今天為大家介紹一項國家發明授權專利——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日獲得授權公告。
內容說明
本發明涉及一種電能表，特別是涉及一種防后備電池電壓滯后的智能電能表。
發明背景
當前智能電能表(以下簡稱電能表)在全國范圍已經廣泛使用，為供需雙方更加科學有效的用電提供了直接依據。但是在電能表運行過程中發現了一些問題，其中由于后備電池發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重的問題之一。
電能表的凍結功能、事件記錄功能、負荷記錄功能、停電狀態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。現在國家電網和南方電網在網運行的電能表有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。電池的反應化學方程式為：4Li+2SOCL2=4LiCL+S+SO2 鋰亞電池經過儲存后，在金屬鋰表面產生一層致密的LiCL保護膜，可以防止Li和SOCL2進一步反應，保證了鋰亞電池自放電率比其他電池體系小。但當儲存后的電池首次放電時，負載電壓會瞬間下降到最低值(即TMV值)，出現電壓滯后現象，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)，鈍化膜的導電率通常能夠滿足離子的傳輸，這種情況下不會出現電壓滯后，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內部的硬件復位電路作用導致MCU復位，電池的電壓滯后現象更加明顯，從而使電表進入反復復位狀態，引起電池容量消耗增加在短時間內耗盡剩余容量令電池失效。
國內一些電能表生產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計相對復雜，外置電池成本較高導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，導致無法給電能表正常供電；(3)使用外置電池無法避免電池鈍化引起的電壓滯后現象，若MCU反復復位引起電池提前失效會造成不必要的浪費，導致成本增加，并且報廢的電池會成為污染源污染環境；(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)若外置電池發生電壓滯后現象引起MCU復位，電能表無法上報電池欠壓事件，導致無法及時更換電池。(6)由于電能表內空間有限，增加外置電池后電表內空間更加緊張，安全電器間隙縮小。
發明內容
本發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。
圖為本發明鋰亞電池典型的鈍化曲線
本發明所采取的技術方案為：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端口連接電源監測電路，鋰亞電池放電、監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口實時監測鋰亞電池的電壓。
本發明的優點與效果是：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測和放電電路可以有效的防止電池滯后情況的發生，最大限度的發揮了鋰亞電池的容量，不會造成不必要的浪費；4.據統計70%的停電事件都在24小時之內恢復，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，不會擠占電表內部空間，有利于保持電能表安全電器間隙。
