二次電池化成電能再利用裝置設計

王立功

（廣東技術師范學院電子與信息學院，廣東 廣州 510665）

二次電池化成電能再利用裝置設計

王立功

（廣東技術師范學院電子與信息學院，廣東 廣州 510665）

二次電池在生產過程中，需對電池進行化成，電池放電部分電能轉化成熱能釋放，沒有進行回收再利用。需要使用電能再利用裝置改造原設備。通過分析原化成分容設備的原理結構，提出了一種方法，即使用蓄電池存儲其放電過程中的能量，在充電過程使用蓄電池存儲的電能為化成柜供電，以實現電能再利用。該裝置電路簡單，價格低廉，便于應用。

二次電池；化成；電能再利用裝置

二次電池又稱可充電電池，它們包括鎘鎳、氫鎳電池、鋰電池等，而氫鎳電池又稱綠色電池，它無毒不含有毒物質，很適應當今環保的需要，是今后國內外電池發展的趨勢之一。二次電池在生產過程中一個關鍵的工序就是需要對生產線上裝配的正、負極極片的“電池”進行“化成”，即對它進行多次定時或定壓的恒流充電或放電作用[1]。在其放電過程中，目前廠家使用的化成和分容設備是將此部分電能轉化熱能釋放，沒有進行回收再利用。造成電能的浪費，生產車間溫度很高，工人的工作環境受到很大的影響。僅以小型氫鎳電池生產為例，我國的年生產量在14億只以上[2]。以化成和分容共兩次充放電計算，消耗電能約500萬度，其再利用帶來的經濟和社會效益十分可觀。有人提出“能量回饋”的方法，把二次電池放電過程中的電流直接逆變為單相市電，回饋電網[3]。該方法采用DSP控制系統，結構復雜，逆變并網造價高，單相并網會造成電網相間負載不均衡，回饋電流含高頻分量，大量應用時污染電網，不適合小型氫鎳電池化成設備使用。小型氫鎳電池（AA型）生產所使用分容柜一般以32或48節電池為一個獨立的充放電組，每柜一般有6～8組，實際的放電路數很多，每路的放電能量不大，應當有效的合并各回路電能，不影響各路獨立的放電電流，并且把合并在一起的放電電流通過給蓄電池充電或逆變為市電，加以重新利用。使用蓄電池存儲能量，并在化成充電過程中給化成電源供電，實現放電時的能量存儲和充電時的能量供給，使電能得到循環利用。由于蓄電池逆變后直接給化成柜供電，并切斷了市電供給，不并入電網，逆變設備簡單，價格低廉，不會污染電網，不會產生“孤島”，造成安全隱患。

1 二次電池化成電源放電回路的結構和改造思路

圖1 二次電池化成電源的放電回路的結構圖

二次電池的化成電源放電回路的基本結構如圖1所示，已經充滿電的二次電池以32或48節電池為一組，每柜一般有6～8組（現以48節電池為一組、6組為例）。電池組通過恒流電路限制電流為恒定值，而后，電流通過負載電阻RL接地，由RL以熱量的形式，將電能釋放掉。充盈的氫鎳電池的電壓一般在1.34 V左右，其放電限制電壓為1.0 V，因此電池組電壓（48節）在64.32 V到48 V之間。放電過程中，由于電池自身的差異性，并不是每個電池都在相同的放電時間點上放到截止電壓。先放到截止電壓的電池會在控制電路的作用下自動與放電回路斷開，斷開的電池較多時，電池組的放電電壓的變化范圍就會遠遠低于48 V。電池組放電電壓變化太大，就會造成恒流電路和負載構成的放電回路，不能滿足設定的恒流值的要求。一般負載電阻取值在10～30Ω，若取負載為30Ω，若放電電流為1 000mA，則在不考慮恒流電路的阻抗，電池組電壓下降到30 V以下就無法維持1 000mA的放電電流。因此，在放電過程中，要進行補電，即在電池組電壓下降到一定值時，串聯一個電壓源使放電電壓保持在60 V左右。據此，電池組放電的總能量大于電池存儲的能量。放電回路中，將電能轉換為熱能放掉的器件，不僅僅只有負載電阻，實際上，負載放掉的熱量只占其中的一部分。以60 V放電電壓，1 000mA放電電流為例，總放電功率為60W。負載電阻為30Ω時，負載消耗的功率為30W，恒流電路消耗的功率為30W，各占一半。如果負載電阻為10Ω時，負載消耗的功率為10W，恒流電路消耗的功率為50W。可見恒流電路耗散的功率是不可忽略的。實際的恒流電路采用大功率三極管的線性恒流電路，并安裝很大的散熱片，是主要的散熱裝置。對原設備進行改造不僅僅是簡單的取消原電路中的負載電阻（電熱管），電熱管耗散的功率只有一部分，恒流電路耗散的功率也很大，在某些情況下，大于散熱管耗散的功率，是不可忽略的。因此，恒流電路也必須同時加以改造。

電能回收的裝置可以采用兩種方式來實現：一是將電池的放電電流通過逆變并網裝置，將低壓直流電逆變為工頻交流市電，并網后再利用；二是將電池放電電流存儲起來，再利用于電池化成中的充電過程。這兩種方法在技術上都是可行的，但是第一種方法還存在并網的法律問題和并網設備較昂貴的問題。第二種方法，僅在自己的設備內部加以改造，不存在法律問題，但是蓄電池相對較貴（比并網逆變電源還是便宜得多），還需要定期更換。權衡利弊，采用第二種方法較為合適。

2 電能再利用裝置的設計

在原化成設備中增加電能再利用裝置可實現電能的大部分回收再利用，該裝置由電源切換單元、控制與檢測單元、恒流單元、蓄電池充電與控制單元、逆變單元構成（如圖2所示）。

圖2 電能再利用裝置的結構

電能再利用裝置的功能是把電池組放電的電流，使用恒流電路使電池的放電電流為設定的值，通過蓄電池充電與控制單元把電池組放出的電能存儲于蓄電池當中，當化成柜給二次電池充電時，逆變電路工作將蓄電池組的電壓逆變為220 V工頻交流電，給化成柜供電，當蓄電池組的電壓低于電池組放電的最低電壓時，逆變器停止工作。同時，將電源切換為市電供電，實現放電時的能量存儲和充電時的再利用過程。

二次電池化成工藝是對二次電池進行兩次充電和放電操作。在放電過程中，二次電池組通過恒流單元對放電電流進行限制為恒流，通過蓄電池充電控制單元，將二次電池放出的電能保存到蓄電池中。在這一過程中，補電單元的作用是電池組電壓下降到一定幅度后，串聯到電池組上，保證足夠的輸出電壓，滿足輸出足夠的電流。恒流單元用來限制放電電流為恒定值（該值根據化成的二次電池的類型需要設定），由于線性恒流電路的能耗很大，所以，必須對原恒流電路進行改造，使用非線性恒流電路，以減少其功耗。蓄電池充電控制電路用來檢測蓄電池的充電狀態，避免蓄電池過充，造成對蓄電池的損害。當蓄電池充滿達到充電保護電壓時，停止充電，電流切換給負載電阻RL繼續放電，保證放電過程的持續和蓄電池不被損壞。一般情況下，化成工藝的過程是將安裝好極片的二次電池手工卡入電池夾內，此時電池是沒電的。第一個過程是充電過程，在這一過程中，蓄電池的電能釋放掉了；第二個過程是電池在原電池夾內，直接放電，再給已經放空的蓄電池充電。只要選擇恰當的蓄電池容量，工序上是先充后放，蓄電池充滿需要切換為電熱管放電的機會很少。控制與檢測單元檢測二次電池組的端電壓，在必要時開啟補電和調節補電電壓為適當值；檢測恒流輸出的電流值，控制恒流單元的工作，使輸出電流為恒定值，并顯示輸出電流的值和提供輸出電流調節功能。

在對二次電池充電過程中，當蓄電池電壓高于放電保護電壓時，控制單元啟動逆變單元工作，輸出220 V修正正弦波交流電，控制切換單元切斷市電供電，改為內供電。當控制與檢測單元檢測到蓄電池電壓降到放電保護電壓時，控制單元控制逆變停止工作，控制切換單元工作切換為市電供電，保證系統在蓄電池組虧電時，也能夠正常工作。

氫鎳電池的化成柜一般是由6～8組電池組組成，每一組的放電電流需要單獨控制，這就需要在恒流單元之后將各組電流匯集在一起，使用串聯阻流二極管后，進行合并方法的匯集（如圖3所示）。

蓄電池用來存儲二次電池組放電的能量。以6組，每組48節AAA型氫鎳電池為例，一般電池的容量在2 000mA以下，不難算出，二次電池的放電總量可用60 Ah 12 V蓄電池存儲。二次電池組放電時的電流一般在1 000mA之下，6組為6 A，恰好為蓄電池容量的1/10 C，在蓄電池充電的安全電流之下。

3 結論

該裝置電路結構簡單，造價較低，適合用于在沒有電能回饋或再利用功能的化成柜的改造。由于成本較低，不改變原來的生產工序，比較能夠被生產廠家接受。電能再利用率不低于80%，節能效果明顯。裝置中使用鉛蓄電池作為能量存儲，鉛蓄電池需要3到4年更換一次，增加了使用成本，但是均攤到每年每臺柜的費用在120元左右，實際費用并不算高，質量好的蓄電池一般可以用到4年以上。

[1] 韋玉科.二次電池化成電源技術的研究[J].電源技術，2011，35（4）:393-395.

[2] 張麗華.氫鎳電池發展狀況與前景[J].市場述評，2009，1:25-28.

[3] 王術,郗曉田,游林儒.鋰動力電池化成能量回饋控制系統的研究[J].電源技術，2011，35（4）:392-395.

Design of electric energy recycling device of rechargeable battery formation

WANG Li-gong
(College ofElectrical Engineering＆Information,Guangdong Polytechnic NormalUniversity,Guangzhou Guangdong 510665,China)

In the production of rechargeable batteries,the battery formation is needed,and heat energy released by the battery in discharge process is not recycled.The original equipment was modified by the electric energy recycling device.To analyze the structure and principle of original equipment,a kind of method was put forward,namely,the discharged energy was stored in the battery and in the charging process,and the stored energy was used to provide energy to formation equipment to realize the energy recycling.The equipment is easy to use with simple circuit and low cost.

rechargeable battery;formation;electric energy recycling device

TM 912

A

1002-087 X(2013)11-1997-02

2013-04-19

王立功（1966—），男，河南省人，碩士，副教授，主要研究方向為電力電子技術。