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【作者: 楊文治副教授、黃科智生】2012年07月11日 星期三

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众所皆知,世界各地都有废电池,而且数量庞大,难以计数。废电池具有污染性,若任意丢弃,将污染环境,危害生物之健康,因此世界各国政府都会立法回收废电池,然后再加以处理。经过多方调查发现,国内外废电池回收机构都仅回收废电池中之金属与塑胶材料,并未回收其中之剩余电力。此一作法实在令人惋惜,因为在能源价格高涨的今日,电能十分宝贵,实在不应轻易浪费。根据环保署所做之统计,如图1所示,国内废干电池与废铅酸蓄电池之回收重量每年约在3至5万公吨之间[1],换算成3号干电池约有数亿个之多,若换算成机车用蓄电池也大约有数千万个,这些数字都十分庞大。废电池的剩余电力或许不多,但其数量庞大,累加起来必然十分可观,因此若能予以回收再利用,必能达节能减碳之目的。


基于上述理由,本文利用电池充/放电原理与技术,制作一可回收废电池剩余电力之装置。本文系使用盛群公司生产之HT46R24微控器來控制切换式升/降压电路,将废电池电压升高,使其剩余电力充至充电电池中,达到再利用之目的。除此之外,本文也以微控器來检测电池充/放电之狀态,使废电池与充电电池间的充/放电过程得以受到监视与保护,以维护安全。



图一 : 环保署废电池回收重量统计数据
图一 : 环保署废电池回收重量统计数据

工作原理

本作品是利用微控器与电力电子降/升压电路制作而成的[2-4],其所采行之原理与方法说明于下。


在电池充/放电方面,本作品先利用HT66R24微控器检测废电池与正常电池(充电电池)之电能储存情况,以决定废电池是否有残余电能可供放电,而正常电池是否已经充饱。其次,本作品再利用利用HT46R24微控器与分压电路检测废电池与正常电池之电压,判断彼此的高低差异,然后再利用脉波宽度调变技术來控制降/升压电路,使废电池电压高于正常电池,并向其充电。为保护正常电池不会被太大的充电电流伤害,本作品采用步级电压法來进行充电工作。此一作法系由微控器来判断废电池与正常电池彼此间的电压差异,然后藉由脉波宽度调变技术以及降/升压电路控制废电池电压永远高于正常电池某一事先设定的数值,只要两者间的电压差偏离此一数值,则微控器会再度调升或调降废电池电压,使两者间的电压差再度回到设定值。在此一情况下,充电电流不会过大而导致正常电池损坏。如此周而复始,不断地调整,直到废电池的残余电能被释放殆尽为止。


另外,为避免电池发生过渡充电,甚或短路之事故,本作品有监控与保护电池之功能。其工作原理系将废电池以及正常电池间的充/放电电压与电流讯号回授给微控器,微控器除将这些资讯显示于LCM 监视萤幕上以供使用者观看之外,亦将计算正常电池可充之最大电压值以及电流值,然后判断目前是否有过电压或过电流之现象。若有,则微控器将关闭降/升压电路中之功率开关以终止充/放电工作,以确保电池之安全。


本作品最早系采用直接升压方式来抽取废电池之残余电能,其原理系利用升压IC将废电池升压至一固定值,然后充电至正常电池,此一作法较简单,成本也较低,但效果也较不佳,而且也较有危险性。因为,升压IC不具有人工智慧,无法随着被充电之电池电压而改变废电池电压,使得一开始时废电池电压通常会被升得太高,导致充电电流太大,伤害到被充电之电池。而当废电池放电之末期时,升压IC也无力在将废电池电压上升,使得废电池之残余电力难以有效地被抽取出来。由于如此,本作品乃改采用微控器做为整个电路之核心,使废电池残余电能的抽取得以更有效,充电过程也更安全。


本创作已于2011年10月21日获得经济部智慧财产局新型专利,证号:M414669,专利名称:废电池电能回收系统。本创作并发表在2011机电整合科技应用研讨会中,题目是「废电池剩余电力回收装置之实现」。


作品结构

硬体架构

图二为本文所提之废电池剩余电力回收装置架构方块图,其中电源电路系用来提供微控器、降/升压电路以及LCM显示萤幕所需之电力。 LCM显示萤幕系用来显示废电池与被充电电池之间的充/放电讯息,以供使用者观看。若无观看之必要,使用者可关闭此一萤幕,以节省电力。微控器系为整个电路之核心,用以判断废电池之剩余电力、掌控降/升压电路之调压情况以及决定整个电路之充/放电过程等。降/升压电路系用来调整废电池之输出电压使其适度地高于被充电电池之电压,以便将剩余电力充入后者。于分压电路则可在本文对大型且高压的废电池进行剩余电力回收工作时予以分压,以免过高的电压输入微控器而使其受损。此一装置之工作原理说明于下。


图二 : 废电池剩余电力回收装置之架构方块图
图二 : 废电池剩余电力回收装置之架构方块图

首先利用微控器检测废电池与正常电池(充电电池)之电压,以决定废电池是否有剩余电力可供放电,而正常电池是否已经充饱。其次,本文再利用微控器判断废电池与正常电池间之电压的高低差异,然后再利用脉波宽度调变技术來控制降/升压电路,使废电池电压高于正常电池,并向其充电。为保护正常电池不会被太大的充电电流伤害,本文采用步级电压法來进行充电工作。此一作法系由微控器来判断废电池与正常电池彼此间的电压差异,然后藉由脉波宽度调变技术以及降/升压电路控制废电池电压永远高于正常电池某一事先设定的数值,只要两者间的电压差偏离此一数值,则微控器会再度调升或调降废电池电压,使两者间的电压差再度回到设定值。在此一情况下,充电电流不会过大而导致正常电池损坏。如此周而复始,不断地调整,直到废电池的剩余电力大部分被释放出来为止。


另外,为避免电池发生过渡充电,甚或短路之事故,本文有监控与保护电池之功能。其工作原理系将废电池以及正常电池间的充/放电电压与电流讯号回授给微控器,以判断废电池与充电电池间之电压值以及电流值是否有过电压或过电流之现象。若有,则微控器将关闭降/升压电路中之功率开关,以终止充/放电工作,确保电池之安全。


软体架构

图3为废电池剩余电力回收装置之工作流程。当该装置之启动开关被启动之后,内建于微控器之程式开始藉由分压电路读取废电池以及被充电之电池电压,并检测两者之电能。若废电池之剩余电力太少,低于设定值,则此一电能抽取工作立即终止;若废电池之剩余电力高于设定值,则进行下一步,判断被充电电池之电能是高于设定值,若是则表示已充饱,此时立即终止工作流程;若否,则进行下一步。微控器判断废电池以及被充电电池两者电压大小,并计算其差值。若废电池电压高于被充电电池,则调控降/升压电路使其电压下降,直到两者电压差等于设定值;若废电池电压低于被充电电池,则调控降/升压电路使其电压上升,直到两者电压差等于设定值。当废电池电压高于被充电电池且两者电压差等于设定值时,微控器让废电池之电能充入被充​​电电池。若两者电压差偏离设定值,则微控器再度调控降/升压电路使两者电压差再度回到设定值。若充电电池电压达到目标值,表示其已充饱,则微控器终止此一充电工作;若废电池电压低于目标值,表示其已无剩余电力,则微控器亦终止此一充电工作。


图三 : 废电池剩余电力回收装置之工作流程
图三 : 废电池剩余电力回收装置之工作流程

测试方法

本文已完成废电池剩余电力回收装置之制作工作,其实际测试结果描述如下。


本文首先将四个3号废干电池串连起来,置于放电电池槽里,做为充/放电路之输入电源。其次将四个3号充电电池串连起来,置于充电电池槽里,做为充/放电路之负载。图4废电池在未放电前的波形及电压值,其串连电压平均值为3.99V,每个废电池电压约为1V。经过4个多小时的放电之后,废电池串连电压降至2.35V,如图5,亦即每个废电池电压约为0.6V。


图四 : 废电池放电前之串连电压值
图四 : 废电池放电前之串连电压值
图五 : 废电池放电后之串连电压值
图五 : 废电池放电后之串连电压值

图6充电电池在未充电前的波形及电压值,其串连电压平均值为3.74V,每个充电电池电压约为0.93V。同理,被充电端的电池原本是3.76V经过4小时充电后,经过4个多小时的充电电之后,充电电池连电压升至4.88V,如图7示,亦即每个充电电池电压约为1.22V。观察这些电压的变化即知废电池之剩余电力已被抽取出来充至充电电池中。


图六 : 充电电池放电前之串连电压值
图六 : 充电电池放电前之串连电压值
图七 : 充电电池放电后之串连电压值压
图七 : 充电电池放电后之串连电压值压

结论

本文已经完成废电池剩余电力回收装置之制作工作,此一装置系以微控器HT46R24为核心,结合降/升压电路来达抽取废电池剩余电力,以达能源再利用之目的。本装置可回收一般废干电池以及蓄电池之剩余电力,未来可应用在废电池回收站或工厂之中,以大量地回收废电池剩余电力。除此之外,本装置未来也可应用在电动车充电站中,用以回收废蓄电池之剩余电力,并充至正常电动车电池之中,以供再利用。本装置不仅对废电池回收工作有所帮助,对于国家节能减碳政策之推动亦有实质的贡献。


(本文作者杨文治副教授、黄科智生为台北城市科技大学电机工程系师生)


志谢

本论文为国科会之研究成果,计画编号NSC-100-2815-C-149-012-E,作者在此特申谢忱。


参考文献

  • [1].环保署,「废铅酸蓄电池回收贮存清除处理方法及设施标准」,民国99 年。


  • [2].涂鸿诚,「可显示充电时间和电压之电池充电器」,逢甲大学硕士论文。民国93 年。


  • [3].张佐宇,「电动車充电系统与蓄电池充电容量之检测分析」,国立台湾大学硕士論文,民国88 年。


  • [4].M. U. Robbins, Power Electronics, Third Edition, John & Sons, Inc,2008。


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