锂亚硫酰氯电池在智能水表上应用设计

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1、锂亚硫酰氯电池在智能水表上的应用设计骆翠萍，吴浩，段军飞，吴俊——湖南威铭能源科技有限公司摘要：对水表用锂亚硫酰氯电池的结构、特点、及基本参数做了详细介绍；从水表应用方面介绍了电池选型设计，提出了在水表设计中需要注意的有关电池方面的关键点，包括电池欠压报警、缓减电池电压滞后、电池掉电保护等；根据电池放电完成后电压缓慢回升的特性，以智能水表在阀门自维护时电池是否欠压为例，提出了优化建议。0引言智能水表可对用水量进行记录和电子显示；可按照约定对用水量进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可进行用水数据存储的功能，这些功

2、能都离不开水表用锂亚硫酰氯电池的供电。要使锂亚硫酰氯电池在设计寿命内能正常工作，电池的选型及质量控制、电池电路设计、MCU低功耗设计等均非常关键。首先对锂亚硫酰氯电池结构、特点及基本参数作了介绍，充分认识锂亚硫酰氯电池特性及缺陷；其次对为什么最终选择锂亚硫酰氯电池作为智能水表的供电电池进行了分析；同时详细介绍了智能水表电池工作原理，水表电池寿命设计方法、电池控制电路设计关键点等。最后，结合锂亚硫酰氯电池停止放电后电压缓慢回升的特性，对目前阀门自维护时的电压检测方案进行了改善，并用实验数据进行了验证。1.水表用锂亚硫酰氯电池

3、的结构、特点及基本参数1.1锂亚硫酰氯电池从结构上分为炭包式（能量型）和卷绕式（功率型），正极材料是碳，负极材料是金属锂，电解液是亚硫酰氯，用玻璃纤维隔膜将正负极隔开。用小电流（40mA以下）放电时，炭包式所释放出来的能量比卷绕式电池要多出300mA.h左右的容量，但是当用大电流（50mA以上）放电时，炭包式放出的容量就不及功率型电池，所以炭包式结构主要为低放电率场合设计，比如智能水、电能表等；而卷绕式结构是为了满足中到高放电率场合设计，主要用于军用电子设备；适用于智能水、电能表的炭包式锂亚硫酰氯电池结构简图如图1所示。图

4、一1.2常用锂亚硫酰氯电池ER14505的基本参数见表一12项目特性外观尺寸/mm直径14.5mm，高度50.5mm重量/g最大22g标称容量/mAh2400标称电压/V3.6工作温度范围/℃-55℃~+85℃年自放电率≤2%最大连续放电电流（mA）100mA最大脉冲放电电流（mA）200mA结构及成分锂为负极，活性炭为正极，炭包式结构表一锂亚硫酰氯电池的基本参数1.3锂亚硫酰氯电池的特性a.电池的比能量高达430Wh/kg(1000Wh/dm3)，在各种锂电池中是最高的。b.开路电压高，单粒电池高达3.6伏（V）；工作电

5、压高，工作电压随负荷变化，通常在3.2~3.6伏（V）之间。c.自放电率低，年自放电率在2%以下；储存寿命长，室温下可储蓄10~15年。d.使用温度范围广，一般使用温度在-55℃~+85℃之间。e.工作电压平稳，90%以上的电池容量是在电压几乎不变的高电压平台上输出的。f.一般以微电流连续长时间工作，并能提供中等电流脉冲，工作时间可长达8年。g.电池本身有PTC保护片，电池短路在5S内电流降到＜600mA，PTC通过400mA时压降小于0.04V。h.存在电压滞后现象。如下图所示：2.智能水表电池技术要求及选型设计2.1智

6、能水表技术规范中的电池要求：（1）水表用电池需采用绿色环保锂亚硫酰氯电池，要保证用户在使用过程中的安全性。（2）在水表寿命周期内不需更换，电池容量能够满足水表至少6年寿命的要求；（3）电池应该有防水封装，防止因水雾引起电池的直接漏液或正负极短路现象的发生。智能水表设计时密切相关的其他技术条件：（1）产品的设计和元器件选用应保证整表的使用寿命大于等于6年；（2）满足水表工作环境的要求：环境温度：0℃~70℃12（目前热水表的使用环境温度没有明确的标准进行区分）；湿度：0%RH~90%RH。（3）电池电压不足时，水表应能够给予

7、报警提示；2.2智能水表用电池容量（1）锂亚硫酰氯电池的容量特性设计电池容量时，首先要考虑到锂亚硫酰氯电池的容量并非恒定不变，与放电电流、环境温度有关，ER14505电池型号的锂亚硫酰氯电池容量与放电电流、环境温度的特性如图（二）所示。图（二）（2）自放电量消耗的电池容量锂亚硫酰氯电池的年自放电率指标小于2%，以2400mAh容量为例，最坏情况计算，每年自放电容量为：2400mAhX2%=24mAh；（3）智能水表的静态功耗所消耗的电池容量一般智能水表的静态工作电流<30uA，同样以最坏的情况计算，每年的放电容量为：30u

8、AX24hX365=262800uAh=262.8mAh；（4）智能水表开关阀所消耗的电池容量为了防止阀门积累水垢，导致开、关阀不灵活，甚至堵转。阀门在有一段时间（可以设置）内没有活动时，控制器将控制阀门自动翻转一次，使其活动，减少水垢的积累。同时水表阀门动作时的大电流对电池起到定时激活的作用，阀门动作