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【新专利介绍】一种防后备电池电压滞后的智能

2021-02-16 17:03

  今天为大家介绍一项国家发明授权专利一种防后备电池电压滞后的智能电能表。该专利由北方智能装备有限公司申请,并于2018年3月6日获得授权公告。

  当前智能电能表(以下简称电能表)在全国范围已经广泛使用,为供需双方更加科学有效的用电提供了直接依据。但是在电能表运行过程中发现了一些问题,其中由于后备电池发生钝化造成的电池电压滞后问题是对电能表的影响最为严重的问题之一。

  电能表的冻结功能、事件记录功能、负荷记录功能、停电状态下液晶显示功能和实时时钟功能离不开停电时后备电源供电。现在国家电网和南方电网在网运行的电能表有90%以上使用锂-亚硫酰氯(以下简称锂亚电池)电池作为单独的后备电源。锂亚电池的主要原材料包括:隔膜、乙炔黑、锂带,四氯铝酸锂。电池的初始电压正常值为3 .6V。电池的反应化学方程式为:4Li+2SOCL2=4LiCL+S+SO2 锂亚电池经过储存后,在金属锂表面产生一层致密的LiCL保护膜,可以防止Li和SOCL2进一步反应,保证了锂亚电池自放电率比其他电池体系小。但当储存后的电池首次放电时,负载电压会瞬间下降到最低值(即TMV值),出现电压滞后现象,典型的钝化曲线所示。图中:A、外部停电时电能表功耗很小(几十微安),钝化膜的导电率通常能够满足离子的传输,这种情况下不会出现电压滞后,电池输出电压可以满足使用要求。B、外部停电时电表功耗较小(几百微安),电池的TMV值也高于MCU的最低工作电压,不影响电能表正常工作。C、外部停电时电能表的功耗较大(几毫安),锂离子在钝化膜中的迁移速率无法满足要求,钝化膜两端产生很大的电压降,TMV值低于MCU工作的最低电压,此时由于MCU内部的硬件复位电路作用导致MCU复位,电池的电压滞后现象更加明显,从而使电表进入反复复位状态,引起电池容量消耗增加在短时间内耗尽剩余容量令电池失效。

  国内一些电能表生产厂家为了解决上述问题采用了外置锂亚电池的方法,这样做表面上可以让用户更换掉失效的锂亚电池,但也带来了很多新问题:(1)由于使用外置电池的表壳设计相对复杂,外置电池成本较高导致电能表整体成本大幅增加;(2)外置电池与表壳采用金属片按压方式连接,在长途运输和使用过程中有可能引起接触不良,导致无法给电能表正常供电;(3)使用外置电池无法避免电池钝化引起的电压滞后现象,若MCU反复复位引起电池提前失效会造成不必要的浪费,导致成本增加,并且报废的电池会成为污染源污染环境;(4)在电池耗尽期间电能表不能正常工作,实时时钟失效,掉电时电能表的部分功能失效,不能给供需双方提供准确的用电状况。如果掉电期间有不法人员私自改动电能表,电能表不能有效做事件记录,给供电方造成不必要的损失;(5)若外置电池发生电压滞后现象引起MCU复位,电能表无法上报电池欠压事件,导致无法及时更换电池。(6)由于电能表内空间有限,增加外置电池后电表内空间更加紧张,安全电器间隙缩小。

  本发明的目的在于提供一种防后备电池电压滞后的智能电能表,本发明针对后备电池电压滞后对电能表的干扰,提出一种使用法拉电容和锂亚电池作为双后备电源,防后备电池电压滞后的电能表。

  本发明所采取的技术方案为:一种防后备电池电压滞后的智能电能表,电能表MCU为核心控制电路,MCU通过I2C总线连接显示电路,计量电路与MCU通过SPI总线连接,MCU通过AD端口连接电源监测电路,锂亚电池放电、监测电路通过电阻同锂亚电池后备电源电路连接,并通过I/O引脚和AD端口连接MCU;存储电路与MCU的I2C总线连接,按键电路中与MCU通过I/O端品连接,安全认证电路与MCU通过ISO7816接口连接,通讯电路与MCU通过UART口连接;法拉电容和锂亚电池作为双后备电源,法拉电容的后备电源电路中VDD为5 .7V电源,VDD连接在开关二极管VD3的第2脚,VD3的第3脚与限流电阻R48与法拉电容EC8正极相连,去耦电容C24连接在限流电阻R48前端和地之间,法拉电容EC8正极通过限流电阻R48连接在VD3第3脚经过VD3的第1脚同时连接在MCU的电源输入引脚VDDBAT和锂亚电池的输出端,法拉电容EC8的负极和地连接。

  一种防后备电池电压滞后的智能电能表,锂亚电池的后备电源电路、监测和放电电路中GB1为锂亚电池,GB1的正极通过限流电阻R78和放电电阻R80、三极管V9相连,V9和地相连。GB1通过开关二极管VD5和法拉电容后备电源以及MCU的电源引脚相连。瞬变二极管TVS2和去耦电容C46通过限流电阻R78连接到GB1的正极,电压采样电阻R69、R75接在限流电阻R78和地之间,再通过匹配电阻R70连接到MCU的AD口实时监测锂亚电池的电压。

  本发明的优点与效果是:1.没有使用成本更高的外置电池和外置电池表壳,仅增加成本很低的法拉电容,却达到了更好的防电池电压滞后的效果;2.锂亚电池和法拉电容均用焊接的方式固定在PCB板上,电气连接比外置电池方式更加可靠;3.用法拉电容和锂亚电池双后备电源的方式,辅以锂亚电池电压监测和放电电路可以有效的防止电池滞后情况的发生,最大限度的发挥了锂亚电池的容量,不会造成不必要的浪费;4.据统计70%的停电事件都在24小时之内恢复,在此期间用法拉电容后备电源供电即可满足电能表工作需求,不必使用锂亚电池,法拉电容的循环充放寿命不低于10万次,因此延长了锂亚电池的待机时间;5.若锂亚电池耗尽,停电期间有法拉电容后备电源供电,电能表会记录电池欠压事件(掉电处理流程),待供电恢复后上报主站。可以有供电方及时处理,减少不必要的损失;6.法拉电容体积很小,不会挤占电表内部空间,有利于保持电能表安全电器间隙。