智能电表水表er锂电池使用注意事项

使用 ER 电池的注意事项 （北川技术部 2011 年 10 月 15 日） 各智能表公司： ER(锂 /亚硫酰氯) 电池是一种高电压和高能量电池。虽然 ER 电池性能 优越，但有些 ER 电池本身固有的特性在智能表业使用过程中必须引起我 们的足够注意。如果客户对这些特性了解得不透彻，轻者造成电池和仪器 的高性能不能充分发挥，重者发生电池爆炸，使客户产品在市场上发展受 阻。 ER 电池在国内于 1980 年代末面市，1990 年代中期用于智能表业。在 配套过程中我们遇到多种使用不当的情况，现总结出来供客户参考。 1. 电池电压波动 在智能表业中，对电池的使用基本是长时间微电流，偶尔大电流脉冲 放电。由于电池是化学电源而非稳压电源，随着负载的变化而变化，从微 电流到大电流脉冲突变或从大电流脉冲到微电流突变，电压都会自然出现 瞬间波动，形成如图 1 所示的尖峰脉冲干扰，给单片机造成影响。 图 1 单片机非常惧怕电压波动而“死机”(不是复位，复位一般来说对设备 无影响) 。如果出现“死机” ，单片机将不受控，各输入、输出脚状态处于 V T 2 不确定状态，导致将电池能量耗尽。从失效的仪器中取出的电池其开路电 压为 0V 就是这种原因造成的，换上新电池，由于单片机复位后程序运行 恢复正常，仪器表现出无故障，给人造成仪器正常的假象。 针对这些现象，建议在电路设计时采用如图 2 所示电路原理。经多年 的实践表明，客户采用此建议原理后，其单片机 (CPU)基本上再没或极少 出现“死机”故障，也没有再因“死机”发生损坏电池的情况。图 2 的原 理很简单，用一只肖特基二极管和一只 220F(最好大于 100F)的电容器 组成的 CPU 电源，无论外部电路造成电池电压变化有多大，CPU 上的电 压在短时间内可基本保持不变，从而保证程序正常运行和设备功能正常发 挥。在 CPU 所有 I/O 口均采用低电平输出的状况下，电容上的电压可维持 CPU 正常工作 45s 以上。增加电容后，整个电路的功耗增加小于 2 微安， 6 年容量损耗约为 100mAh。 图 2 2. 电池电压滞后与激活 电池电压滞后是电极表面生成钝化膜所致。电极表面生成钝化膜是锂/ 亚硫酰氯电池的固有特性，因为这一特性，就有了电池的长贮存寿命，如 果没有这一特性，锂亚硫酰氯电池就失去了其使用价值。 电池上机后靠微安级的电流供电不能解决电池表面钝化，此时用大电 流工作，如果电极表面的钝化膜很厚，电池电压瞬间有可能会降到 1.8V 以下，造成单片机“死机” ，危害同电压波动。建议除了采用电压波动的 措施外，再增加电池在线激活(大电流放电 )措施。电池在线激活方法比较 多，在软件设计上解决问题最省事。其方法为：有阀门的每月按一定间隔 3.6V 1N5817 220 CPU ER 电池使用注意事项 3 / 7 时间开关阀门 12 次；无阀门的每月按一定间隔时间启动发射电路工作 23 次或增加一个放电电阻放电 23 次。 3. 电池被充电 ER 电池是一次性锂电池，禁止无限制条件的给电池充电，否则会导 致电池爆炸。使用双电源的智能表或在调试过程中有引入外电源的情况下 必须充分注意，千万不可将另一电源传递到 ER 电池上，国内已发生多起 这种情况引起 ER 电池爆炸的案例。 智能表使用双电源时，必须将两种电源分区走线，有共用的地方用二 极管隔离。我们做过多次批量试验，ER14250 以上的 ER 电池，在 5V/5mA 以下长时间充电是安全的。 4. 电池被过放电 功率型 ER 电池放电到终止电压后不能用几十毫安以上的电流继续放 电，尤其是电流忽大忽小的反复脉冲放电，有发生爆炸危险的可能性。因 此，功率型 ER 放电到终止电压后必须采取相应的措施阻止大电流放电。 因为电池电压随工作电流的变化而变化，电流大时电压低，微电流时又恢 复到接近开路电压，如果不终止大电流放电功能，电池大电流电压低于终 止电压后，单片机就会反复复位，形成电流忽大忽小的反复脉冲放电，导 致电池发生爆炸。这种现象在 2004 年前时有发生，近年来各智能表厂商 采取相应措施后，发生得非常少。 阻止功率型 ER 电池工作到终止电压后不再工作的方法，目前一般在 软件上采取办法，即单片机采样到终止电压后，程序转入禁止所有的大电 流工作过程的程序运行，并在存储器中做上标记，直到更换电池后由外控 方式( 刷工作卡清除存储器中的记忆)更新程序运行方向，将程序引到正常 运行程序上，不能直接采用上电复位就运行到正常程序的方式。 终止电压必须在最大正常工作电流期间采样，应连续三次采样结果都 低于终止电压方可决策，避免因电池电压滞后导致误操作。如有阀门智能 4 表，在激活或开关阀门期间采样终止电压(比如应大于 2.7V)，如果此时电 池电压低于规定的终止电压，则表明电池容量已接近耗尽，运行程序必须 立即转入禁止所有大电流工作过程的程序运行。 不能在微电流期间检测电池的终止电压，因为在此期间电池电压接近 开路电压，无法判断电池的工作能力和容量。 5. 放电完的电池处理方法 功率型 ER 电池放电到终止电压后不能受到过大的振动与冲击，否则 有发生爆炸危险的可能性。 废功率型 ER 电池从智能表中取出时和取出后，应轻拿轻放，避免过 大的振动与冲击。废电池可集中后埋于地下 0.5 米或投入 1 米以上的水中， 经几个月后可自行分解。 6. 电池在线故障分析 经过 15 年左右的使用情况统计， 60%70%的故障智能表更换电池 后即可正常工作，因此故障智能表被判断为电池故障，隐蔽了智能表设计 上的缺陷。遇到这样的情况，电池耗尽后，故障原因很难辨别。根据我们 在与智能表配套过程中查找故障原因的情况统计分析，在一个批次的智能 表中，电池故障率在 5以下可确定为电池故障，高于这个比例就应该是 智能表缺陷了，重点检查智能表。这种故障可通过在线检测电池电压来判 断。 智能表为低功耗设备，正常静态电流一般不会超过 20A，电池能量 没耗尽前，在线检测电池电压，基本上接近开路电压。如果电池电压低于 3.6V，则表明智能表至少有 1mA 以上的电流在耗电。 例 1：2000 年某公司生产的一批智能燃气表，半年后电池陆续大批量 失效。在线检测电池电压为 3.583.59V，更换电池后，电池电压高于 3.63V。根据测到的电压，我们初步判定智能表有 1.5mA 左右的电流在工 作。证明此电流非常困难，因为一旦断开电池供电串入电流表，智能表就 ER 电池使用注意事项 5 / 7 复位，故障随之消失。当时我们与燃气表维修人员一起在居民家拆下一块 表，将电流表串入供电回路中，吹气使燃气表计数，当计数达到整数位智 能表保存数据时，电流在 1.5mA 左右长时间不消失。用同样的方法连续检 查了 5 块表，均检测出了同样的现象。后经燃气表商检查程序，程序中缺 了写 EEPROM 数据后关闭写功能的语句。使用的电池 1.5mA 电流工作半 年后能量耗尽。 例 2：2111 年某公司生产的一批智能电表，有一定比例的表 35 天 内显示电压低的故障。我们与智能电表商的检测人员在生产线上检测故障 表时，正常表电池电压均在 3.65V 左右，有一块黑屏的故障表电池电压只 有 3.52V，依据电池电压值，应该有 10mA 左右的电流正在工作。将故障 表上的电池焊下，2 分钟后再焊到故障表上，在线检测电池电压，电压值 达到 3.64V，恢复正常。这种故障属于智能表 “死机” ，单片机不受控，各 输入、输出脚状态处于不确定状态造成的，只有在电池能量没耗尽的故障 期间才能检测到。一旦更换电池，单片机复位，智能表就恢复正常。这种 故障有很大的偶然性，较难在同一块表上复现。使用的电池 10mA 左右电 流工作 35 天后能量就会耗尽。 7. 智能表易耗尽电池能量的故障 现将我们在多年配套过程中遇到的智能表易耗尽电池能量的故障列入 下表中以供智能表生产厂商参考。 序号 导致电池能量耗尽的原因 建议解决措施 (供参考) 1 单片机无抗干扰设计。受到干扰时程序“跑 飞”或“死机” ，使耗电处于不确定状态， 如果长时间处于大电流耗电状态，电池能量 就会快速耗尽。 在单片机的电源端安装 100F 以上的电容，最 好采用大、微电流隔离措 施(见图 2)。 2 大电流和微电流没有分开供电，单片机供电 电压不稳定。大电流工作时易影响或干扰单 片机，使程序“跑飞”或“死机”或反复复 位，使耗电处于不确定状态，如果长时间处 于大电流耗电状态，电池能量就会快速耗尽。 采用大、微电流隔离措施 (见图 2)。 6 3 漏掉正常工作电流外其它电流关断的程序代 码。如保存数据、发射信号、开启阀门等， 使电池长时间处于大电流耗电状态，导致电 池能量快速耗尽。 智能表上电后，仔细检测 智能表的每个功能，不能 只检测静态电流。 4 无线发射的智能表安装在信号不好的区域， 程序无限制发射次数情况下，信号发射不出 收不到回复而不停地发射，使电池长时间处 于大电流工作状态，导致电池能量快速耗尽。 程序中应写入收不到回复 时限制发射次数的程序代 码。 5 防水防潮措施设计不到位，电路形成非正常回路增加耗电量，导致电池能量快速耗尽。 做好防水防潮措施。 6 智能表元器件硬件故障增加耗电量，导致电池能量快速耗尽。 增加主回路中元器件的老化筛选。 建议智能表完成老化后封装前逐表检测电池的在线电压，将有故障的 表剔出。 以上故障现象如果不采取相应的保护措施，使用功率型 ER 电池时， 有导致引发电池爆炸的可能性。 8. 电池选用原则 ER 电池从内部结构可分为能量型和功率型。能量型结构的电池用于 电流较小的场合，功率型结构的电池用于电流较大的场合。 1) 最大电流小于 10mA 的智能表(如智能电表)可直接选用能量型电池。 这种应用一般不需要在线激活，无安全性隐患，做好抗干扰设计即可。 2) 最大正常电流小于 100mA 的智能表最好选用能量型电池+超级电 容的方案，这种应用一般不需要在线激活，无安全性隐患，做好抗干扰设 计，但大电流与微电流应采用隔离设计。超级电容选用 0.47F 以上、耐压 3.6V 或 5.5V 的，到 2.5V 大电流可工作 5 10s。 3) 最大正常电流大于 100mA 的智能表需选用功率型电池，设计时应 采取所有的防护措施，不正当的使用有可能导致安全性问题。 9. 电池的检测筛选 电池是一种化学元器件，比电子元器件和机械部件更骄气，上机前应 逐只检测电池电压，剔出不合格品。据统计，在智能电表上使用的 ER 电 ER 电池使用注意事项 7 / 7 池经过老化(在室温下搁置一定的时间)筛选后，故障率可达到 10-4 级。 电池的开路电压对于锂亚硫酰氯电池是一个非常稳定的参数，用标准 表检测，其值在 3.653.66V，由于数字表存在着一定的误差，测量的数 值也就有一些偏差。但就某一块表而言，其测量值是一定的，低于这一定 值的电池就是不合格品，如：某一块表测量的开路电压值均在 3.643.65V 范围内，有少数几只电池的开路电压为 3.63V，那么，这几只 电池就不合格，应该予以剔除。这样的电池如果上机，多则半年少则三个 月就会失效。