【应用】朗升IOT电池可用于智能水表行业，提高电池有效容量，有效解决电压延迟和大电流脉冲放电问题

时间： 2022-01-01 来源：朗升

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随着智能电表更多功能的开发，尤其是无线传输功能的出现，对电池的要求也更高。下面结合两款典型智能水表来说明如何选择和设计电池。

无线远程水表的电气特性：

电池寿命：8年

工作温度：-10℃~+60℃

设备最低电压：3.0V

GSM远程水表的电气特性：

电池寿命：2年

工作温度：-30℃~+60℃

设备工作电压：5.5~7.5V

在设计之前，我们必须了解电压延迟和大电流脉冲放电能力对电池组的影响，以便更好地设计更好的产品。

电池经过长期小电流放电，或长期存放、高温存放后，在电池放电初期，电池的工作电压低于规定电压，这种状态称为电压延迟；随着放电时间的增长，电压逐渐升高，达到规定电压，这段时间称为“电压延迟时间”。电压延迟时间与放电电流和温度有关，电流越大，温度越低，电压延迟越严重。由此带来的影响便是电池以微安电流通电后，无法解决电池表面钝化问题。这时候大电流工作时，如果电极表面的钝化膜很厚，电池电压可能瞬间下降到1.8V以下，造成单片机死机或误判，表明电池欠压或单片机失控，导致电池电量耗尽。

在低温条件下的高电流能力很重要，在低温下的锂亚硫酰氯电池大电流能力会急剧下降，再加上钝化的影响，电池电压会低于设备的报警电压，造成欠压。随着电池的使用，特别是容量消耗超过60%时，电池大电流（ER34615最大瞬时放电电流300mA和最大持续放电电流150mA）放电能力越来越弱，这将导致无法评估电池的有效容量。

针对水表的特点和锂电池的特点，朗升的方案是用线轴式锂亚硫酰氯电池+混合脉冲电池（HPC）组成并联电池组——IOT电池。

HPC特性参数：

工作温度：-40℃～＋85℃

大电流脉冲放电能力：最大电流可达15A

自放电率低：<1%/年

长生命周期：5000 100% DOD 周期

使用寿命长：10年以上（超过电气设备使用寿命）

可在极端温度下充电和放电，采用激光焊接的全密封技术，确保在极端条件下不泄漏，是绿色环保的新能源

电池组的工作原理是：锂亚硫酰氯电池与混合脉冲电池(HPC)并联形成一个新的电池，该电池通过比较与HPC的电压差来判断是否进行充电，当出现电压差时以小电流为HPC充电。为外部供电时，HPC负责输出大部分电流。在下一个脉冲到来之前，锂亚硫酰氯电池为HPC充电，如此循环进行。由于锂亚硫酰氯电池在空载时的电压特性：即使消耗了该电池80%的容量后，其空载电压仍能维持在3.65V（与新电池一致），所以HPC充电到3.65V，与新电池组一致即可。 HPC的放电容量基本保持不变，锂亚硫酰氯电池循环重复的为HPC充电，直到锂亚硫酰氯电池的容量耗尽，确保电池组的使用寿命和放电容量与估算一致。这样大大提高了电池的有效容量——同时可有效解决锂亚硫酰氯电池电压延迟和大电流脉冲放电问题。

根据无线远程水表需求电池的特点，做了如下设计：计算出无线远程传输水表8年所需容量为：(511+44) *8=555 *8=4440mAh。我们考虑使用ER26500和HPC1520电池组并联供电，标称容量8500mAh。考虑到电池在冬季小电流、夏季高温下的放电效率，我们一般认为容量有效率为80%（6800mAh）。考虑到锂亚硫酰氯电池对HPC充电的效率，做了如下测试：

1. 电池组释放不同容量时电压恢复能力对比图

2. 模拟锂亚硫酰氯电池ER26500容量消耗约70%之后放电电压恢复图

3、低温条件下放电电压的恢复对比图

考虑到电池在峰值电流下的能力，进行以下测试：

为了弄清楚电池的使用特性，我们设置加快工作周期，如下表所示：

低温-10℃测试：

根据GSM远程水表需求电池的特点，做了如下设计： 2年所需容量为：(395+244+5374)*2=6013*2=12026mAh。我们考虑使用

ER34615与HPC1550并联，然后串联一个7.2V电池组供电，标称容量为19000mAh。考虑到电池在冬季小电流、夏季高温下的放电效率下降，我们一般认为容量有效率为80%（15200mAh）。我们安装了新电池组，该电池组容量仅有70%并与HPC1550并联。实际测试在极低温（-35℃）下进行了100次，设备最低工作电压维持在6V~6.5V，完全可以满足电力需求。整个电池组的有效容量可以达到13300mAh以上，完全可以满足设备使用两年的要求。

根据以上测试结果，我们的IOT电池完全可以满足水表行业的电力需求。

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