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    锂电池在智能水表电表中的使用

        一次性锂电池因为具有很高的能量密度(指较小体积的电池具有较大的电容量)、自放电小、贮存期限很长等特性,被普遍地使用在智能电表、智能水表及智能气表中。

     作为智能电、水表的主要零件,锂电池的选型、质量和机能间接影响智能电、水表的机能和期限,因而它成为各表厂产品设计职员和品格管理人员出格体贴的工作。

     常用于智能水表和的锂电池有锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池(以下简称为锂亚电池)和锂二氧化锰电池(以下简称为锂锰电池)两类锂电池。

      以ER开首的代表锂亚系列;以CR开首的代表锂锰系列。如ER14250指的是直径为14毫米高度为25毫米的圆柱体外形的锂亚电池。CR18505是直径为18毫米高度为50.5毫米的圆柱体外形的锂锰电池。在水表、电表中详细利用哪种电池,次要取决于产物对电池的手艺要求,包罗电压、容量、电流和温度特性等参数。上面就说说电池的几个主要参数。

     一、电池的容量

            凡是,智能水表或电表的设计人员经由过程实际计较得出电池的容量要求。上面是某水表厂对电池容量的计算方法:

      按水表使用寿命为6年耗电量的计较:

    1) 待机耗电,假定均匀待机电流为10uA, 则6年耗电为:
          10(uA) x 24(小时) X 365(天)X 6(年)=525600uAh=525.6mAh;

    2) 阀门行动耗电,假定行动均匀电流150mA,行动工夫10s,每个月6次,则6年耗电为:
          150(mA) X 10(s) X 6(次) x 12(月) X 6(年)/3600(化为小时)=180mAh;

     3) 普通电池目标都称年自放电量为2%,以2200mAH容量为例,以最坏计较,设每一年自耗电为 :

               2200mAH X 2% =44mAH, 则6年最大自放电量为 6 X 44=264mAh;

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

    则6年总耗电为:
          525.6+180+ 264+183=1152.6mAh.

        实际上产物的期限遭到多种身分的影响,水质、机器磨损等都可能会影响到事情电流和实践容量消耗。因而,需求留有容量余量,因为各公司的产物有差别,需求的电池容量余量会不不异,参考行业内一些设计人员的经历,可选容量为实际计较值的一倍阁下的电池。比如上例,可选容量为2200-2400mAh的电池。

    这里列出部门ABLE锂电池的容量值:

    ER14250的额定容量为1200 mAh @ 0.5mA to 2.0 V @ 20℃

    ER14505M的额定容量为2000 mAh @ 1mA to 2.0 V @ 20℃

    ER18505M的额定容量为3000 mAh @ 1mA to 2.0 V @ 20℃

    CR17335的额定容量为1500 mAh @ 10 mA to 1.5 V @ 23℃

    CR18505的额定容量为2800 mAh @ 10 mA to 2.0 V @ 23℃

      锂电池的容量值很容易从锂电池厂商供给的产物规格书中查到。这里要留意的是测试容量的条件,如CR18505的容量值是23℃温度下10 mA 电流放电至2.0 V时为2800 mAh,由于有些对电池不了解的人毛病地以为对某个电池而言,电池容量是一个牢固值,不会随放电电流的巨细而改动。实际上,放电电流、温度及停止电压城市影响电池的容量值。

      下图是CR18505的放电特性曲线:

    从上面的曲线可看出:CR18505在差别强度的放电电流的条件下,

    容量是有差别的。

    放电电流(毫安)

    10

    100

    500

    1500

    容量(毫安时)

    2800

    2700

    2400

    1700

    在差别的温度下,其容量也不同:

    环境温度(度)

    60

    23

    -20

    -40

    容量(毫安时)

    2800

    2800

    2600

    1600

     

    下图是ER14250型锂亚电池的容量和电流干系曲线。

    从图中可看出,电池的容量在电流大于5毫安时,容量小于1000毫安时。此款E电池在电池设计时利用质料和配料时优先思索了小电流下的产物机能,因而,此型号电池较合适持续事情电流较小的产物,如作为智能电表的备用电源。

       因而,智能表中电池的容量要求,需求按照智能表的事情电流、事情电压和事情情况作响应的调解。

     

    二、锂电池的电压

      锂锰电池的额定电压为3.0 V

      锂亚电池的额定电压为3.6 V

      锂亚电池是今朝锂电池中电压最高的,同时在常温中等电流密度放电时放电曲线极其平展。因为从前设想的智能表,多以3V为电路的事情电压,水表也常利用3V电压的马达来驱动阀门的动弹,以是常选用电压较高的锂亚电池,好比ABLE锂亚电池,放电曲线极其平展,在90%的容量范围内,其电压能连结在3V以上根本稳定。

      可是锂亚电池贮存一段时间后,我们再测试电池的负载电压时常常发明它的电压降落了。这类电压降落,不是暗示电池的电容量已消耗掉了。经由过程对电池放电能够使锂亚电池的电压规复到本来的程度。这类电压降落征象,我们称之为电压滞后。经由过程放电使电池规复高电压的历程叫做激活。上面我对构成此征象的缘故原由做点注释:

      锂亚电池以锂金属作为负极。锂(Li)是一种极活泼的金属,固然被亚硫酰氯(SOCL2)牢牢包抄,但实际上并没有发作短路征象,这是由于负极外表构成了一层极薄的致密的LiCL保护膜(一次膜),这层膜具有电子绝缘性,对离子能够穿透,从而避免了内部的SOCL2与锂的进一步反响,使锂在SOCL2电解液中变得非常不变。

        跟着环境温度的降低和电池存储工夫的耽误,一次膜会逐步扩大变厚构成二次膜,电池也就具有了很好的贮存期限,也因而使得锂亚电池有电压滞后征象。

       因为锂亚电池的电压滞后可能会招致电路因电源肇端电压过低无法一般事情,因而使用者需求对几个月前出厂的电池停止放电激活,如许会给使用者带来很大的未便和工夫消耗。

    上面是常用的电池激活电流和激活工夫:

    电池型号

    ER14250

    ER14505

    ER14505M

    ER34615M

    激活电流(毫安)

    1.2

    2.7

    2.7

    8.5

    放电工夫(小时)

    20

    20

    20

    20

      另外,待机电流很小的产物中的锂亚电池颠末较长时间后也能够呈现电压滞后征象,因而,利用锂亚电池的产物中常常设想了按期放电激活电路,经由过程每距离一段时间给电池放一次电来消弭电池的电压滞后。既要不能过量消耗电池的容量,又要有效激活电池,这就可能会增长产品设计的难度和产物的质料本钱。

      因而,一些智能表设计者把目光投向一样具有很长期限和高能量密度但不存在电压滞后的锂锰电池。锂锰电池在西欧国度曾经普遍地使用在产物中。海内也有愈来愈多的智能表厂特别是水表厂将以锂锰电池为电源的产物投放市场。锂锰电池在智能表中的用量呈逐年上升趋向。

      一些设计人员不愿意利用锂锰电池的缘故原由次要是由于锂锰的额定电压相对锂亚电池要低一些。很多公司现有的产物当电源电压低于2.9V便不能一般事情,而锂锰电池的工作范围在2.0-3.1V之间。

     但如今曾经有事情电压为2V阁下的集成电路和成熟的智能表电路设计,驱动阀门的2V马达在市场上也不难找到。因而智能表中利用锂锰电池不存在难以克制的停滞。因而,额定电压3.0 V的锂锰电池愈来愈多地使用在智能水、电、气表中。

     另一个不愿意利用锂锰电池的缘故原由是一些厂家消费的锂锰电池存在自放电较大等质量问题,即还没到达智能表的使用寿命便呈现电池没电的征象。经由过程这几年的改进,锂锰电池的质量已获得很大的提高。

    三、最大连续放电电流和最大脉冲放电电流

         差别型号的锂电池的最大连续放电电流是差别的,因而最大连续放电电流和最大脉冲放电电流值也是选用电池型号时的重要指标。按照智能表中的电池需求负载的待机电流、事情电流和脉冲电流挑选响应的电池型号。

      选用电池的原则是:智能表中的电池需求负载的待机电流、事情电流和脉冲电流必需小于电池规格书中划定的最大连续放电电流和最大脉冲放电电流值。另外,前面提到过放电电流和电池容量相干,按事情电流选适宜的型号能够只管使电池到达大的放电容量。

      锂亚电池的一些型号如ER14250,内部接纳碳包式构造:正极做成圆柱形,负极锂包在内部。我们称之为容量型,它的最大连续放电电流相对较小。另外一些型号锂亚电池如ER14505M(在型号中数字前面加字母“M”来区分)被称为功率型,内部是卷式电极构造:其正负极都做成带状,故打仗面积比碳包式大很多,可输出较大的电流。

          每种锂锰电池都可以输出很大的连续放电电流和脉冲放电电流,其电流以至比同尺寸的功率型锂亚电池更大。这也是锂锰电池的长处之一。因而能用在象智能水表这类事情电流较大的产物中。

     

    四、利用的安全性

          锂亚电池开端时内压很低,直到放电结束才呈现必然的压力,以是凡是是安全的,可是仍有可能在高温大电流放电时发作热量喷发而发生爆炸。这种情况较少在容量型电池上发作,但在功率型电池上呈现过。

      为了提高电池的安全性,电池生产厂家常在电流较大的功率型电池中串连如PTC或保险管之类的起庇护感化的器件。PTC(POSITIVETEMPRETURE COEFFICIENT)平常电阻值很小,当经由过程它的电流到达必然值时,温度会降低,阻值也降低,从而使电池的输出电流不致过大。

      另外,国际上对电池也有许多安全标准,好比UL等。以ACT电池为例,在经由过程UL安全认证之前,需求经由过程许多的情况实验,如热打击实验、撞击实验等。详细实验尺度和办法可查询相干网站或文件,此处不再赘述。在UL网站能够查询到经由过程UL认证的详细电池型号。

     虽然电池的设想中采纳了一些安全措施,可是用户对电池的利用方法对电池的安全性也是非常重要。利用电池时除了不要把电池扔进火中、不要拆解电池外,还应留意以下几点:

    1. 不能反向充电。一次电池和二次电池(可充电电池)差别,是不能充电的。对一次锂电池充电可能会发生危险性。特别是除锂电池外还有其它电源的状况下,要避免能够呈现的给锂电池充电的时机。假如没有外电源,也要避免几组电池能够的相互充电的时机。最简朴的庇护法子是给电池串连二极管,但二极管两头会有0.3V阁下的电压,使相当于电池输出电压有0.3 V的降落。

    2. 不要使电池处于过分放电(简称“过放”)。过放是指电池放电曾经将容量耗尽,但持续放电的情况。特别是电池串连时,假如某个电池和同组其它电池差别较大,当它电压很低时还在持续放电,偶然可达0V以至是负电压,电池可能会呈现伤害。制止这类情况发作也有一些法子,如:电池组应时只管选择电压分歧的放在一组,单个锂亚电池低于2V时让它截至供电。

    3. 利用或测试电池时,制止破坏电池外表的PVC绝缘膜,避免呈现正负极短路的时机。好比焊接孔过大,招致焊锡流到电池上,或电烙铁烫烂或使PVC膜过分膨胀。

    4. 因为水份、盐雾和其它导电物资假如进入PTC的话,能够使PTC生效,因而要只管制止功率型电池表露在湿润情况中,不要用水去洗濯电池正极。

          锂锰电池的安全性和锂亚电池的比拟要更高些。这是由于锂锰电池内抬高,呈现爆炸征象的时机更低。另外,它对反向充电和过放的耐受才能也相对强些。

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