油田通信电源蓄电池充电研究

王瑶 王伟（北京石油化工学院机械工程学院）

通信电源是通信设备提供交直流电的电能源，要保证通信网络的通畅，蓄电池是必不可少的环节[1]。通过蓄电池性能对比分析及考虑油田对电气设备的防爆性能等要求，选择镍氢电池作为蓄电池的材料。常规镍氢电池的充电方式一般是恒流充电，这种方式会导致在开始充电时，充电电流达不到电池可接受的最大值，随着电池充电过程的进行，电流逐渐超过电池的可接受值，将会导致电池出现极化现象，并且产生大量热量[2]。这种充电方式不仅产生了能量的极大浪费，而且容易导致电池过充，损坏电池。因此，采用智能充电方式是势在必行的。但由于镍氢电池本身是一个具有复杂性和离散性的多变量非线性系统[3]，将模糊控制引入镍氢电池充电过程中，对复杂的充电过程进行优化控制，使电池能够按照理想方式进行充电，以提高工作效率，延长电池的使用寿命，并且充分发挥充电设备的利用率。

1 镍氢电池的充电特性

电池充电电路是油田通信基站备用电源的核心部分之一，而电池充电方案的选择与电池充电曲线紧密相关，所以对镍氢电池充电曲线进行分析是十分重要的。镍氢电池的充电电压曲线在大体上可以分为三段：其充电电压曲线如图1 所示。第一阶段，电池此时电量已经被放空，将恒定电流充入，随着内阻增大，在一小段时间后电压到达A 点。接下来电池存储电荷，电压开始缓慢增长。处于AB区间时， O2的产生速度与O2同H2的化合速度相同。此时电池内温与电压都处于较低水平。第二阶段，在BC 区间后半段，电池内出现气泡，极板表面气泡开始累积，有效面积减小，内阻增大，电压开始快速增长，电池将要充满。第三阶段，经过一定时间到达C 点后，电池已经充满，在电极表面所吸附的氢原子数量趋于饱和，吸附氢原子能力下降，电压值到达峰值不再增加，电压开始负增长。同时由于电解液开始电解出O2，电池的温度与压力显著上升，电池进入过充电状态。因此，对镍氢电池采用合理的充电方式，可以使其避免过充现象降低使用寿命，提高电池利用率。

图1 镍氢电池充电特性曲线

2 充电电路设计

考虑到通信基站不间断供电的重要性，所以设计蓄电池至少可以提供2 h 的供电。经过分析，选用Twicell 系列的 HR-4/3FAU 其容量分别为4 500 mAh，循环寿命可达1 000 次以上，在满足需求的前提下，有效提高了备用电源的可靠性。采用MAX712 芯片作为控制核心，可以作为镍氢电池充电管理电路。充电电路原理图如图2 所示。管脚 1 （VLIMEIT）控制着被充电的蓄电池组的最大电压，根据分析可知，其相当于每节电池的最大电压，接到 V+则设定为 1.65 V，接到VREF 则设定为2 V。考虑到电压波动和余量，此次设计将其接到 VREF。管脚 5、 6、 7 是关于温度控制的管脚，由于本次设计采用电压梯度检测机制，不使用温度检测，故分别将管脚 5、 6、 7 接到 V+、BATT-， VREF。管脚8 接一个上拉电阻和一个发光二极管与+5 V 电源，根据其负逻辑的特性，实现对快速充电状态的显示。管脚11（CC）则是外接补偿电容，查阅数据手册可知其补偿电容应大于 5 nF，现将其外接10 nF。管脚14（DRV）外接一个PNP 管，控制充电电流。其中PNP 功率管选用 TIP42 型 的 ， 其 主 要 参 数 为 PCM=65 W、VCBO=40 V、 IC=6 A，都完全满足设计需要。 D1是一个起到阻塞作用的二极管，以防止由于三极管的导通电流而影响其正常偏置。经过对比二极管型号表，最终决定选用5 A/50 V 的BY550-50 型整流二极管。两个发光二极管型号则分别选用BT103和BT203，用于作为正在充电和快速充电状态的指示灯。其余器件参数值均使用数据手册中经典电路参数值进行设计。

3 模糊控制设计

模糊控制器是模糊控制系统的核心，它的设计需要以下几个方面：模糊控制器的结构、采用的模糊规则和合成推理算法等[4]。根据分析，本系统采用二维模糊控制器[5]，以误差e和误差变化率e˙作为输入量，以控制量的变化u作为输出变量。模糊控制器结构如图3 所示。设电池充电的设定电压值为Ust，电池充电电压检测值为Udc，电池的充电电流值为Idc，则系统的偏差e=Ust-Udc；系统偏差变 化 率e˙ =de dt=du dt； 电 池 的 充 电 电 流。其中，当前输出的充电电流的大小取决于上一次输出的充电电流与本次模糊运算得到的电流增量之和。

图2 充电电路原理

图3 电池模糊充电控制器结构框图

由于电池在充电过程中偏差e和系统偏差率e˙变化较大，不太均匀，为了便于系统的设计与控制，根据电池充电曲线的特点分析，在参数的模糊化处理上[6]，采取了对系统偏差e和系统偏差率e˙均做非均匀模糊化处理。经过处理后，输入量e、e˙和输出变量r的基本论域分别记为 [-e，e]，[-e˙，e˙]和 [-r，r]，输入量e的语言变量为E，变化率e˙的语言变量为EC，输出变量r的语言变量为R，并将各变量所对应的语言值模糊子集均选为[NB， NM，NS，ZE，PS，PM，PB]，其中，NB 表示负大，NM 表示负中，NS 表示负小，ZE 表示零，PS 表示正小，PM 表示正中，PB 表示正大。为了便于实现和保证系统可靠运行，采用三角形隶属度函数[7]，建立模糊控制规则见表1。

表1 电池充电模糊控制规则

4 实验效果

用18 V 镍氢电池作充电实验，分别用传统的控制方式和模糊控制进行充电，得到充电曲线。采用传统控制方法充电约8 min 后电压升至最高点，此后进入补充充电（图4）。采用模糊控制方法充电初期电压变化较快，当充电约6 min 后电压升至最高点（图5），此后进行涓流充电，补足电流。分析可知，蓄电池充电时采用模糊控制充电时可以缩短充电时间，在对于容量较大的电池进行充电时优势更为突出。

图4 采用传统控制方式充电电压变化曲线

图5 采用模糊控制方式充电电压变化曲线

5 结论

本文采用模糊控制理论对镍氢蓄电池的充电过程进行控制，并采用电压零增量控制法控制快速充电的结束，使电池进入涓流充电状态。该控制方法缩短了镍氢电池的充电时间，有效地提高了供电可靠性；同时可防止电池长时间过充，避免了电池过热现象的发生，从而提高了电池的寿命和使用安全，有效降低了电池的能耗。该方法在电源可靠性、安全性及节能环保方面与传统方法相比都有较大的提升，可以为油田等易燃易爆场合的通信电源设计提供参考和借鉴。