二次电池化成电能再利用装置设计

王立功

（广东技术师范学院电子与信息学院，广东 广州 510665）

二次电池化成电能再利用装置设计

王立功

（广东技术师范学院电子与信息学院，广东 广州 510665）

二次电池在生产过程中，需对电池进行化成，电池放电部分电能转化成热能释放，没有进行回收再利用。需要使用电能再利用装置改造原设备。通过分析原化成分容设备的原理结构，提出了一种方法，即使用蓄电池存储其放电过程中的能量，在充电过程使用蓄电池存储的电能为化成柜供电，以实现电能再利用。该装置电路简单，价格低廉，便于应用。

二次电池；化成；电能再利用装置

二次电池又称可充电电池，它们包括镉镍、氢镍电池、锂电池等，而氢镍电池又称绿色电池，它无毒不含有毒物质，很适应当今环保的需要，是今后国内外电池发展的趋势之一。二次电池在生产过程中一个关键的工序就是需要对生产线上装配的正、负极极片的“电池”进行“化成”，即对它进行多次定时或定压的恒流充电或放电作用[1]。在其放电过程中，目前厂家使用的化成和分容设备是将此部分电能转化热能释放，没有进行回收再利用。造成电能的浪费，生产车间温度很高，工人的工作环境受到很大的影响。仅以小型氢镍电池生产为例，我国的年生产量在14亿只以上[2]。以化成和分容共两次充放电计算，消耗电能约500万度，其再利用带来的经济和社会效益十分可观。有人提出“能量回馈”的方法，把二次电池放电过程中的电流直接逆变为单相市电，回馈电网[3]。该方法采用DSP控制系统，结构复杂，逆变并网造价高，单相并网会造成电网相间负载不均衡，回馈电流含高频分量，大量应用时污染电网，不适合小型氢镍电池化成设备使用。小型氢镍电池（AA型）生产所使用分容柜一般以32或48节电池为一个独立的充放电组，每柜一般有6～8组，实际的放电路数很多，每路的放电能量不大，应当有效的合并各回路电能，不影响各路独立的放电电流，并且把合并在一起的放电电流通过给蓄电池充电或逆变为市电，加以重新利用。使用蓄电池存储能量，并在化成充电过程中给化成电源供电，实现放电时的能量存储和充电时的能量供给，使电能得到循环利用。由于蓄电池逆变后直接给化成柜供电，并切断了市电供给，不并入电网，逆变设备简单，价格低廉，不会污染电网，不会产生“孤岛”，造成安全隐患。

1 二次电池化成电源放电回路的结构和改造思路

图1 二次电池化成电源的放电回路的结构图

二次电池的化成电源放电回路的基本结构如图1所示，已经充满电的二次电池以32或48节电池为一组，每柜一般有6～8组（现以48节电池为一组、6组为例）。电池组通过恒流电路限制电流为恒定值，而后，电流通过负载电阻RL接地，由RL以热量的形式，将电能释放掉。充盈的氢镍电池的电压一般在1.34 V左右，其放电限制电压为1.0 V，因此电池组电压（48节）在64.32 V到48 V之间。放电过程中，由于电池自身的差异性，并不是每个电池都在相同的放电时间点上放到截止电压。先放到截止电压的电池会在控制电路的作用下自动与放电回路断开，断开的电池较多时，电池组的放电电压的变化范围就会远远低于48 V。电池组放电电压变化太大，就会造成恒流电路和负载构成的放电回路，不能满足设定的恒流值的要求。一般负载电阻取值在10～30Ω，若取负载为30Ω，若放电电流为1 000mA，则在不考虑恒流电路的阻抗，电池组电压下降到30 V以下就无法维持1 000mA的放电电流。因此，在放电过程中，要进行补电，即在电池组电压下降到一定值时，串联一个电压源使放电电压保持在60 V左右。据此，电池组放电的总能量大于电池存储的能量。放电回路中，将电能转换为热能放掉的器件，不仅仅只有负载电阻，实际上，负载放掉的热量只占其中的一部分。以60 V放电电压，1 000mA放电电流为例，总放电功率为60W。负载电阻为30Ω时，负载消耗的功率为30W，恒流电路消耗的功率为30W，各占一半。如果负载电阻为10Ω时，负载消耗的功率为10W，恒流电路消耗的功率为50W。可见恒流电路耗散的功率是不可忽略的。实际的恒流电路采用大功率三极管的线性恒流电路，并安装很大的散热片，是主要的散热装置。对原设备进行改造不仅仅是简单的取消原电路中的负载电阻（电热管），电热管耗散的功率只有一部分，恒流电路耗散的功率也很大，在某些情况下，大于散热管耗散的功率，是不可忽略的。因此，恒流电路也必须同时加以改造。

电能回收的装置可以采用两种方式来实现：一是将电池的放电电流通过逆变并网装置，将低压直流电逆变为工频交流市电，并网后再利用；二是将电池放电电流存储起来，再利用于电池化成中的充电过程。这两种方法在技术上都是可行的，但是第一种方法还存在并网的法律问题和并网设备较昂贵的问题。第二种方法，仅在自己的设备内部加以改造，不存在法律问题，但是蓄电池相对较贵（比并网逆变电源还是便宜得多），还需要定期更换。权衡利弊，采用第二种方法较为合适。

2 电能再利用装置的设计

在原化成设备中增加电能再利用装置可实现电能的大部分回收再利用，该装置由电源切换单元、控制与检测单元、恒流单元、蓄电池充电与控制单元、逆变单元构成（如图2所示）。

图2 电能再利用装置的结构

电能再利用装置的功能是把电池组放电的电流，使用恒流电路使电池的放电电流为设定的值，通过蓄电池充电与控制单元把电池组放出的电能存储于蓄电池当中，当化成柜给二次电池充电时，逆变电路工作将蓄电池组的电压逆变为220 V工频交流电，给化成柜供电，当蓄电池组的电压低于电池组放电的最低电压时，逆变器停止工作。同时，将电源切换为市电供电，实现放电时的能量存储和充电时的再利用过程。

二次电池化成工艺是对二次电池进行两次充电和放电操作。在放电过程中，二次电池组通过恒流单元对放电电流进行限制为恒流，通过蓄电池充电控制单元，将二次电池放出的电能保存到蓄电池中。在这一过程中，补电单元的作用是电池组电压下降到一定幅度后，串联到电池组上，保证足够的输出电压，满足输出足够的电流。恒流单元用来限制放电电流为恒定值（该值根据化成的二次电池的类型需要设定），由于线性恒流电路的能耗很大，所以，必须对原恒流电路进行改造，使用非线性恒流电路，以减少其功耗。蓄电池充电控制电路用来检测蓄电池的充电状态，避免蓄电池过充，造成对蓄电池的损害。当蓄电池充满达到充电保护电压时，停止充电，电流切换给负载电阻RL继续放电，保证放电过程的持续和蓄电池不被损坏。一般情况下，化成工艺的过程是将安装好极片的二次电池手工卡入电池夹内，此时电池是没电的。第一个过程是充电过程，在这一过程中，蓄电池的电能释放掉了；第二个过程是电池在原电池夹内，直接放电，再给已经放空的蓄电池充电。只要选择恰当的蓄电池容量，工序上是先充后放，蓄电池充满需要切换为电热管放电的机会很少。控制与检测单元检测二次电池组的端电压，在必要时开启补电和调节补电电压为适当值；检测恒流输出的电流值，控制恒流单元的工作，使输出电流为恒定值，并显示输出电流的值和提供输出电流调节功能。

在对二次电池充电过程中，当蓄电池电压高于放电保护电压时，控制单元启动逆变单元工作，输出220 V修正正弦波交流电，控制切换单元切断市电供电，改为内供电。当控制与检测单元检测到蓄电池电压降到放电保护电压时，控制单元控制逆变停止工作，控制切换单元工作切换为市电供电，保证系统在蓄电池组亏电时，也能够正常工作。

氢镍电池的化成柜一般是由6～8组电池组组成，每一组的放电电流需要单独控制，这就需要在恒流单元之后将各组电流汇集在一起，使用串联阻流二极管后，进行合并方法的汇集（如图3所示）。

蓄电池用来存储二次电池组放电的能量。以6组，每组48节AAA型氢镍电池为例，一般电池的容量在2 000mA以下，不难算出，二次电池的放电总量可用60 Ah 12 V蓄电池存储。二次电池组放电时的电流一般在1 000mA之下，6组为6 A，恰好为蓄电池容量的1/10 C，在蓄电池充电的安全电流之下。

3 结论

该装置电路结构简单，造价较低，适合用于在没有电能回馈或再利用功能的化成柜的改造。由于成本较低，不改变原来的生产工序，比较能够被生产厂家接受。电能再利用率不低于80%，节能效果明显。装置中使用铅蓄电池作为能量存储，铅蓄电池需要3到4年更换一次，增加了使用成本，但是均摊到每年每台柜的费用在120元左右，实际费用并不算高，质量好的蓄电池一般可以用到4年以上。

[1] 韦玉科.二次电池化成电源技术的研究[J].电源技术，2011，35（4）:393-395.

[2] 张丽华.氢镍电池发展状况与前景[J].市场述评，2009，1:25-28.

[3] 王术,郗晓田,游林儒.锂动力电池化成能量回馈控制系统的研究[J].电源技术，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，硕士，副教授，主要研究方向为电力电子技术。