浅谈锂电辊道炉中可控硅的使用

黄一鸣

摘要：锂电池作为新能源发展的关键与基石，其相关材料的生产与制备一直以来备受关注。随着相关技术的进步与突破，辊道炉凭借高产能、低污染的优点成为了制备锂电池正负极材料的主流设备。可控硅作为电炉常用温控执行元件的一种，对其相关使用的研究对辊道炉具有重要意义。本文将围绕着基于可控硅的锂电辊道炉温控方法进行分析，介绍交流固态继电器与电力调整器这两种基于可控硅的电气元件的相关内容，对比两者优缺点并列举可控硅在工业领域中使用的相关实例。

关键词：辊道炉;可控硅;固态继电器;电力调整器

1、引言

近年来，随着两化融合、中国制造2025等国家激励政策的推动，我国锂电池生产行业得到的蓬勃的发展[1]。锂电池材料作为锂电池的基础与核心，其生产制造技术成为了行业发展的重点。

锂电池的正负极材料常用的制备方法为高温固相反应法。烧结设备作为高温固相反应的常用工业加热设备，在锂电池材料的制备过程中有着举足轻重的地位。近年来，随着相关技术的发展，由于产能高、污染低、故障少等优点，辊道炉逐渐成为锂电材料烧结设备的主流[2]。可控硅作为电炉常用温控执行元件的一种，在辊道炉设计与应用中有着广泛应用。

随着电气技术与相关设备数字化、模块化的发展。基于可控硅的交流固态继电器（SSR）与电力调整器（SCR）相继出现并开始运用到实际生产过程中。SSR凭借功率大、可靠性高、控制稳定性等优点，在工业控制上应用日益广泛。SCR电力调整器则由于数字化设计，具有丰富的参数设定、检测和完善保护功能，控制精度高，抗干扰能力强，配置灵活等优点，广泛用于工业各领域的三相电压、电流、功的控制调节[3]。

本文将围绕着基于晶闸管的锂电辊道炉电热元件控制方法进行分析研究，介绍可控硅的工作原理;说明对比交流固态继电器与可控硅电力调整器的电热控制方法，并列舉部分在工业领域中使用可控硅进行温度控制的相关应用实例。

2、可控硅相关设备工作原理

可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），也称晶闸管，是一种大功率电器元件。其分单向可控硅和双向可控硅两种。单向可控硅结构表示如下图1所示。

单向可控硅由四层半导体材料组成的，对外有三个电极：阳极A、控制极G和阴极K。当阳极A加上正向电压时，和 管处于放大状态，此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，便有电流流过，经 放大，其集电极电流。 因为的集电极直接与的基极相连，所以，此时，电的集电极电流。这个电流又流回到的基极，形成正反馈，使不断增大，使得可控硅饱和导通。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性[4]双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接[5]。这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正/负脉冲可使其正/反向导通。

固态继电器（Solid State Relay，SSR），是用半导体器件代替电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，SSR工作时只要在输入端上加上一定的控制信号，就可以控制输出端的导通和断开，实现无触点开关的作用。通常情况下开关电路采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率;另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。

可控硅电力调整器（SCR Power Controller），是一种利用可控硅及其触发控制电路来实现对负载功率的盘装功率调节的电力仪器。SCR电力调整器的基本原理是通过控制信号输入去控制串在主回路中的SCR模块，改变主回路中电压的导通与关断，由此达到调节电压或功率的目的。

在触发方式上，SSR用简单的电平控制，而SCR电力调整器需要用不间断的脉冲来不断地触发。原理本质上，SSR相当于一个高性能无触点开关，通过导通与端开状态的进行电气调节，不能进行连续的电压电流调节。SCR电力调整器可通过调节可控硅的导通角等方法，实现对电压和功率的调节。在核心电气结构上，SCR电力调整器的核心是可控硅，而固态继电器的核心是可控硅加上其对应的同步触发驱动也。应用上，用于小功率的加热时通常采用固态继电器，即使频繁通断对系统的影响与资源的浪费也较小。但在进行大功率电加热控制的时候，一般使用SCR电力调整器，以减少对电网的影响。成本上，二者相比，使用SCR电力调整器的造价更高一点。因此目前相关工业电炉领域使用固态继电器控制加热的比较多一点。

3、相关应用实例

可控硅作为目前工业电路常用的电热控制执行器件，其的在国内相关企业与机构的产生应用也是硕果累累，其中合肥恒力装备有限公司作为国内窑炉行业的龙头企业，其设计的锂电辊道炉无论在交流固态继电器还是在可控硅电力调整器的使用中均取得了一定的成果。

合肥恒力装备有限公司研制的HGS21532-1408ZN型气氛辊道炉将欧姆龙E5EC型号温控仪和希曼顿公司固态继电器应用到炉体温控电路中，实现了在氮气气氛下的锂电辊道炉炉体温度控制。该型号辊道炉炉体包含多个温区，每个温区由上下两个控温回路进行温度控制。每个控温回路采用简单的闭环控制方法，其控温回路电路如下图5。

该控温电路控制器主要由温控仪和固态继电器组成，使用热电偶进行炉内测温，硅碳棒进行炉内加热。温控仪读取热电偶采集的温度信号，使用PID算法计算并输出控制信号给固态继电器输入端，进而控制SSR输出端的通断。SSR的输出端连通着电源与加热棒，通过控制SSR的通断实现对控温回路的控制。此外，电流表、RS485通讯设备、交流接触器的加入实现对控温回路的监控与保护，从而保证了该型号锂电辊道炉加热功能的实现与完备。该型号辊道炉已经投入生产，在贵州、重庆、江苏等地的企业中均稳定且高效的生产着锂电材料。

此外该公司的HGF16330-2210ZO型气氛辊道炉则是将欧姆龙E5EC型号温控仪和台湾桦特公司的SCR电力调整器作为辊道炉温控电路的控制核心，实现了锂电辊道炉各温区控温回路的温度控制。其控温回路电路如下图6。

该型号辊道炉同样采用热电偶作为测量元件，硅碳棒作为执行元件。控温电路控制器则是由温控仪和SCR电力调整器组成。温控仪读取计算温度实际与设定的偏差，通过PID算法输出控制信号给SCR电力调整器。电力调整期控制着炉体加热丝的输出，依据温控仪的输出信号来决定对加热元件的输出。通过电流表、电压表监控加热丝的输出，并通过RS485通讯设备监控温控仪的状态与相关参数。保证了辊道炉加热的正常运行。该型号辊道炉在贵州、江苏、湖贝等地的多家企业的运行生产中中均取得了良好的效果。

4、结语

辊道炉作为当前锂电池行业材料生产的重要设备，其在新能源发展方面具有十分重要的地位。而其作为电炉的一种，可控硅的使用在辊道炉的相关电气设计中又是不可回避的问题。本文针对可控硅在相关电炉设计中的需求，介绍了当下常用可控硅电热控制元件：固态继电器与SCR电力调整器，分析了两者的优缺点，举例了国内部分厂商与机构的应用成果与方法。对未来相关研究具有一定参考价值。

参考文献

[1]苏文生，王世刚，李鹏飞.基于热平衡的锂电池材料烧结辊道炉节能技术[J].工业炉，2018，040（005）：52-54，71.

[2]徐金龙，李争，奚思.模块化在气氛辊道炉设计中的应用[J].混合微电子技术，2015，026（003）：P.109-113，117.

[3]徐兰君，谢鑫，姚元媛.浅谈电阻炉电气设计、选型及施工[J].工业加热，2017（2）.

[4]余晓军，彭庆超.CFC技术在工频感应电炉中的应用[J].云南冶金，2013（04）：75-79.

[5]徐长军，王峰，苏艳岩，张西华.双向可控硅的设计及应用[J].电子产品世界，2008（12）：33-35.