鋰電池在智能水表電表中的應(yīng)用

關(guān)于鋰電池在智能水表電表中的應(yīng)用以艾博爾公司生產(chǎn)的鋰電池為例，以ER開頭的代表鋰亞系列；以CR開頭的代表鋰錳系列。如ER14250指的是直徑為14毫米高度為25毫米的圓柱體形狀的鋰亞電池。CR18505是直徑為18毫米高度為50.5毫米的圓柱體形狀的鋰錳電池。在水表、電表中具體使用哪種電池，主要取決于產(chǎn)品對(duì)電池的技術(shù)要求，包括電壓、容量、電流和溫度特性等參數(shù)。下面就說說電池的幾個(gè)主要參數(shù)。一、電池的容量通常，智能水表或電表的設(shè)計(jì)人員通過理論計(jì)算得出電池的容量要求。下面是某水表廠對(duì)電池容量的計(jì)算方法：按水表使用壽命為6年耗電量的計(jì)算：

第2頁,共20頁，2024年2月25日，星期天1)待機(jī)耗電，假設(shè)平均待機(jī)電流為10uA,則6年耗電為：

10(uA)x24(小時(shí))X365(天）X6（年）=525600uAh=525.6mAh;

2)閥門動(dòng)作耗電,假設(shè)動(dòng)作平均電流150mA,動(dòng)作時(shí)間10s,每月6次,則6年耗電為:

150(mA)X10(s)X6(次)x12(月)X6(年)/3600(化為小時(shí))=180mAh;

3)一般電池指標(biāo)都稱年自放電量為2%,以2200mAH容量為例,以最壞計(jì)算,設(shè)每年自耗電為:2200mAHX2%=44mAH,則6年最大自放電量為6X44=264mAh;

第3頁,共20頁，2024年2月25日，星期天4)電池激活耗電:

(2秒X150mAx365天X6年)/(60分鐘X60秒)=183mAh.

則6年總耗電為:

525.6+180+264+183=1152.6mAh.

實(shí)際上產(chǎn)品的壽命受到多種因素的影響，水質(zhì)、機(jī)械磨損等都可能會(huì)影響到工作電流和實(shí)際容量損耗。因此，需要留有容量余量，由于各公司的產(chǎn)品有差異，需要的電池容量余量會(huì)不相同，參考行業(yè)內(nèi)一些設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，可選容量為理論計(jì)算值的一倍左右的電池。比如上例，可選容量為2200-2400mAh的電池。第4頁,共20頁，2024年2月25日，星期天這里列出部分ABLE鋰電池的容量值：ER14250的額定容量為1200mAh@0.5mAto2.0V@20℃ER14505M的額定容量為2000mAh@1mAto2.0V@20℃ER18505M的額定容量為3000mAh@1mAto2.0V@20℃CR17335的額定容量為1500mAh@10mAto1.5V@23℃CR18505的額定容量為2800mAh@10mAto2.0V@23℃第5頁,共20頁，2024年2月25日，星期天鋰電池的容量值很容易從鋰電池廠商提供的產(chǎn)品規(guī)格書中查到。這里要注意的是測(cè)試容量的條件，如CR18505的容量值是23℃溫度下10mA電流放電至2.0V時(shí)為2800mAh，因?yàn)橛行?duì)電池不了解的人錯(cuò)誤地認(rèn)為對(duì)某個(gè)電池而言，電池容量是一個(gè)固定值，不會(huì)隨放電電流的大小而改變。實(shí)際上，放電電流、溫度及截止電壓都會(huì)影響電池的容量值。下圖是CR18505的放電特性曲線：第6頁,共20頁，2024年2月25日，星期天從上面的曲線可看出：CR18505在不同強(qiáng)度的放電電流的條件下，容量是有差異的。在不同的溫度下，其容量也不同：放電電流（毫安）101005001500容量（毫安時(shí)）2800270024001700環(huán)境溫度（度）6023-20-40容量（毫安時(shí)）2800280026001600第7頁,共20頁，2024年2月25日，星期天下圖是ER14250型鋰亞電池的容量和電流關(guān)系曲線。從圖中可看出，電池的容量在電流大于5毫安時(shí)，容量小于1000毫安時(shí)。此款A(yù)BLE電池在電池設(shè)計(jì)時(shí)使用材料和配料時(shí)優(yōu)先考慮了小電流下的產(chǎn)品性能，因此，此型號(hào)電池較適合連續(xù)工作電流較小的產(chǎn)品，如作為智能電表的備用電源。第8頁,共20頁，2024年2月25日，星期天因此，智能表中電池的容量要求，需要根據(jù)智能表的工作電流、工作電壓和工作環(huán)境作相應(yīng)的調(diào)整。

二、鋰電池的電壓鋰錳電池的額定電壓為3.0V鋰亞電池的額定電壓為3.6V鋰亞電池是目前鋰電池中電壓最高的,同時(shí)在常溫中等電流密度放電時(shí)放電曲線極為平坦。由于以前設(shè)計(jì)的智能表，多以3V為電路的工作電壓，水表也常使用3V電壓的馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以常選用電壓較高的鋰亞電池，比如ABLE鋰亞電池，放電曲線極為平坦，在90%的容量范圍內(nèi)，其電壓能保持在3V以上基本不變。第9頁,共20頁，2024年2月25日，星期天但是鋰亞電池儲(chǔ)存一段時(shí)間后，我們?cè)贉y(cè)試電池的負(fù)載電壓時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)它的電壓下降了。這種電壓下降，不是表示電池的電容量已損耗掉了。通過對(duì)電池放電可以使鋰亞電池的電壓恢復(fù)到原來的水平。這種電壓下降現(xiàn)象，我們稱之為電壓滯后。通過放電使電池恢復(fù)高電壓的過程叫做激活。下面我對(duì)形成此現(xiàn)象的原因做點(diǎn)解釋：

鋰亞電池以鋰金屬作為負(fù)極。鋰（Li）是一種極活躍的金屬，雖然被亞硫酰氯(SOCL2)緊緊包圍,但實(shí)際上并沒有發(fā)生短路現(xiàn)象，這是因?yàn)樨?fù)極表面形成了一層極薄的致密的LiCL保護(hù)膜（一次膜），這層膜具有電子絕緣性，對(duì)離子可以穿透，從而防止了外部的SOCL2與鋰的進(jìn)一步反應(yīng)，使鋰在SOCL2電解液中變得十分穩(wěn)定。

第10頁,共20頁，2024年2月25日，星期天隨著環(huán)境溫度的升高和電池存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，一次膜會(huì)逐漸擴(kuò)大變厚形成二次膜，電池也就具有了很好的儲(chǔ)存壽命，也因此使得鋰亞電池有電壓滯后現(xiàn)象。由于鋰亞電池的電壓滯后可能會(huì)導(dǎo)致電路因電源起始電壓過低無法正常工作，因此使用者需要對(duì)幾個(gè)月前出廠的電池進(jìn)行放電激活，這樣會(huì)給使用者帶來很大的不便和時(shí)間損耗。

下面是常用的電池激活電流和激活時(shí)間：電池型號(hào)ER14250ER14505ER14505MER34615M激活電流（毫安）1.22.72.78.5放電時(shí)間（小時(shí)）20202020第11頁,共20頁，2024年2月25日，星期天此外，待機(jī)電流很小的產(chǎn)品中的鋰亞電池經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間后也可能出現(xiàn)電壓滯后現(xiàn)象，因此，使用鋰亞電池的產(chǎn)品中往往設(shè)計(jì)了定期放電激活電路，通過每間隔一段時(shí)間給電池放一次電來消除電池的電壓滯后。既要不能過量耗損電池的容量，又要有效激活電池，這就可能會(huì)增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難度和產(chǎn)品的材料成本。因此，一些智能表設(shè)計(jì)者把眼光投向同樣具有很長(zhǎng)壽命和高能量密度但不存在電壓滯后的鋰錳電池。鋰錳電池在歐美國家已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品中。國內(nèi)也有越來越多的智能表廠特別是水表廠將以鋰錳電池為電源的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。鋰錳電池在智能表中的用量呈逐年上升趨勢(shì)。

一些設(shè)計(jì)人員不愿意使用鋰錳電池的原因主要是因?yàn)殇囧i的額定電壓相對(duì)鋰亞電池要低一些。許多公司現(xiàn)有的產(chǎn)品當(dāng)電源電壓低于2.9V便不能正常工作，而鋰錳電池的工作范圍在2.0-3.1V之間。

第12頁,共20頁，2024年2月25日，星期天但現(xiàn)在已經(jīng)有工作電壓為2V左右的集成電路和成熟的智能表電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)閥門的2V馬達(dá)在市場(chǎng)上也不難找到。因此智能表中使用鋰錳電池不存在難以克服的障礙。因此，額定電壓3.0V的鋰錳電池越來越多地應(yīng)用在智能水、電、氣表中。另一個(gè)不愿意使用鋰錳電池的原因是一些廠家生產(chǎn)的鋰錳電池存在自放電較大等質(zhì)量問題，即還沒達(dá)到智能表的使用壽命便出現(xiàn)電池沒電的現(xiàn)象。通過這幾年的改善，鋰錳電池的質(zhì)量已得到很大的提高。以ABLE鋰錳電池為例，該公司被美國ULTRALIFE公司收購后，鋰錳電池的生產(chǎn)采用了美國的技術(shù)。

ULTRALIFE是美國軍方的主要電池供應(yīng)商之一，供應(yīng)軍方要求較高的鋰錳電池。同時(shí)，它是世界上最早研發(fā)和生產(chǎn)鋰錳電池的廠家，擁有頂尖的鋰錳電池生產(chǎn)技術(shù)。

第13頁,共20頁，2024年2月25日，星期天ABLE鋰錳電池用料極為考究，重要材料全部從國外進(jìn)口，包括ULTRALIFE美國生產(chǎn)的正極片、日本生產(chǎn)的隔離膜，等。這種正極材料采用絕密配方配制，使材料的電化學(xué)反應(yīng)利用率非常高。進(jìn)口隔離膜能夠在電流過大時(shí)神奇地自動(dòng)閉合，也是一種高科技產(chǎn)品。同時(shí)電池生產(chǎn)在嚴(yán)格控制濕度溫度的封閉環(huán)境中進(jìn)行。因此，ABLE鋰錳電池具有良好的品質(zhì)，年自放電率達(dá)到1%以下。三、最大持續(xù)放電電流和最大脈沖放電電流不同型號(hào)的鋰電池的最大持續(xù)放電電流是不同的，因此最大持續(xù)放電電流和最大脈沖放電電流值也是選用電池型號(hào)時(shí)的重要指標(biāo)。根據(jù)智能表中的電池需要負(fù)載的待機(jī)電流、工作電流和脈沖電流選擇相應(yīng)的電池型號(hào)。第14頁,共20頁，2024年2月25日，星期天

選用電池的原則是：智能表中的電池需要負(fù)載的待機(jī)電流、工作電流和脈沖電流必須小于電池規(guī)格書中規(guī)定的最大持續(xù)放電電流和最大脈沖放電電流值。此外，前面提到過放電電流和電池容量相關(guān)，按工作電流選合適的型號(hào)可以盡量使電池達(dá)到大的放電容量。下面是幾款A(yù)BLE鋰電池的最大持續(xù)放電電流和最大脈沖放電電流：CR18505鋰錳電池，最大持續(xù)放電電流為1500毫安，最大脈沖放電電流為3000毫安。

CR17335鋰錳電池,最大持續(xù)放電電流為1500毫安,最大脈沖放電電流為3000毫安。

ER14505M鋰亞電池,最大持續(xù)放電電流為400毫安,最大脈沖放電電流為800毫安

ER14250鋰亞電池，最大持續(xù)放電電流為50毫安最大脈沖放電電流為100毫安。第15頁,共20頁，2024年2月25日，星期天鋰亞電池的一些型號(hào)如ER14250，內(nèi)部采用碳包式結(jié)構(gòu)：正極做成圓柱形，負(fù)極鋰包在外部。我們稱之為容量型，它的最大持續(xù)放電電流相對(duì)較小。另一些型號(hào)鋰亞電池如ER14505M(在型號(hào)中數(shù)字后面加字母“M”來區(qū)別)被稱為功率型，內(nèi)部是卷式電極結(jié)構(gòu)：其正負(fù)極都做成帶狀，故接觸面積比碳包式大得多，可輸出較大的電流。每種鋰錳電池都能夠輸出很大的持續(xù)放電電流和脈沖放電電流，其電流甚至比同尺寸的功率型鋰亞電池更大。這也是鋰錳電池的優(yōu)點(diǎn)之一。因此能用在象智能水表這種工作電流較大的產(chǎn)品中。

四、使用的安全性

鋰亞電池開始時(shí)內(nèi)壓很低，直到放電終了才出現(xiàn)一定的壓力，所以通常是安全的，但是仍有可能在高溫大電流放電時(shí)發(fā)生熱量噴發(fā)而發(fā)生爆炸。這種情況較少在容量型電池上發(fā)生，但在功率型電池上出現(xiàn)過。第16頁,共20頁，2024年2月25日，星期天為了提高電池的安全性，電池生產(chǎn)廠家常在電流較大的功率型電池中串聯(lián)如PTC或保險(xiǎn)管之類的起保護(hù)作用的器件。PTC（POSITIVETEMPRETURECOEFFICIENT）平時(shí)電阻值很小，當(dāng)通過它的電流達(dá)到一定值時(shí)，溫度會(huì)升高，阻值也升高，從而使電池的輸出電流不致過大。另外，國際上對(duì)電池也有很多安全標(biāo)準(zhǔn)，比如UL等。以ABLE電池為例，在通過UL安全認(rèn)證之前，需要通過很多的環(huán)境試驗(yàn)，如熱沖擊試驗(yàn)、撞擊試驗(yàn)等。具體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法可查詢相關(guān)網(wǎng)站或文件，此處不再贅述。在UL網(wǎng)站可以查詢到通過UL認(rèn)證的具體電池型號(hào)。盡管電池的設(shè)計(jì)中采取了一些安全措施，但是用戶對(duì)電池的使用方式對(duì)電池的安全性也是非常重要。使用電池時(shí)除了不要把電池扔進(jìn)火中、不要拆解電池外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：第17頁,共20頁，2024年2月25日，星期天1.不能反向充電。一次電池和二次電池（可充電電池）不同，是不能充電的。對(duì)一次鋰電池充電可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)性。特別是除鋰電池外還有其它電源的情況下，要防止可能出現(xiàn)的給鋰電池充電的機(jī)會(huì)。如果沒有外電源，也要防止幾組電池可能的互相充電的機(jī)會(huì)。最簡(jiǎn)單的保護(hù)辦法是給電池串聯(lián)二極管，但二極管兩端會(huì)有0.3V左右的電壓，使相當(dāng)于電池輸出電壓有0.3V的下降。

2.不要使電池處于過度放電（簡(jiǎn)稱“過放”）。過放是指電池放電已經(jīng)將容量耗盡，但繼續(xù)放電的情形。特別是電池串聯(lián)時(shí)，如果某個(gè)電池和同組其它電池差異較大，當(dāng)它電壓很低時(shí)還在繼續(xù)放電，有時(shí)可達(dá)0V甚至是負(fù)電壓，電池可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。避免這種情形發(fā)生也有一些辦法，如：電池組合時(shí)盡量挑選電壓一致的放在一組，單個(gè)鋰亞電池低于2V時(shí)讓它停止供電。第18頁,共20頁，2024年2月25日，星期天3.使用或測(cè)試電池時(shí)，避