眾所皆知，世界各地都有廢電池，而且數量龐大，難以計數。廢電池具有污染性，若任意丟棄，將污染環境，危害生物之健康，因此世界各國政府都會立法回收廢電池，然後再加以處理。經過多方調查發現，國內外廢電池回收機構都僅回收廢電池中之金屬與塑膠材料，並未回收其中之剩餘電力。此一作法實在令人惋惜，因為在能源價格高漲的今日，電能十分寶貴，實在不應輕易浪費。根據環保署所做之統計，如圖1所示，國內廢乾電池與廢鉛酸蓄電池之回收重量每年約在3至5萬公噸之間[1]，換算成3號乾電池約有數億個之多，若換算成機車用蓄電池也大約有數千萬個，這些數字都十分龐大。廢電池的剩餘電力或許不多，但其數量龐大，累加起來必然十分可觀，因此若能予以回收再利用，必能達節能減碳之目的。

基於上述理由，本文利用電池充/放電原理與技術，製作一可回收廢電池剩餘電力之裝置。本文係使用盛群公司生產之HT46R24微控器來控制切換式升/降壓電路，將廢電池電壓升高，使其剩餘電力充至充電電池中，達到再利用之目的。除此之外，本文也以微控器來檢測電池充/放電之狀態，使廢電池與充電電池間的充/放電過程得以受到監視與保護，以維護安全。

圖一 : 　環保署廢電池回收重量統計資料

工作原理

本作品係利用微控器與電力電子降/升壓電路製作而成的[2-4]，其所採行之原理與方法說明於下。

在電池充/放電方面，本作品先利用HT66R24微控器檢測廢電池與正常電池(充電電池)之電能儲存情況，以決定廢電池是否有殘餘電能可供放電，而正常電池是否已經充飽。其次，本作品再利用利用HT46R24微控器與分壓電路檢測廢電池與正常電池之電壓，判斷彼此的高低差異，然後再利用脈波寬度調變技術來控制降/升壓電路，使廢電池電壓高於正常電池，並向其充電。為保護正常電池不會被太大的充電電流傷害，本作品採用步級電壓法來進行充電工作。此一作法係由微控器來判斷廢電池與正常電池彼此間的電壓差異，然後藉由脈波寬度調變技術以及降/升壓電路控制廢電池電壓永遠高於正常電池某一事先設定的數值，只要兩者間的電壓差偏離此一數值，則微控器會再度調升或調降廢電池電壓，使兩者間的電壓差再度回到設定值。在此一情況下，充電電流不會過大而導致正常電池損壞。如此週而復始，不斷地調整，直到廢電池的殘餘電能被釋放殆盡為止。

另外，為避免電池發生過渡充電，甚或短路之事故，本作品有監控與保護電池之功能。其工作原理係將廢電池以及正常電池間的充/放電電壓與電流訊號迴授給微控器，微控器除將這些資訊顯示於LCM 監視螢幕上以供使用者觀看之外，亦將計算正常電池可充之最大電壓值以及電流值，然後判斷目前是否有過電壓或過電流之現象。若有，則微控器將關閉降/升壓電路中之功率開關以終止充/放電工作，以確保電池之安全。

本作品最早係採用直接升壓方式來抽取廢電池之殘餘電能，其原理係利用升壓IC將廢電池升壓至一固定值，然後充電至正常電池，此一作法較簡單，成本也較低，但效果也較不佳，而且也較有危險性。因為，升壓IC不具有人工智慧，無法隨著被充電之電池電壓而改變廢電池電壓，使得一開始時廢電池電壓通常會被升得太高，導致充電電流太大，傷害到被充電之電池。而當廢電池放電之末期時，升壓IC也無力在將廢電池電壓上升，使得廢電池之殘餘電力難以有效地被抽取出來。由於如此，本作品乃改採用微控器做為整個電路之核心，使廢電池殘餘電能的抽取得以更有效，充電過程也更安全。

本創作已於2011年10月21日獲得經濟部智慧財產局新型專利，證號：M414669，專利名稱：廢電池電能回收系統。本創作並發表在2011機電整合科技應用研討會中，題目是「廢電池剩餘電力回收裝置之實現」。

作品結構

硬體架構

圖二為本文所提之廢電池剩餘電力回收裝置架構方塊圖，其中電源電路係用來提供微控器、降/升壓電路以及LCM顯示螢幕所需之電力。LCM顯示螢幕係用來顯示廢電池與被充電電池之間的充/放電訊息，以供使用者觀看。若無觀看之必要，使用者可關閉此一螢幕，以節省電力。微控器係為整個電路之核心，用以判斷廢電池之剩餘電力、掌控降/升壓電路之調壓情況以及決定整個電路之充/放電過程等。降/升壓電路係用來調整廢電池之輸出電壓使其適度地高於被充電電池之電壓，以便將剩餘電力充入後者。於分壓電路則可在本文對大型且高壓的廢電池進行剩餘電力回收工作時予以分壓，以免過高的電壓輸入微控器而使其受損。此一裝置之工作原理說明於下。

圖二 : 　廢電池剩餘電力回收裝置之架構方塊圖

首先利用微控器檢測廢電池與正常電池(充電電池)之電壓，以決定廢電池是否有剩餘電力可供放電，而正常電池是否已經充飽。其次，本文再利用微控器判斷廢電池與正常電池間之電壓的高低差異，然後再利用脈波寬度調變技術來控制降/升壓電路，使廢電池電壓高於正常電池，並向其充電。為保護正常電池不會被太大的充電電流傷害，本文採用步級電壓法來進行充電工作。此一作法係由微控器來判斷廢電池與正常電池彼此間的電壓差異，然後藉由脈波寬度調變技術以及降/升壓電路控制廢電池電壓永遠高於正常電池某一事先設定的數值，只要兩者間的電壓差偏離此一數值，則微控器會再度調升或調降廢電池電壓，使兩者間的電壓差再度回到設定值。在此一情況下，充電電流不會過大而導致正常電池損壞。如此週而復始，不斷地調整，直到廢電池的剩餘電力大部分被釋放出來為止。

另外，為避免電池發生過渡充電，甚或短路之事故，本文有監控與保護電池之功能。其工作原理係將廢電池以及正常電池間的充/放電電壓與電流訊號迴授給微控器，以判斷廢電池與充電電池間之電壓值以及電流值是否有過電壓或過電流之現象。若有，則微控器將關閉降/升壓電路中之功率開關，以終止充/放電工作，確保電池之安全。

軟體架構

圖3為廢電池剩餘電力回收裝置之工作流程。當該裝置之啟動開關被啟動之後，內建於微控器之程式開始藉由分壓電路讀取廢電池以及被充電之電池電壓，並檢測兩者之電能。若廢電池之剩餘電力太少，低於設定值，則此一電能抽取工作立即終止；若廢電池之剩餘電力高於設定值，則進行下一步，判斷被充電電池之電能是高於設定值，若是則表示已充飽，此時立即終止工作流程；若否，則進行下一步。微控器判斷廢電池以及被充電電池兩者電壓大小，並計算其差值。若廢電池電壓高於被充電電池，則調控降/升壓電路使其電壓下降，直到兩者電壓差等於設定值；若廢電池電壓低於被充電電池，則調控降/升壓電路使其電壓上升，直到兩者電壓差等於設定值。當廢電池電壓高於被充電電池且兩者電壓差等於設定值時，微控器讓廢電池之電能充入被充電電池。若兩者電壓差偏離設定值，則微控器再度調控降/升壓電路使兩者電壓差再度回到設定值。若充電電池電壓達到目標值，表示其已充飽，則微控器終止此一充電工作；若廢電池電壓低於目標值，表示其已無剩餘電力，則微控器亦終止此一充電工作。

圖三 : 　廢電池剩餘電力回收裝置之工作流程

測試方法

本文已完成廢電池剩餘電力回收裝置之製作工作，其實際測試結果描述如下。

本文首先將四個3號廢乾電池串連起來，置於放電電池槽裡，做為充/放電路之輸入電源。其次將四個3號充電電池串連起來，置於充電電池槽裡，做為充/放電路之負載。圖4廢電池在未放電前的波形及電壓值，其串連電壓平均值為3.99V，每個廢電池電壓約為1V。經過4個多小時的放電之後，廢電池串連電壓降至2.35V，如圖5，亦即每個廢電池電壓約為0.6V。

圖四 : 　廢電池放電前之串連電壓值

圖五 : 　廢電池放電後之串連電壓值

圖6充電電池在未充電前的波形及電壓值，其串連電壓平均值為3.74V，每個充電電池電壓約為0.93V。同理，被充電端的電池原本是3.76V經過4小時充電後，經過4個多小時的充電電之後，充電電池連電壓升至4.88V，如圖7示，亦即每個充電電池電壓約為1.22V。觀察這些電壓的變化即知廢電池之剩餘電力已被抽取出來充至充電電池中。

圖六 : 　充電電池放電前之串連電壓值

圖七 : 　充電電池放電後之串連電壓值壓

結論

本文已經完成廢電池剩餘電力回收裝置之製作工作，此一裝置係以微控器HT46R24為核心，結合降/升壓電路來達抽取廢電池剩餘電力，以達能源再利用之目的。本裝置可回收一般廢乾電池以及蓄電池之剩餘電力，未來可應用在廢電池回收站或工廠之中，以大量地回收廢電池剩餘電力。除此之外，本裝置未來也可應用在電動車充電站中，用以回收廢蓄電池之剩餘電力，並充至正常電動車電池之中，以供再利用。本裝置不僅對廢電池回收工作有所幫助，對於國家節能減碳政策之推動亦有實質的貢獻。

(本文作者楊文治副教授、黃科智生為臺北城市科技大學電機工程系師生)

誌謝

本論文為國科會之研究成果，計畫編號NSC-100-2815-C-149-012-E，作者在此特申謝忱。

參考文獻