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    智能表公司使用ER电池的注意事项

    使用ER电池的注意事项

     

    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。

    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220μF(最好大于100μF)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。

    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20μA,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3.58~3.59V,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3~5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3~5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100μF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)。

    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3.65~3.66V,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。这项检测在电池制造半个月后进行较好。

    电池的负荷电压代表电池的带载能力。由于电极表面易生成钝化膜,因此,电池的负荷电压是一个变量,它与电池贮存的条件和贮存的时间相关。上机前,存放时间超过3个月的电池必须逐只检查负荷电压,其方法是,在数字表两表笔孔内并联一只规定的电阻,再用两表笔直接测量电池两端的电压,一般在5~10s内达到规定值。电池的负荷电压在测量过程中必须是上升的,如果不断下降则表明电池不合格。在长期搁置后,负荷电压在规定的时间内上升且大于3.0V即可使用。

     

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