油田通信電源蓄電池充電研究

王瑤 王偉（北京石油化工學院機械工程學院）

通信電源是通信設備提供交直流電的電能源，要保證通信網絡的通暢，蓄電池是必不可少的環節[1]。通過蓄電池性能對比分析及考慮油田對電氣設備的防爆性能等要求，選擇鎳氫電池作為蓄電池的材料。常規鎳氫電池的充電方式一般是恒流充電，這種方式會導致在開始充電時，充電電流達不到電池可接受的最大值，隨著電池充電過程的進行，電流逐漸超過電池的可接受值，將會導致電池出現極化現象，并且產生大量熱量[2]。這種充電方式不僅產生了能量的極大浪費，而且容易導致電池過充，損壞電池。因此，采用智能充電方式是勢在必行的。但由于鎳氫電池本身是一個具有復雜性和離散性的多變量非線性系統[3]，將模糊控制引入鎳氫電池充電過程中，對復雜的充電過程進行優化控制，使電池能夠按照理想方式進行充電，以提高工作效率，延長電池的使用壽命，并且充分發揮充電設備的利用率。

1 鎳氫電池的充電特性

電池充電電路是油田通信基站備用電源的核心部分之一，而電池充電方案的選擇與電池充電曲線緊密相關，所以對鎳氫電池充電曲線進行分析是十分重要的。鎳氫電池的充電電壓曲線在大體上可以分為三段：其充電電壓曲線如圖1 所示。第一階段，電池此時電量已經被放空，將恒定電流充入，隨著內阻增大，在一小段時間后電壓到達A 點。接下來電池存儲電荷，電壓開始緩慢增長。處于AB區間時， O2的產生速度與O2同H2的化合速度相同。此時電池內溫與電壓都處于較低水平。第二階段，在BC 區間后半段，電池內出現氣泡，極板表面氣泡開始累積，有效面積減小，內阻增大，電壓開始快速增長，電池將要充滿。第三階段，經過一定時間到達C 點后，電池已經充滿，在電極表面所吸附的氫原子數量趨于飽和，吸附氫原子能力下降，電壓值到達峰值不再增加，電壓開始負增長。同時由于電解液開始電解出O2，電池的溫度與壓力顯著上升，電池進入過充電狀態。因此，對鎳氫電池采用合理的充電方式，可以使其避免過充現象降低使用壽命，提高電池利用率。

圖1 鎳氫電池充電特性曲線

2 充電電路設計

考慮到通信基站不間斷供電的重要性，所以設計蓄電池至少可以提供2 h 的供電。經過分析，選用Twicell 系列的 HR-4/3FAU 其容量分別為4 500 mAh，循環壽命可達1 000 次以上，在滿足需求的前提下，有效提高了備用電源的可靠性。采用MAX712 芯片作為控制核心，可以作為鎳氫電池充電管理電路。充電電路原理圖如圖2 所示。管腳 1 （VLIMEIT）控制著被充電的蓄電池組的最大電壓，根據分析可知，其相當于每節電池的最大電壓，接到 V+則設定為 1.65 V，接到VREF 則設定為2 V。考慮到電壓波動和余量，此次設計將其接到 VREF。管腳 5、 6、 7 是關于溫度控制的管腳，由于本次設計采用電壓梯度檢測機制，不使用溫度檢測，故分別將管腳 5、 6、 7 接到 V+、BATT-， VREF。管腳8 接一個上拉電阻和一個發光二極管與+5 V 電源，根據其負邏輯的特性，實現對快速充電狀態的顯示。管腳11（CC）則是外接補償電容，查閱數據手冊可知其補償電容應大于 5 nF，現將其外接10 nF。管腳14（DRV）外接一個PNP 管，控制充電電流。其中PNP 功率管選用 TIP42 型 的 ， 其 主 要 參 數 為 PCM=65 W、VCBO=40 V、 IC=6 A，都完全滿足設計需要。 D1是一個起到阻塞作用的二極管，以防止由于三極管的導通電流而影響其正常偏置。經過對比二極管型號表，最終決定選用5 A/50 V 的BY550-50 型整流二極管。兩個發光二極管型號則分別選用BT103和BT203，用于作為正在充電和快速充電狀態的指示燈。其余器件參數值均使用數據手冊中經典電路參數值進行設計。

3 模糊控制設計

模糊控制器是模糊控制系統的核心，它的設計需要以下幾個方面：模糊控制器的結構、采用的模糊規則和合成推理算法等[4]。根據分析，本系統采用二維模糊控制器[5]，以誤差e和誤差變化率e˙作為輸入量，以控制量的變化u作為輸出變量。模糊控制器結構如圖3 所示。設電池充電的設定電壓值為Ust，電池充電電壓檢測值為Udc，電池的充電電流值為Idc，則系統的偏差e=Ust-Udc；系統偏差變 化 率e˙ =de dt=du dt； 電 池 的 充 電 電 流。其中，當前輸出的充電電流的大小取決于上一次輸出的充電電流與本次模糊運算得到的電流增量之和。

圖2 充電電路原理

圖3 電池模糊充電控制器結構框圖

由于電池在充電過程中偏差e和系統偏差率e˙變化較大，不太均勻，為了便于系統的設計與控制，根據電池充電曲線的特點分析，在參數的模糊化處理上[6]，采取了對系統偏差e和系統偏差率e˙均做非均勻模糊化處理。經過處理后，輸入量e、e˙和輸出變量r的基本論域分別記為 [-e，e]，[-e˙，e˙]和 [-r，r]，輸入量e的語言變量為E，變化率e˙的語言變量為EC，輸出變量r的語言變量為R，并將各變量所對應的語言值模糊子集均選為[NB， NM，NS，ZE，PS，PM，PB]，其中，NB 表示負大，NM 表示負中，NS 表示負小，ZE 表示零，PS 表示正小，PM 表示正中，PB 表示正大。為了便于實現和保證系統可靠運行，采用三角形隸屬度函數[7]，建立模糊控制規則見表1。

表1 電池充電模糊控制規則

4 實驗效果

用18 V 鎳氫電池作充電實驗，分別用傳統的控制方式和模糊控制進行充電，得到充電曲線。采用傳統控制方法充電約8 min 后電壓升至最高點，此后進入補充充電（圖4）。采用模糊控制方法充電初期電壓變化較快，當充電約6 min 后電壓升至最高點（圖5），此后進行涓流充電，補足電流。分析可知，蓄電池充電時采用模糊控制充電時可以縮短充電時間，在對于容量較大的電池進行充電時優勢更為突出。

圖4 采用傳統控制方式充電電壓變化曲線

圖5 采用模糊控制方式充電電壓變化曲線

5 結論

本文采用模糊控制理論對鎳氫蓄電池的充電過程進行控制，并采用電壓零增量控制法控制快速充電的結束，使電池進入涓流充電狀態。該控制方法縮短了鎳氫電池的充電時間，有效地提高了供電可靠性；同時可防止電池長時間過充，避免了電池過熱現象的發生，從而提高了電池的壽命和使用安全，有效降低了電池的能耗。該方法在電源可靠性、安全性及節能環保方面與傳統方法相比都有較大的提升，可以為油田等易燃易爆場合的通信電源設計提供參考和借鑒。