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    锂电池在智能水表电表中的应用

        一次性锂电池由于具有很高的能量密度(指较小体积的电池具有较大的电容量)、自放电小、储存寿命很长等特点,被广泛地应用在智能电表、智能水表及智能气表中。

     作为智能电、水表的重要零件,锂电池的选型、质量和性能直接影响智能电、水表的性能和寿命,因此它成为各表厂产品设计人员和品质管理人员特别关心的事情。

     常用于智能水表和的锂电池有锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池(以下简称为锂亚电池)和锂二氧化锰电池(以下简称为锂锰电池)两类锂电池。

      以ER开头的代表锂亚系列;以CR开头的代表锂锰系列。如ER14250指的是直径为14毫米高度为25毫米的圆柱体形状的锂亚电池。CR18505是直径为18毫米高度为50.5毫米的圆柱体形状的锂锰电池。在水表、电表中具体使用哪种电池,主要取决于产品对电池的技术要求,包括电压、容量、电流和温度特性等参数。下面就说说电池的几个主要参数。

     一、电池的容量

            通常,智能水表或电表的设计人员通过理论计算得出电池的容量要求。下面是某水表厂对电池容量的计算方法:

      按水表使用寿命为6年耗电量的计算:

    1) 待机耗电,假设平均待机电流为10uA, 则6年耗电为:
          10(uA) x 24(小时) X 365(天)X 6(年)=525600uAh=525.6mAh;

    2) 阀门动作耗电,假设动作平均电流150mA,动作时间10s,每月6次,则6年耗电为:
          150(mA) X 10(s) X 6(次) x 12(月) X 6(年)/3600(化为小时)=180mAh;

     3) 一般电池指标都称年自放电量为2%,以2200mAH容量为例,以最坏计算,设每年自耗电为 :

               2200mAH X 2% =44mAH, 则6年最大自放电量为 6 X 44=264mAh;

    4) 电池激活耗电:
          (2秒 X 150mA x 365天 X 6年)/(60分钟X60秒)=183mAh.

    则6年总耗电为:
          525.6+180+ 264+183=1152.6mAh.

        实际上产品的寿命受到多种因素的影响,水质、机械磨损等都可能会影响到工作电流和实际容量损耗。因此,需要留有容量余量,由于各公司的产品有差异,需要的电池容量余量会不相同,参考行业内一些设计人员的经验,可选容量为理论计算值的一倍左右的电池。比如上例,可选容量为2200-2400mAh的电池。

    这里列出部分ABLE锂电池的容量值:

    ER14250的额定容量为1200 mAh @ 0.5mA to 2.0 V @ 20℃

    ER14505M的额定容量为2000 mAh @ 1mA to 2.0 V @ 20℃

    ER18505M的额定容量为3000 mAh @ 1mA to 2.0 V @ 20℃

    CR17335的额定容量为1500 mAh @ 10 mA to 1.5 V @ 23℃

    CR18505的额定容量为2800 mAh @ 10 mA to 2.0 V @ 23℃

      锂电池的容量值很容易从锂电池厂商提供的产品规格书中查到。这里要注意的是测试容量的条件,如CR18505的容量值是23℃温度下10 mA 电流放电至2.0 V时为2800 mAh,因为有些对电池不了解的人错误地认为对某个电池而言,电池容量是一个固定值,不会随放电电流的大小而改变。实际上,放电电流、温度及截止电压都会影响电池的容量值。

      下图是CR18505的放电特性曲线:

    从上面的曲线可看出:CR18505在不同强度的放电电流的条件下,

    容量是有差异的。

    放电电流(毫安)

    10

    100

    500

    1500

    容量(毫安时)

    2800

    2700

    2400

    1700

    在不同的温度下,其容量也不同:

    环境温度(度)

    60

    23

    -20

    -40

    容量(毫安时)

    2800

    2800

    2600

    1600

     

    下图是ER14250型锂亚电池的容量和电流关系曲线。

    从图中可看出,电池的容量在电流大于5毫安时,容量小于1000毫安时。此款E电池在电池设计时使用材料和配料时优先考虑了小电流下的产品性能,因此,此型号电池较适合连续工作电流较小的产品,如作为智能电表的备用电源。

       因此,智能表中电池的容量要求,需要根据智能表的工作电流、工作电压和工作环境作相应的调整。

     

    二、锂电池的电压

      锂锰电池的额定电压为3.0 V

      锂亚电池的额定电压为3.6 V

      锂亚电池是目前锂电池中电压最高的,同时在常温中等电流密度放电时放电曲线极为平坦。由于以前设计的智能表,多以3V为电路的工作电压,水表也常使用3V电压的马达来驱动阀门的转动,所以常选用电压较高的锂亚电池,比如ABLE锂亚电池,放电曲线极为平坦,在90%的容量范围内,其电压能保持在3V以上基本不变。

      但是锂亚电池储存一段时间后,我们再测试电池的负载电压时经常发现它的电压下降了。这种电压下降,不是表示电池的电容量已损耗掉了。通过对电池放电可以使锂亚电池的电压恢复到原来的水平。这种电压下降现象,我们称之为电压滞后。通过放电使电池恢复高电压的过程叫做激活。下面我对形成此现象的原因做点解释:

      锂亚电池以锂金属作为负极。锂(Li)是一种极活跃的金属,虽然被亚硫酰氯(SOCL2)紧紧包围,但实际上并没有发生短路现象,这是因为负极表面形成了一层极薄的致密的LiCL保护膜(一次膜),这层膜具有电子绝缘性,对离子可以穿透,从而防止了外部的SOCL2与锂的进一步反应,使锂在SOCL2电解液中变得十分稳定。

        随着环境温度的升高和电池存储时间的延长,一次膜会逐渐扩大变厚形成二次膜,电池也就具有了很好的储存寿命,也因此使得锂亚电池有电压滞后现象。

       由于锂亚电池的电压滞后可能会导致电路因电源起始电压过低无法正常工作,因此使用者需要对几个月前出厂的电池进行放电激活,这样会给使用者带来很大的不便和时间损耗。

    下面是常用的电池激活电流和激活时间:

    电池型号

    ER14250

    ER14505

    ER14505M

    ER34615M

    激活电流(毫安)

    1.2

    2.7

    2.7

    8.5

    放电时间(小时)

    20

    20

    20

    20

      此外,待机电流很小的产品中的锂亚电池经过较长时间后也可能出现电压滞后现象,因此,使用锂亚电池的产品中往往设计了定期放电激活电路,通过每间隔一段时间给电池放一次电来消除电池的电压滞后。既要不能过量耗损电池的容量,又要有效激活电池,这就可能会增加产品设计的难度和产品的材料成本。

      因此,一些智能表设计者把眼光投向同样具有很长寿命和高能量密度但不存在电压滞后的锂锰电池。锂锰电池在欧美国家已经广泛地应用在产品中。国内也有越来越多的智能表厂特别是水表厂将以锂锰电池为电源的产品投放市场。锂锰电池在智能表中的用量呈逐年上升趋势。

      一些设计人员不愿意使用锂锰电池的原因主要是因为锂锰的额定电压相对锂亚电池要低一些。许多公司现有的产品当电源电压低于2.9V便不能正常工作,而锂锰电池的工作范围在2.0-3.1V之间。

     但现在已经有工作电压为2V左右的集成电路和成熟的智能表电路设计,驱动阀门的2V马达在市场上也不难找到。因此智能表中使用锂锰电池不存在难以克服的障碍。因此,额定电压3.0 V的锂锰电池越来越多地应用在智能水、电、气表中。

     另一个不愿意使用锂锰电池的原因是一些厂家生产的锂锰电池存在自放电较大等质量问题,即还没达到智能表的使用寿命便出现电池没电的现象。通过这几年的改善,锂锰电池的质量已得到很大的提高。

    三、最大持续放电电流和最大脉冲放电电流

         不同型号的锂电池的最大持续放电电流是不同的,因此最大持续放电电流和最大脉冲放电电流值也是选用电池型号时的重要指标。根据智能表中的电池需要负载的待机电流、工作电流和脉冲电流选择相应的电池型号。

      选用电池的原则是:智能表中的电池需要负载的待机电流、工作电流和脉冲电流必须小于电池规格书中规定的最大持续放电电流和最大脉冲放电电流值。此外,前面提到过放电电流和电池容量相关,按工作电流选合适的型号可以尽量使电池达到大的放电容量。

      锂亚电池的一些型号如ER14250,内部采用碳包式结构:正极做成圆柱形,负极锂包在外部。我们称之为容量型,它的最大持续放电电流相对较小。另一些型号锂亚电池如ER14505M(在型号中数字后面加字母“M”来区别)被称为功率型,内部是卷式电极结构:其正负极都做成带状,故接触面积比碳包式大得多,可输出较大的电流。

          每种锂锰电池都能够输出很大的持续放电电流和脉冲放电电流,其电流甚至比同尺寸的功率型锂亚电池更大。这也是锂锰电池的优点之一。因此能用在象智能水表这种工作电流较大的产品中。

     

    四、使用的安全性

          锂亚电池开始时内压很低,直到放电终了才出现一定的压力,所以通常是安全的,但是仍有可能在高温大电流放电时发生热量喷发而发生爆炸。这种情况较少在容量型电池上发生,但在功率型电池上出现过。

      为了提高电池的安全性,电池生产厂家常在电流较大的功率型电池中串联如PTC或保险管之类的起保护作用的器件。PTC(POSITIVETEMPRETURE COEFFICIENT)平时电阻值很小,当通过它的电流达到一定值时,温度会升高,阻值也升高,从而使电池的输出电流不致过大。

      另外,国际上对电池也有很多安全标准,比如UL等。以ACT电池为例,在通过UL安全认证之前,需要通过很多的环境试验,如热冲击试验、撞击试验等。具体试验标准和方法可查询相关网站或文件,此处不再赘述。在UL网站可以查询到通过UL认证的具体电池型号。

     尽管电池的设计中采取了一些安全措施,但是用户对电池的使用方式对电池的安全性也是非常重要。使用电池时除了不要把电池扔进火中、不要拆解电池外,还应注意以下几点:

    1. 不能反向充电。一次电池和二次电池(可充电电池)不同,是不能充电的。对一次锂电池充电可能会产生危险性。特别是除锂电池外还有其它电源的情况下,要防止可能出现的给锂电池充电的机会。如果没有外电源,也要防止几组电池可能的互相充电的机会。最简单的保护办法是给电池串联二极管,但二极管两端会有0.3V左右的电压,使相当于电池输出电压有0.3 V的下降。

    2. 不要使电池处于过度放电(简称“过放”)。过放是指电池放电已经将容量耗尽,但继续放电的情形。特别是电池串联时,如果某个电池和同组其它电池差异较大,当它电压很低时还在继续放电,有时可达0V甚至是负电压,电池可能会出现危险。避免这种情形发生也有一些办法,如:电池组合时尽量挑选电压一致的放在一组,单个锂亚电池低于2V时让它停止供电。

    3. 使用或测试电池时,避免损坏电池表面的PVC绝缘膜,防止出现正负极短路的机会。比如焊接孔过大,导致焊锡流到电池上,或电烙铁烫烂或使PVC膜过度收缩。

    4. 由于水分、盐雾和其它导电物质如果进入PTC的话,可能使PTC失效,因此要尽量避免功率型电池暴露在潮湿环境中,不要用水去清洗电池正极。

          锂锰电池的安全性和锂亚电池的相比要更高些。这是因为锂锰电池内压低,出现爆炸现象的机会更低。此外,它对反向充电和过放的耐受能力也相对强些。

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