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    智能表公司使用ER電池的注意事項

    使用ER電池的注意事項

     

    ER(鋰/亞硫酰氯)電池是一種高電壓和高能量電池。雖然ER電池性能優越,但有些ER電池本身固有的特性在智能表業使用過程中必須引起我們的足夠注意。如果客戶對這些特性了解得不透徹,輕者造成電池和儀器的高性能不能充分發揮,重者發生電池爆炸,使客戶產品在市場上發展受阻。

    ER電池在國內于1980年代末面市,1990年代中期用于智能表業。在配套過程中我們遇到多種使用不當的情況,現總結出來供客戶參考。

    1. 電池電壓波動

    在智能表業中,對電池的使用基本是長時間微電流,偶爾大電流脈沖放電。由于電池是化學電源而非穩壓電源,隨著負載的變化而變化,從微電流到大電流脈沖突變或從大電流脈沖到微電流突變,電壓都會自然出現瞬間波動。形成如圖1 所示的尖峰脈沖干擾,給單片機造成影響。

    單片機非常懼怕電壓波動而“死機”(不是復位,復位一般來說對設備無影響)。如果出現“死機”,單片機將不受控,各輸入、輸出腳狀態處于不確定狀態,導致將電池能量耗盡。從失效的儀器中取出的電池其開路電壓為0V就是這種原因造成的,換上新電池,由于單片機復位后程序運行恢復正常,儀器表現出無故障,給人造成儀器正常的假象。

    針對這些現象,建議在電路設計時采用如圖2所示電路原理。經多年的實踐表明,客戶采用此建議原理后,其單片機 (CPU)基本上再沒或極少出現“死機”故障,也沒有再因“死機”發生損壞電池的情況。圖2的原理很簡單,用一只肖特基二極管和一只220μF(最好大于100μF)的電容器組成的CPU電源,無論外部電路造成電池電壓變化有多大,CPU上的電壓在短時間內可基本保持不變,從而保證程序正常運行和設備功能正常發揮。在CPU所有I/O口均采用低電平輸出的狀況下,電容上的電壓可維持CPU正常工作45s以上。增加電容后,整個電路的功耗增加小于2微安,6年容量損耗約為100mAh。

    2. 電池電壓滯后與激活

    電池電壓滯后是電極表面生成鈍化膜所致。電極表面生成鈍化膜是鋰/亞硫酰氯電池的固有特性,因為這一特性,就有了電池的長貯存壽命,如果沒有這一特性,鋰亞硫酰氯電池就失去了其使用價值。

    電池上機后靠微安級的電流供電不能解決電池表面鈍化,此時用大電流工作,如果電極表面的鈍化膜很厚,電池電壓瞬間有可能會降到1.8V以下,造成單片機“死機”,危害同電壓波動。建議除了采用電壓波動的措施外,再增加電池在線激活(大電流放電)措施。電池在線激活方法比較多,在軟件設計上解決問題最省事。其方法為:有閥門的每月按一定間隔時間開關閥門12次;無閥門的每月按一定間隔時間啟動發射電路工作23次或增加一個放電電阻放電23次。

    3. 電池被充電

    ER電池是一次性鋰電池,禁止無限制條件的給電池充電,否則會導致電池爆炸。使用雙電源的智能表或在調試過程中有引入外電源的情況下必須充分注意,千萬不可將另一電源傳遞到ER電池上,國內已發生多起這種情況引起ER電池爆炸的案例。

    智能表使用雙電源時,必須將兩種電源分區走線,有共用的地方用二極管隔離。我們做過多次批量試驗,ER14250以上的ER電池,在5V/5mA以下長時間充電是安全的。

    4. 電池被過放電

    功率型ER電池放電到終止電壓后不能用幾十毫安以上的電流繼續放電,尤其是電流忽大忽小的反復脈沖放電,有發生爆炸危險的可能性。因此,功率型ER放電到終止電壓后必須采取相應的措施阻止大電流放電。因為電池電壓隨工作電流的變化而變化,電流大時電壓低,微電流時又恢復到接近開路電壓,如果不終止大電流放電功能,電池大電流電壓低于終止電壓后,單片機就會反復復位,形成電流忽大忽小的反復脈沖放電,導致電池發生爆炸。這種現象在2004年前時有發生,近年來各智能表廠商采取相應措施后,發生得非常少。

    阻止功率型ER電池工作到終止電壓后不再工作的方法,目前一般在軟件上采取辦法,即單片機采樣到終止電壓后,程序轉入禁止所有的大電流工作過程的程序運行,并在存儲器中做上標記,直到更換電池后由外控方式(刷工作卡清除存儲器中的記憶)更新程序運行方向,將程序引到正常運行程序上,不能直接采用上電復位就運行到正常程序的方式。

    終止電壓必須在最大正常工作電流期間采樣,應連續三次采樣結果都低于終止電壓方可決策,避免因電池電壓滯后導致誤操作。如有閥門智能表,在激活或開關閥門期間采樣終止電壓(比如應大于2.7V),如果此時電池電壓低于規定的終止電壓,則表明電池容量已接近耗盡,運行程序必須立即轉入禁止所有大電流工作過程的程序運行。

    不能在微電流期間檢測電池的終止電壓,因為在此期間電池電壓接近開路電壓,無法判斷電池的工作能力和容量。

    5. 放電完的電池處理方法

    功率型ER電池放電到終止電壓后不能受到過大的振動與沖擊,否則有發生爆炸危險的可能性。

    廢功率型ER電池從智能表中取出時和取出后,應輕拿輕放,避免過大的振動與沖擊。廢電池可集中后埋于地下0.5米或投入1米以上的水中,經幾個月后可自行分解。

    6. 電池在線故障分析

    經過15年左右的使用情況統計, 60%~70%的故障智能表更換電池后即可正常工作,因此故障智能表被判斷為電池故障,隱蔽了智能表設計上的缺陷。遇到這樣的情況,電池耗盡后,故障原因很難辨別。根據我們在與智能表配套過程中查找故障原因的情況統計分析,在一個批次的智能表中,電池故障率在5‰以下可確定為電池故障,高于這個比例就應該是智能表缺陷了,重點檢查智能表。這種故障可通過在線檢測電池電壓來判斷。

    智能表為低功耗設備,正常靜態電流一般不會超過20μA,電池能量沒耗盡前,在線檢測電池電壓,基本上接近開路電壓。如果電池電壓低于3.6V,則表明智能表至少有1mA以上的電流在耗電。

    例1:2000年某公司生產的一批智能燃氣表,半年后電池陸續大批量失效。在線檢測電池電壓為3.58~3.59V,更換電池后,電池電壓高于3.63V。根據測到的電壓,我們初步判定智能表有1.5mA左右的電流在工作。證明此電流非常困難,因為一旦斷開電池供電串入電流表,智能表就復位,故障隨之消失。當時我們與燃氣表維修人員一起在居民家拆下一塊表,將電流表串入供電回路中,吹氣使燃氣表計數,當計數達到整數位智能表保存數據時,電流在1.5mA左右長時間不消失。用同樣的方法連續檢查了5塊表,均檢測出了同樣的現象。后經燃氣表商檢查程序,程序中缺了寫EEPROM數據后關閉寫功能的語句。使用的電池1.5mA電流工作半年后能量耗盡。

    例2:2111年某公司生產的一批智能電表,有一定比例的表3~5天內顯示電壓低的故障。我們與智能電表商的檢測人員在生產線上檢測故障表時,正常表電池電壓均在3.65V左右,有一塊黑屏的故障表電池電壓只有3.52V,依據電池電壓值,應該有10mA左右的電流正在工作。將故障表上的電池焊下,2分鐘后再焊到故障表上,在線檢測電池電壓,電壓值達到3.64V,恢復正常。這種故障屬于智能表“死機”,單片機不受控,各輸入、輸出腳狀態處于不確定狀態造成的,只有在電池能量沒耗盡的故障期間才能檢測到。一旦更換電池,單片機復位,智能表就恢復正常。這種故障有很大的偶然性,較難在同一塊表上復現。使用的電池10mA左右電流工作3~5天后能量就會耗盡。

    7. 智能表易耗盡電池能量的故障

    現將我們在多年配套過程中遇到的智能表易耗盡電池能量的故障列入下表中以供智能表生產廠商參考。

    序號

    導致電池能量耗盡的原因

    建議解決措施(供參考)

    1

    單片機無抗干擾設計。受到干擾時程序“跑飛”或“死機”,使耗電處于不確定狀態,如果長時間處于大電流耗電狀態,電池能量就會快速耗盡。

    在單片機的電源端安裝100μF以上的電容,最好采用大、微電流隔離措施(見圖2)。

    2

    大電流和微電流沒有分開供電,單片機供電電壓不穩定。大電流工作時易影響或干擾單片機,使程序“跑飛”或“死機”或反復復位,使耗電處于不確定狀態,如果長時間處于大電流耗電狀態,電池能量就會快速耗盡。

    采用大、微電流隔離措施(見圖2)。

    3

    漏掉正常工作電流外其它電流關斷的程序代碼。如保存數據、發射信號、開啟閥門等,使電池長時間處于大電流耗電狀態,導致電池能量快速耗盡。

    智能表上電后,仔細檢測智能表的每個功能,不能只檢測靜態電流。

    4

    無線發射的智能表安裝在信號不好的區域,程序無限制發射次數情況下,信號發射不出收不到回復而不停地發射,使電池長時間處于大電流工作狀態,導致電池能量快速耗盡。

    程序中應寫入收不到回復時限制發射次數的程序代碼。

    5

    防水防潮措施設計不到位,電路形成非正常回路增加耗電量,導致電池能量快速耗盡。

    做好防水防潮措施。

    6

    智能表元器件硬件故障增加耗電量,導致電池能量快速耗盡。

    增加主回路中元器件的老化篩選。

     

    建議智能表完成老化后封裝前逐表檢測電池的在線電壓,將有故障的表剔出。

    以上故障現象如果不采取相應的保護措施,使用功率型ER電池時,有導致引發電池爆炸的可能性。

    8. 電池選用原則

    ER電池從內部結構可分為能量型和功率型。能量型結構的電池用于電流較小的場合,功率型結構的電池用于電流較大的場合。

    1) 最大電流小于10mA的智能表(如智能電表)可直接選用能量型電池。這種應用一般不需要在線激活,無安全性隱患,做好抗干擾設計即可。

    2) 最大正常電流小于100mA的智能表最好選用能量型電池+超級電容的方案,這種應用一般不需要在線激活,無安全性隱患,做好抗干擾設計,但大電流與微電流應采用隔離設計。超級電容選用0.47F以上、耐壓3.6V或5.5V的,到2.5V大電流可工作5~10s。

    3) 最大正常電流大于100mA的智能表需選用功率型電池,設計時應采取所有的防護措施,不正當的使用有可能導致安全性問題。

    9. 電池的檢測篩選

    電池是一種化學元器件,比電子元器件和機械部件更驕氣,上機前應逐只檢測電池電壓,剔出不合格品。據統計,在智能電表上使用的ER電池經過老化(在室溫下擱置一定的時間)篩選后,故障率可達到10-4級。

    電池的開路電壓對于鋰亞硫酰氯電池是一個非常穩定的參數,用標準表檢測,其值在3.65~3.66V,由于數字表存在著一定的誤差,測量的數值也就有一些偏差。但就某一塊表而言,其測量值是一定的,低于這一定值的電池就是不合格品,如:某一塊表測量的開路電壓值均在3.643.65V范圍內,有少數幾只電池的開路電壓為3.63V,那么,這幾只電池就不合格,應該予以剔除。這樣的電池如果上機,多則半年少則三個月就會失效。這項檢測在電池制造半個月后進行較好。

    電池的負荷電壓代表電池的帶載能力。由于電極表面易生成鈍化膜,因此,電池的負荷電壓是一個變量,它與電池貯存的條件和貯存的時間相關。上機前,存放時間超過3個月的電池必須逐只檢查負荷電壓,其方法是,在數字表兩表筆孔內并聯一只規定的電阻,再用兩表筆直接測量電池兩端的電壓,一般在5~10s內達到規定值。電池的負荷電壓在測量過程中必須是上升的,如果不斷下降則表明電池不合格。在長期擱置后,負荷電壓在規定的時間內上升且大于3.0V即可使用。

     

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