鋰電池在智能水表電表中的應用

    一次性鋰電池由于具有很高的能量密度（指較小體積的電池具有較大的電容量）、自放電小、儲存壽命很長等特點，被廣泛地應用在智能電表、智能水表及智能氣表中。

 作為智能電、水表的重要零件，鋰電池的選型、質量和性能直接影響智能電、水表的性能和壽命，因此它成為各表廠產品設計人員和品質管理人員特別關心的事情。

 常用于智能水表和的鋰電池有鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池（以下簡稱為鋰亞電池）和鋰二氧化錳電池（以下簡稱為鋰錳電池）兩類鋰電池。

  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，主要取決于產品對電池的技術要求，包括電壓、容量、電流和溫度特性等參數。下面就說說電池的幾個主要參數。

 一、電池的容量

        通常，智能水表或電表的設計人員通過理論計算得出電池的容量要求。下面是某水表廠對電池容量的計算方法：

  按水表使用壽命為6年耗電量的計算：

1) 待機耗電，假設平均待機電流為10uA, 則6年耗電為：
      10(uA) x 24(小時) X 365(天）X 6（年）=525600uAh=525.6mAh;

2) 閥門動作耗電,假設動作平均電流150mA,動作時間10s,每月6次,則6年耗電為:
      150(mA) X 10(s) X 6(次) x 12(月) X 6(年)/3600(化為小時)=180mAh;

 3) 一般電池指標都稱年自放電量為2%,以2200mAH容量為例,以最壞計算,設每年自耗電為 :

           2200mAH X 2% =44mAH, 則6年最大自放電量為 6 X 44=264mAh;

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

則6年總耗電為:
      525.6+180+ 264+183=1152.6mAh.

    實際上產品的壽命受到多種因素的影響，水質、機械磨損等都可能會影響到工作電流和實際容量損耗。因此，需要留有容量余量，由于各公司的產品有差異，需要的電池容量余量會不相同，參考行業內一些設計人員的經驗，可選容量為理論計算值的一倍左右的電池。比如上例，可選容量為2200-2400mAh的電池。

這里列出部分ABLE鋰電池的容量值：

ER14250的額定容量為1200 mAh @ 0.5mA to 2.0 V @ 20℃

ER14505M的額定容量為2000 mAh @ 1mA to 2.0 V @ 20℃

ER18505M的額定容量為3000 mAh @ 1mA to 2.0 V @ 20℃

CR17335的額定容量為1500 mAh @ 10 mA to 1.5 V @ 23℃

CR18505的額定容量為2800 mAh @ 10 mA to 2.0 V @ 23℃

  鋰電池的容量值很容易從鋰電池廠商提供的產品規格書中查到。這里要注意的是測試容量的條件，如CR18505的容量值是23℃溫度下10 mA 電流放電至2.0 V時為2800 mAh，因為有些對電池不了解的人錯誤地認為對某個電池而言，電池容量是一個固定值，不會隨放電電流的大小而改變。實際上，放電電流、溫度及截止電壓都會影響電池的容量值。

  下圖是CR18505的放電特性曲線：

從上面的曲線可看出：CR18505在不同強度的放電電流的條件下，

容量是有差異的。

放電電流（毫安）	10	100	500	1500
容量（毫安時）	2800	2700	2400	1700

在不同的溫度下，其容量也不同：

環境溫度（度）	60	23	-20	-40
容量（毫安時）	2800	2800	2600	1600

 

下圖是ER14250型鋰亞電池的容量和電流關系曲線。

從圖中可看出，電池的容量在電流大于5毫安時，容量小于1000毫安時。此款E電池在電池設計時使用材料和配料時優先考慮了小電流下的產品性能，因此，此型號電池較適合連續工作電流較小的產品，如作為智能電表的備用電源。

   因此，智能表中電池的容量要求，需要根據智能表的工作電流、工作電壓和工作環境作相應的調整。

 

二、鋰電池的電壓

  鋰錳電池的額定電壓為3.0 V

  鋰亞電池的額定電壓為3.6 V

  鋰亞電池是目前鋰電池中電壓最高的,同時在常溫中等電流密度放電時放電曲線極為平坦。由于以前設計的智能表，多以3V為電路的工作電壓，水表也常使用3V電壓的馬達來驅動閥門的轉動，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，其電壓能保持在3V以上基本不變。

  但是鋰亞電池儲存一段時間后，我們再測試電池的負載電壓時經常發現它的電壓下降了。這種電壓下降，不是表示電池的電容量已損耗掉了。通過對電池放電可以使鋰亞電池的電壓恢復到原來的水平。這種電壓下降現象，我們稱之為電壓滯后。通過放電使電池恢復高電壓的過程叫做激活。下面我對形成此現象的原因做點解釋：

  鋰亞電池以鋰金屬作為負極。鋰（Li）是一種極活躍的金屬，雖然被亞硫酰氯(SOCL2)緊緊包圍,但實際上并沒有發生短路現象，這是因為負極表面形成了一層極薄的致密的LiCL保護膜（一次膜），這層膜具有電子絕緣性，對離子可以穿透，從而防止了外部的SOCL2與鋰的進一步反應，使鋰在SOCL2電解液中變得十分穩定。

    隨著環境溫度的升高和電池存儲時間的延長，一次膜會逐漸擴大變厚形成二次膜，電池也就具有了很好的儲存壽命，也因此使得鋰亞電池有電壓滯后現象。

   由于鋰亞電池的電壓滯后可能會導致電路因電源起始電壓過低無法正常工作，因此使用者需要對幾個月前出廠的電池進行放電激活，這樣會給使用者帶來很大的不便和時間損耗。

下面是常用的電池激活電流和激活時間：

電池型號	ER14250	ER14505	ER14505M	ER34615M
激活電流（毫安）	1.2	2.7	2.7	8.5
放電時間（小時）	20	20	20	20

  此外，待機電流很小的產品中的鋰亞電池經過較長時間后也可能出現電壓滯后現象，因此，使用鋰亞電池的產品中往往設計了定期放電激活電路，通過每間隔一段時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，這就可能會增加產品設計的難度和產品的材料成本。

  因此，一些智能表設計者把眼光投向同樣具有很長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廣泛地應用在產品中。國內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品投放市場。鋰錳電池在智能表中的用量呈逐年上升趨勢。

  一些設計人員不愿意使用鋰錳電池的原因主要是因為鋰錳的額定電壓相對鋰亞電池要低一些。許多公司現有的產品當電源電壓低于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。

 但現在已經有工作電壓為2V左右的集成電路和成熟的智能表電路設計，驅動閥門的2V馬達在市場上也不難找到。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3.0 V的鋰錳電池越來越多地應用在智能水、電、氣表中。

 另一個不愿意使用鋰錳電池的原因是一些廠家生產的鋰錳電池存在自放電較大等質量問題，即還沒達到智能表的使用壽命便出現電池沒電的現象。通過這幾年的改善，鋰錳電池的質量已得到很大的提高。

三、最大持續放電電流和最大脈沖放電電流

     不同型號的鋰電池的最大持續放電電流是不同的，因此最大持續放電電流和最大脈沖放電電流值也是選用電池型號時的重要指標。根據智能表中的電池需要負載的待機電流、工作電流和脈沖電流選擇相應的電池型號。

  選用電池的原則是：智能表中的電池需要負載的待機電流、工作電流和脈沖電流必須小于電池規格書中規定的最大持續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，按工作電流選合適的型號可以盡量使電池達到大的放電容量。

  鋰亞電池的一些型號如ER14250，內部采用碳包式結構：正極做成圓柱形，負極鋰包在外部。我們稱之為容量型，它的最大持續放電電流相對較小。另一些型號鋰亞電池如ER14505M(在型號中數字后面加字母“M”來區別)被稱為功率型，內部是卷式電極結構：其正負極都做成帶狀，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點之一。因此能用在象智能水表這種工作電流較大的產品中。

 

四、使用的安全性

      鋰亞電池開始時內壓很低，直到放電終了才出現一定的壓力，所以通常是安全的，但是仍有可能在高溫大電流放電時發生熱量噴發而發生爆炸。這種情況較少在容量型電池上發生，但在功率型電池上出現過。

  為了提高電池的安全性，電池生產廠家常在電流較大的功率型電池中串聯如PTC或保險管之類的起保護作用的器件。PTC（POSITIVETEMPRETURE COEFFICIENT）平時電阻值很小，當通過它的電流達到一定值時，溫度會升高，阻值也升高，從而使電池的輸出電流不致過大。

  另外，國際上對電池也有很多安全標準，比如UL等。以ACT電池為例，在通過UL安全認證之前，需要通過很多的環境試驗，如熱沖擊試驗、撞擊試驗等。具體試驗標準和方法可查詢相關網站或文件，此處不再贅述。在UL網站可以查詢到通過UL認證的具體電池型號。

 盡管電池的設計中采取了一些安全措施，但是用戶對電池的使用方式對電池的安全性也是非常重要。使用電池時除了不要把電池扔進火中、不要拆解電池外，還應注意以下幾點：

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。對一次鋰電池充電可能會產生危險性。特別是除鋰電池外還有其它電源的情況下，要防止可能出現的給鋰電池充電的機會。如果沒有外電源，也要防止幾組電池可能的互相充電的機會。最簡單的保護辦法是給電池串聯二極管，但二極管兩端會有0.3V左右的電壓，使相當于電池輸出電壓有0.3 V的下降。

2. 不要使電池處于過度放電（簡稱“過放”）。過放是指電池放電已經將容量耗盡，但繼續放電的情形。特別是電池串聯時，如果某個電池和同組其它電池差異較大，當它電壓很低時還在繼續放電，有時可達0V甚至是負電壓，電池可能會出現危險。避免這種情形發生也有一些辦法，如：電池組合時盡量挑選電壓一致的放在一組，單個鋰亞電池低于2V時讓它停止供電。

3. 使用或測試電池時，避免損壞電池表面的PVC絕緣膜，防止出現正負極短路的機會。比如焊接孔過大，導致焊錫流到電池上，或電烙鐵燙爛或使PVC膜過度收縮。

4. 由于水分、鹽霧和其它導電物質如果進入PTC的話，可能使PTC失效，因此要盡量避免功率型電池暴露在潮濕環境中，不要用水去清洗電池正極。

      鋰錳電池的安全性和鋰亞電池的相比要更高些。這是因為鋰錳電池內壓低，出現爆炸現象的機會更低。此外，它對反向充電和過放的耐受能力也相對強些。