今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權(quán)專利——一種防后備電池電壓滯后的智能電能表。該專利由北方智能裝備有限公司申請，并于2018年3月6日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明涉及一種電能表，特別是涉及一種防后備電池電壓滯后的智能電能表。

發(fā)明背景

當(dāng)前智能電能表(以下簡稱電能表)在全國范圍已經(jīng)廣泛使用，為供需雙方更加科學(xué)有效的用電提供了直接依據(jù)。但是在電能表運行過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，其中由于后備電池發(fā)生鈍化造成的電池電壓滯后問題是對電能表的影響最為嚴(yán)重的問題之一。

電能表的凍結(jié)功能、事件記錄功能、負(fù)荷記錄功能、停電狀態(tài)下液晶顯示功能和實時時鐘功能離不開停電時后備電源供電。現(xiàn)在國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)在網(wǎng)運行的電能表有90%以上使用鋰-亞硫酰氯(以下簡稱鋰亞電池)電池作為單獨的后備電源。鋰亞電池的主要原材料包括：隔膜、乙炔黑、鋰帶，四氯鋁酸鋰。電池的初始電壓正常值為3 .6V。電池的反應(yīng)化學(xué)方程式為：4Li+2SOCL2=4LiCL+S+SO2 鋰亞電池經(jīng)過儲存后，在金屬鋰表面產(chǎn)生一層致密的LiCL保護(hù)膜，可以防止Li和SOCL2進(jìn)一步反應(yīng)，保證了鋰亞電池自放電率比其他電池體系小。但當(dāng)儲存后的電池首次放電時，負(fù)載電壓會瞬間下降到最低值(即TMV值)，出現(xiàn)電壓滯后現(xiàn)象，典型的鈍化曲線如圖1所示。圖中：A、外部停電時電能表功耗很小(幾十微安)，鈍化膜的導(dǎo)電率通常能夠滿足離子的傳輸，這種情況下不會出現(xiàn)電壓滯后，電池輸出電壓可以滿足使用要求。B、外部停電時電表功耗較小(幾百微安)，電池的TMV值也高于MCU的最低工作電壓，不影響電能表正常工作。C、外部停電時電能表的功耗較大(幾毫安)，鋰離子在鈍化膜中的遷移速率無法滿足要求，鈍化膜兩端產(chǎn)生很大的電壓降，TMV值低于MCU工作的最低電壓，此時由于MCU內(nèi)部的硬件復(fù)位電路作用導(dǎo)致MCU復(fù)位，電池的電壓滯后現(xiàn)象更加明顯，從而使電表進(jìn)入反復(fù)復(fù)位狀態(tài)，引起電池容量消耗增加在短時間內(nèi)耗盡剩余容量令電池失效。

國內(nèi)一些電能表生產(chǎn)廠家為了解決上述問題采用了外置鋰亞電池的方法，這樣做表面上可以讓用戶更換掉失效的鋰亞電池，但也帶來了很多新問題：(1)由于使用外置電池的表殼設(shè)計相對復(fù)雜，外置電池成本較高導(dǎo)致電能表整體成本大幅增加;(2)外置電池與表殼采用金屬片按壓方式連接，在長途運輸和使用過程中有可能引起接觸不良，導(dǎo)致無法給電能表正常供電;(3)使用外置電池?zé)o法避免電池鈍化引起的電壓滯后現(xiàn)象，若MCU反復(fù)復(fù)位引起電池提前失效會造成不必要的浪費，導(dǎo)致成本增加，并且報廢的電池會成為污染源污染環(huán)境;(4)在電池耗盡期間電能表不能正常工作，實時時鐘失效，掉電時電能表的部分功能失效，不能給供需雙方提供準(zhǔn)確的用電狀況。如果掉電期間有不法人員私自改動電能表，電能表不能有效做事件記錄，給供電方造成不必要的損失;(5)若外置電池發(fā)生電壓滯后現(xiàn)象引起MCU復(fù)位，電能表無法上報電池欠壓事件，導(dǎo)致無法及時更換電池。(6)由于電能表內(nèi)空間有限，增加外置電池后電表內(nèi)空間更加緊張，安全電器間隙縮小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種防后備電池電壓滯后的智能電能表，本發(fā)明針對后備電池電壓滯后對電能表的干擾，提出一種使用法拉電容和鋰亞電池作為雙后備電源，防后備電池電壓滯后的電能表。

圖為本發(fā)明鋰亞電池典型的鈍化曲線

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：一種防后備電池電壓滯后的智能電能表，電能表MCU為核心控制電路，MCU通過I2C總線連接顯示電路，計量電路與MCU通過SPI總線連接，MCU通過AD端口連接電源監(jiān)測電路，鋰亞電池放電、監(jiān)測電路通過電阻同鋰亞電池后備電源電路連接，并通過I/O引腳和AD端口連接MCU;存儲電路與MCU的I2C總線連接，按鍵電路中與MCU通過I/O端品連接，安全認(rèn)證電路與MCU通過ISO7816接口連接，通訊電路與MCU通過UART口連接;法拉電容和鋰亞電池作為雙后備電源，法拉電容的后備電源電路中VDD為5 .7V電源，VDD連接在開關(guān)二極管VD3的第2腳，VD3的第3腳與限流電阻R48與法拉電容EC8正極相連，去耦電容C24連接在限流電阻R48前端和地之間，法拉電容EC8正極通過限流電阻R48連接在VD3第3腳經(jīng)過VD3的第1腳同時連接在MCU的電源輸入引腳VDDBAT和鋰亞電池的輸出端，法拉電容EC8的負(fù)極和地連接。

一種防后備電池電壓滯后的智能電能表，鋰亞電池的后備電源電路、監(jiān)測和放電電路中GB1為鋰亞電池，GB1的正極通過限流電阻R78和放電電阻R80、三極管V9相連，V9和地相連。GB1通過開關(guān)二極管VD5和法拉電容后備電源以及MCU的電源引腳相連。瞬變二極管TVS2和去耦電容C46通過限流電阻R78連接到GB1的正極，電壓采樣電阻R69、R75接在限流電阻R78和地之間，再通過匹配電阻R70連接到MCU的AD口實時監(jiān)測鋰亞電池的電壓。

本發(fā)明的優(yōu)點與效果是：1.沒有使用成本更高的外置電池和外置電池表殼，僅增加成本很低的法拉電容，卻達(dá)到了更好的防電池電壓滯后的效果;2.鋰亞電池和法拉電容均用焊接的方式固定在PCB板上，電氣連接比外置電池方式更加可靠;3.用法拉電容和鋰亞電池雙后備電源的方式，輔以鋰亞電池電壓監(jiān)測和放電電路可以有效的防止電池滯后情況的發(fā)生，最大限度的發(fā)揮了鋰亞電池的容量，不會造成不必要的浪費;4.據(jù)統(tǒng)計70%的停電事件都在24小時之內(nèi)恢復(fù)，在此期間用法拉電容后備電源供電即可滿足電能表工作需求，不必使用鋰亞電池，法拉電容的循環(huán)充放壽命不低于10萬次，因此延長了鋰亞電池的待機時間;5.若鋰亞電池耗盡，停電期間有法拉電容后備電源供電，電能表會記錄電池欠壓事件(掉電處理流程)，待供電恢復(fù)后上報主站。可以有供電方及時處理，減少不必要的損失;6.法拉電容體積很小，不會擠占電表內(nèi)部空間，有利于保持電能表安全電器間隙。