。两种金属表面接触微动腐蚀产生的金属氧化物的绝缘特性对接触电阻会产生影响。在微动过程中，接触电阻的值将会很高，有时会达到几纳秒甚至更长时间的开路状态[6]。

接触电阻受金属材料物理性能、接触压力、环境条件、振动、接触面积、接触面电流热效应的影响，当接触压力小于临界值时，接触压力越大，接触电阻越小[7]。

试验研究证明：镀金材料与镀镍、镀铜材料的接触电阻较小，与镀镍材料的接触电阻较大;不锈钢与不锈钢、镍与镍之间的接触电阻较高，不锈钢与镍接触电阻次之。目前连接器行业中，一般采用镀镍的方式，我司目前的时钟电池连接也采用镀镍的方式，因为镍比较便宜，有较好的防腐蚀功能，同时镍也存在接触电阻较大的问题。

3.4  智能电表时钟电池电源回路接触电阻

时钟电池电路中产生接触电阻的材料：电池正极材料为不锈钢（铁铬合金），电池负极材料为不锈钢（304），电池插座金属为镀镍铜材，电池正、负极引片材料为镀镍铜材。由此可知：R1和R3均为不锈钢材料与镀镍铜材之间的接触电阻;R2和R4均为镀镍铜材之间的接触电阻。根据接触电阻特性分析结论，R1至R4接触电阻均较高，且R2和R4应大于R1和R3。

3.5  接触电阻测试验证

用万用表测量电池负极弹簧与电池负极端面之间的接触电阻R3，阻值在1.6 Ω至2.4 Ω之间。测量负极引片与电池插座弹片之间的电阻R4，阻值不稳定，阻值在2.0 Ω至12.7 Ω之间。测试结果与上述关于接触电阻特性分析基本一致。

R4阻值较大可能与插座弹片对电池电极引片的接触压力小、接触面积小有关（见图2）。另外由于金属接触面间形成的氧化物接触膜较薄，在受到强烈冲击或磨损后易受到破坏，会导致接触电阻测量值不能复现。因此在对时钟电池电压波动的电表重新安装电池后，时钟电池电压波动现象不再复现。

4  现行电池连接方式问题分析

根据上述分析，导致出现时钟电池电压波动的原因，是现行时钟电池连接方式的可靠性方面存在不足，具体表现在两个方面。一是结构设计方面：电池正极与正极触片、负极与弹簧、电极引片与电池插座弹片接触面积较小，而且由于电池电极引片较薄（0.3～0.5 mm），如图2所示，电池插座弹片张开的自由度又较大，对电池电极引片的接触压力较小;二是材料方面：接触材料为不锈钢与镀镍金属、镀镍金属与镀镍金属，两者接触面均会产生高绝缘的氧化物。

由于现行方案在结构设计和材料方面均存在不足，导致现行方案在实际应用过程中存在时钟电池欠压的现象，现行方案可从以上两个方面进行改进。

5  现有问题改进措施

根据上面的分析结论，需要在结构设计和材料方面做创新，提高产品的可靠性，为了提高智能电表时钟电池电源回路连接的可靠性，减少接触电阻及其变化，建议采取以下措施进行改进：

（1）将时钟电池正、负极引出片直接焊接在电池上，电极引片通过电池仓引出，插装在电池插座上，通过此方法可避免正极与正极触片、负极弹簧与负极、负极弹簧与负极引片3处接触环节的接触不良、接触电阻较大的问题。电池焊接如图5所示。

（2）改进时钟电池插座的结构，电极引片增大增粗、插座采用四面夹持的方式，增加时钟电池插座弹片与时钟电池电极引片的接触面积和接触压力，提供接触的可靠性，如图6所示。

（3）改进时钟电池仓结构设计，增加安装引导柱，如图7所示，方便插座安装到位，由于时钟电池采用人工安装，存在安装偏斜的问题，增加安装引导柱可有效避免该问题的发生。

（4）对电池电极引片以及电池插座弹片两者的接触部分采用局部镀金工艺[8]，镀金的工业连接器除了在防腐蚀方面能够比其他方式出众之外，由于金的耐磨，可延展性等特征，也大大提高了我们产品的插拔次数，保证了多次插拔之后仍然能够保持很高的接触力。最后一点就是金无可比拟的导电性能。

6  验证结果

时钟电池采用现有方案和优化方案分别对单相智能电能表进行测试。两种方法各測试1 000只电能表，其检定结果如表1所示。

从以上数据分析，现行方案存在时钟电池电压异常的情况（<3.3 V），占比约3.5%，产品可靠性低，智能电表存在质量隐患。优化方案在时钟电池电压测试方面明显改善，提高了时钟电池连接可靠性，杜绝了时钟电池电压为0的现象发生，杜绝了电能表时钟故障的发生。

7  结  论

从测试结果可以看出，通过本文采用的改进措施，在提高外置时钟电池连接可靠性方面具有明显优势。通过对时钟电池在结构和材料方面的改进，避免了现行方案存在的缺陷，降低了智能电表在使用过程中的故障率，提高了用户的满意度，提高了产品的可靠性，有较高的推广价值。

参考文献：

[1] 姚力.基于OIML R46国际建议的智能电能表设计 [J].电测与仪表，2017，54（16）：95-99.

[2] 章欣，段晓萌，江小强，等.智能电表时钟电池欠压故障剖析及防范措施研究 [J].电测与仪表，2014，51（10）：24-27.

[3] 闫书芳，张晓东，朱国富，等.符合IR46标准的电能表设计研究 [J].电测与仪表，2019，56（8）：144-147

[4] 缑玲玲，袁中直，王辉，等.锂/亚硫酰氯电池内阻与容量之间的关系 [J].电源技术，2007（9）：683-686.

[5] 温诗铸.摩擦学原理 [M].北京：清华大学出版社，1990.

[6] 邓小君.常用连接器材料触点微动性能研究 [D].北京：北京邮电大学，2009.

[7] 陶峰，张险峰，尹明德，等.微动损伤的研究综述 [J].南京航天航空大学学报，1999，31（5）：545-551.

[8] 孙淼，徐加有.航空电连接器接触体局部镀金工艺研究 [J].航空制造技术，2015（9）：70-72+76.

作者简介：刘保会（1964—），男，汉族，山东曹县人，高级工程师，学士学位，研究方向：电能计量技术及质量管理;任晓锋（1986—），男，漢族，安徽淮北人，工程师，学士学位，研究方向：电能计量技术;刘安东（1998—），男，汉族，山东济南人，本科在读，研究方向：接触电阻自动化测试;曹健（1978—），男，汉族，山东济南人，工程师，学士学位，研究方向：电能计量检验试验技

术;时彬（1986—），男，汉族，山东泰安人，助理工程师，学士学位，研究方向：电能计量技术及质量管理。