智能电能表电池容量衰减的欠电压故障分析

(深圳市计量质量检测研究院，广东 深圳 518000)

0 引言

我国自2009 年启动智能电能表的项目以来，累积采购单相智能电能表已多达3.58亿只。为了进一步强化电能表质量，从2013年第3批开始国网招标文件中列出了19种典型故障现象，要求各电能表生产商对其进行深层的故障原因分析，并提出技术和管理上的管控措施。由于智能电能表运行在环境复杂的坚强电网末端，保证智能电能表运行质量的稳定性和可靠性是计量产品的核心。根据国家电网投标文件提供的典型故障，主要包括设计环节、制造工艺环节、元器件环节三大类故障。在智能电能表中，分时电量结算和阶梯电量均依赖于电能表的准确计时，电能表时钟的准确计时是保证电量正确计量的关键，电能表时钟错误将直接导致电能表正常计量出现问题。而电池欠电压会引起时钟错误，从而使费率时段、负荷记录等功能无法正常工作，造成电能表故障。

1 电能表电池欠电压的典型故障

电能表电池欠电压的典型故障现象主要有：导致时钟错误、混乱；分时电量结算和阶梯电价结算计算错误；冻结数据和各类事件错误，不具备可追溯性，成为无效数据。智能电能表不良现象中电池欠电压、时钟乱等故障较多，造成这一故障的可能原因包括：智能电能表的设计和制造工艺问题、电子元器件问题、软件设计问题以及电池质量问题等。根据应用调查，现场按标准生产的智能电能表出现电池欠电压故障(ERR-04)比例约为千分之几[1]，由此分析了电能表电池实际使用过程中出现低压的原因。智能电能表使用的电池主要是锂-亚硫酰氯电池，其欠电压表现一般有三种原因。

1.1 容量耗尽

锂-亚硫酰氯电池作为一种液体阴极电池，其小电流工作电压在从0%～90% DOD(Depth of Discharge)时均表现得十分稳定，只有在接近电池寿命末期、电池活性物质耗尽时，才会出现明显的电压下降。从分析的电池来看，约65%的电池是由于电池容量耗尽而导致电池低压。

1.2 钝化影响

分析的故障电池中约25%的电池可以放电，并且开路电压逐步恢复正常。锂-亚硫酰氯电池经过一定时间的高低温存储后，负极锂金属表面氯化锂钝化膜层持续生长，最终导致电池发生钝化，提供的工作电压不能满足电能表需要，但此时电池容量并未真正耗尽，其开路电压也表现正常[2]。

电池钝化现象用于表计上最大的危害就是当市电停电发生时，由于各智能表掉电判断流程设计不同而表现出不同的结果，理想的设计是当市电掉电过电能表最低工作电压的时候，电能表能及时(10 ms级半个周波)检测出外部停电，而不消耗电池的容量。但软件实际设计过程中由于各种任务的限制，或多或少存在依靠电池供电的模式，此时MCU工作电流一般为5～10 mA，如果电池钝化比较严重，不能瞬时供出电流，会导致MCU程序复位。在设计软件时，必须充分考虑电池钝化短时供电不足带来的影响。

1.3 电池本身故障

故障表计中约3%～5%的电池，是由于电池本身故障(焊接脱落、漏液等原因)。排除电池本身在制造过程中的不良，电池的不当安装和超出电池设计范围的高低温也会导致电池本身出现故障。从以上智能电能表电池故障分析结果可以看出，电池欠电压造成的电能表故障已需要引起重视，而这其中大部分的低压电池又是由于容量耗尽而造成的。

2 智能电能表用锂-亚硫酰氯电池寿命预测

锂-亚硫酰氯电池在智能电能表中标准应用条件下的容量消耗，如下所述[3]。

1)自放电消耗的电池容量：锂亚电池的年自放电率小于1%，以1 200 mAh 容量为例，每年自放电容量消耗：12 mAh×1%=12 mAh；则10年最大自放电容量为：12 mAh×10=120 mAh。

2)断电消耗的电池容量：国网单相智能电能表的时钟及CPU的整机平均电流为15 μA左右，则1年耗电为：15 μA×24 h×365 d=131 400 μAh=131.4 mAh；根据国网智能电能表“断电后可维持内部时钟正确工作时间累计不少于5年”技术要求，则5年断电待机容量为：131.4 mAh×5=657 mAh。

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2 μA计算，则1年耗电为2 μA×24 h×365=17 520 μAh=17.52 mAh。

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

4)总容量确定：根据上述计算，电池在标准应用条件下的容量消耗为：120+657+87.6=864.6 mAh。

从以上分析可得，在标准应用条件下，ER14250 型(1 200 mAh)电池的可靠性和使用寿命均能够满足智能电能表对电池10年的使用要求。

3 智能电能表电池实际应用寿命偏离理论预测寿命的原因

电池厂家在预估电池的应用寿命时，是基于标准应用条件和环境下的预估寿命，但显而易见的是，目前国内智能电能表的应用条件和环境并非全部能够达到标准条件，而由此带来的一系列变化最终都将体现为电池的使用寿命衰减。

3.1 实际应用条件和标准存储条件下ER14250型电池容量衰减对比测试

分别测试了实际应用条件下挂表电池和标准仓储条件下ER14250型电池的有效剩余容量，如图1所示。

(a)实际挂表使用3.5年后电池，平均剩余容量630 mAh (b)标准仓储条件下存储4年后电池，平均剩余容量970 mAh

图1(a)中电池在电能表现场使用约3.5年，表计工作正常，从测试数据看，各电池剩余容量差别较大，平均剩余容量仅为630 mAh，相对新电池330 Ω放电容量1 000 mAh损耗率已达到37%，而标准仓储条件下存储4年的电池，其剩余容量一致性明显更好，且平均剩余容量仍达到970 mAh，相对新电损耗率不足3%。由此可见，实际应用环境对电池性能影响极为显著。

3.2 使用环境对锂-亚硫酰氯电池有效容量的影响

一般来说，电池在20 ℃～40 ℃之间能够获得最好的特性，锂-亚硫酰氯电池作为一种化学电源，其放电时的环境温度对其使用寿命(容量)和电压特性有明显的影响。这是由于低温下化学活性降低，电池内阻增加，放电温度的下降会导致容量减少和放电曲线斜率增大，而在较高的温度下，内阻降低，放电电压升高，当化学活性增加速率快到足以产生净容量损失(自放电现象)时，也会导致电池实际放电容量的降低。

图2 ER14250型锂-亚硫酰氯电池容量-温度-电流特性

注：某电能表厂实测提供

如图2所示，ER14250型锂-亚硫酰氯电池以1 mA电流恒流放电，在25 ℃下能够达到最高容量1.2 Ah，而同样1 mA放电，在0 ℃和60 ℃时只能达到约1.0 Ah容量，容量衰减率达到约17%，在更低温(-30 ℃)和更高的温度(+85 ℃)下，电池容量衰减更为明显。

3.3 使用环境对锂-亚硫酰氯电池自放电率的影响

根据范特霍夫定律，温度每升高10 ℃，化学反应速度增加2～4倍[3]。根据这一化学反应动力学规律以及电池生产实际使用数据，一般认为电池在60 ℃下储存200 d就相当于在常温下储存10年。依据Sandia国家实验室结论和范特霍夫定律，高温会造成电池内部电化学反应的加速，还会造成电池内部液体循环加速和自放电的加速。根据对电池进行长达2年室温及高温储存，ER14250型锂-亚硫酰氯电池不同环境温度下空载和带载储存后自放电率值如表1所示。

表1 锂-亚硫酰氯电池不同环境温度下空载和带载储存后自放电率

由模拟测试数据可以看出，室温条件下的年自放电率小于1.5%，60 ℃条件下的自放电率高达14%，结果与范特霍夫定律相符。高温下自放电率的显著升高，也是导致实际应用过程中电池寿命提前终结的原因之一。

3.4 使用环境对电池外电路的影响

锂-亚硫酰氯电池在智能电能表中安装的典型电路图如图3所示[4]。

图3 智能电能表中时钟电池安装典型电路

图4 肖特基二极管反向漏电流温度特性

由于锂-亚硫酰氯电池属于一次性锂电，为避免外电路给其充电，电池需要串联一个二极管后接入电路。该二极管器件的对电池的使用寿命有很大的影响，在高温下，二极管的反向漏电流将会显著增大，这样的电能表在高温下，电池很容易被耗尽致使出现低压，图4所示为肖特基二极管反向电流温度特性曲线，可见随温度升高，其反向漏电流在电池供电条件下最大可达mA级别。

5 结论

1)目前智能电能表在实际使用4～5年时，逐渐出现的时钟电池欠电压故障比例，造成这一故障的原因是时钟电池容量耗尽。

2)智能电能表用锂-亚硫酰氯电池10年以上的预测使用寿命是基于电池处于标准的应用条件和环境条件，而实际应用条件和环境条件往往与标准条件偏离较大。

3)实际应用环境会对锂-亚硫酰氯电池的有效容量和自放电率造成的影响较大。

4)实际应用环境会提高智能电能表中的其他元器件的故障率，而这些元器件的故障也会造成时钟电池的功耗提升并导致其提前失效。

为降低智能电能表实际应用中的电池欠电压故障率，由于电能表可能安装在比较恶劣的工作环境中，电池厂家应努力提升电池自身耐候性，提高电池在钝化情况下能持续提供动力，另外，国网公司已陆续推出了关键元器件全性能试验大纲，规定了各种元器件的工作环境和测试方法，势必会进一步推动智能电能表用元器件性能更优，质量更稳定。