时钟电池失效-电池本身失效简析

1、电池本身失效

ER14250电池为常规产品，出现电池内部缺陷，往往与电池生产工艺、材料有密切关系。导致电池正、负极间的绝缘阻扩下降，根据缺陷的不同程度产生短路或微短路，使电池容量提前耗尽。

通过电池长期储存的失效率数据分析，通过近4年的检测分析，电池在静态态下常温储存，2年内的失效率为0，3年内平均总失效率为0.63‰，个别批次失效率到1‰，4年内平均总失效率为2.22‰，个别批次失效率达到3‰。可见，ER14250电在常温下静态储存，没有出现大批量电池失效问题，电池4年累计失效率最高不超过3‰。但安装在电能计量设备中静态存储失效率高于1%故障率（数据来源企业试验结论）。

2.电池与电能计量设备匹配不当

在选用电池时，要充分认识电池特性，使电能计量设备与电池的匹配达到最佳，可降低电池故障率，提高电能计量设备使用的可靠性。引起电池与电能计量设备匹配不当主要原因是电池电压滞后和选型电池容量冗余不足。

1）电池电压滞后

锂亚电池经过储存后，金属锂的表面产生一层致密的LiC1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，有优良的储存性能。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。典型的钝化曲线如图所示。

电能表设计电流很小（10μA~20μA）时，钝化膜的电导率通常能满足离子的传输，这种情况下不会出现电压滞后，电池输出电压可满足使用要求。电能表设计电流较小（100μA以上）时，电池的TMV值高于表计设置电压，不影响表计正常工作。电能表设计电流较大（几毫安）时，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值低于设置电压值时会出现电压滞后。即电能计量设备设计电流较大时，电压滞后在一定程度上会影响表计正常工作。

如果电能计量设备软件设计合理，电池进入正常工作状态即为低功耗掉电状态时，功耗一般不超过几百微安，电池钝化现象不会对电能计量设备正常工作产生影响。反之，如果电能计量设备未进入低功耗前就使用电池供电，此时电池工作电流会比较大，那么钝化作用就会使电池输出电压下降，可能产生时钟芯片掉电、数据混乱的现象。同时，如果MCU的电源电压监控值设置不合理（如3V或更高），MCU有可能复位，此时可能使电能计量设备工作电流更大，电压滞后现象更明显，导致电能计量设备进入反复复位状态，使电池容量消耗增加或短时间内容量耗尽而失效。

锂亚电池的电压滞后是该电池体系的固有特性，如果软件设计时没有充分考虑这一特性，导致电能计量设备用电状态与电池匹配不当，会造成电能计量设备有较大的故障率。

2）选型电池容量冗余不足

根据标准Q／GDW 1354智能电能表使用锂电池作为时钟的备用电源，电池应在电能表寿命周期内无须更换，断电后应维持内部时钟工作时间累计不少于5年。国家电网对电池的这一容量要求更多来源于电池在常温常压等理想环境下的容量水平，是理想环境下的使用要求。

而实际上，电池是将化学能转换为电能的装置，实际能输出的容量与使用的环境温度及工作的电流大小关系密切。ER14250 电池的标称容量为1.2A·h，放电环境温度为23±2℃，放电电流为1mA。绘制在不同温度及不同电流下的ER14250电池容量曲线，如图2所示。

由图2可知，电池容量与放电电流存在近似抛物线的关系，即存在一个最佳工作包流。当电池放电电流相对于0.5mA减小或增大时，电池放电容量会相应减小。而在高温或低温环境下工作时，容量还会下降得更多。

电能计量设备的工作环境是复杂的，既有高温环境又有低温环境，因此在复杂环境，电池的使用寿命可能会缩短，达不到电池设计寿命要求。电池选型没有充分考虑环因素影响，容量冗余不足，也是导致故障率高的原因之一。

     因此，在选型前需要客户供详细的情况，以便能为客户提供最佳方案，解决锂电池应用方面的问题。充分考虑下境因素影响是计算评估电池使用寿命和电池有效容量的基础。

因此选用时钟电池时，要综合考虑：

• 计算电流消耗：工作用电模式的描述，包括基本的静态电流及脉冲电流［包括冲电流大小、脉冲时间、工作循环（开／关周期）等］。

• 考虑截止电压和工作寿命。

• 计算电池使用寿命：绘制出电池工作的温度曲线，输入符合此温度的平均电流，根据数据手册的“有效容量”图，查找符合此温度的电池容量。计算使用效率（间接描述了长期工作寿命和脉冲幅度的影响），最终计算电池工作寿命。

• 电池类型，如锂亚电池、锂锰电池、镍氢电池，不同材料和成份效果不同。

3）电池容量下降

    电池能输出的容量与放电电流、放电温度有较大关系，而长期使用时，还与其自放电有较大关系。自放电会导致电池长期使用时的实际容量下降。

• 自放电对电池容量的影响

储存或使用过程中，存在自放电现象，亦是电池的固有属性。

在常温下储存，电池的容量衰减很小，4年内平每年的容量衰减不超过2％。

• 温度对电池自放电的影响

电池自放电是一个复杂的化学反应过程，在常温下储存虽然容量衰减较小；但电的自放电受温度的影响较大。不同电化学体系自放电率大小与温度的关系如图3所示

     由图3可以看出，锂一次电池在所有电池体系中自放电率是最小的，在20℃以内自放电率在2％以内（与检测数据基本吻合）。随着温度的升高，所有电池体系的自放电均有较大增加。国军标GJB 916B-2011《军用锂原电池通用规范》规定：电池在55±3℃储存30天相当于在室温条件下储存1年，电池的容量衰减为5％。按照经验性规律，电池搁置的环境温度每上升10℃，电池的自放电率增加1倍。

       电池企业为了检测高温环境以及不同用电状态对电池自放电的影响，模拟电能计量设备的实际场景进行对比检测。在不同电流（3μA、5μA、20μA）下工作，环境温度为常温和高温（55℃），检测结果如下：

·在常温、微电流下工作，目前已有4年，各用电状态下无一只失效电池。

·在高温（55℃）、微电流下工作，从7～8个月开始有失效电池出现，随着储存时间的延长，储存12～18个月后电池逐渐全部失效。微电流大小与电池开始失效时间有-定的关系，在20μA电流下工作，7个月开始失效；在3μA电流下工作，9个月开始失效。以上结果说明：电池的自放电受一系列因素的影响，放电电流大小、放电温度、放电产物的积累、放电深度等均会影响电池的自放电率。

    电能计量设备在现场安装时，电池在电能计量设备中的实际应用场景复杂，同一批电能计量设备应用场景可能千差万别，表面经受高温的时间有较大随机性及不确定性，电池表现出的失效率差异性较大。同一应用场景中，不同电能计量设备的功耗、储存时间及挂网前的容量消耗也存在一定差异，其电池经过夏天高温环境后，失效率也有一定差距。

     在我国很多地区，每年可能约有6个月的高温时间，可大致等效为2～3个月的连续高温，若电池使用3～4年，则相当于等效6～12个月的高温时间。试验表明，电池在高温下的自放电会导致出现一定比例的失效。