王瑤 王偉（北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院）

通信電源是通信設(shè)備提供交直流電的電能源，要保證通信網(wǎng)絡(luò)的通暢，蓄電池是必不可少的環(huán)節(jié)[1]。通過蓄電池性能對(duì)比分析及考慮油田對(duì)電氣設(shè)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(guī)鎳氫電池的充電方式一般是恒流充電，這種方式會(huì)導(dǎo)致在開始充電時(shí)，充電電流達(dá)不到電池可接受的最大值，隨著電池充電過程的進(jìn)行，電流逐漸超過電池的可接受值，將會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)極化現(xiàn)象，并且產(chǎn)生大量熱量[2]。這種充電方式不僅產(chǎn)生了能量的極大浪費(fèi)，而且容易導(dǎo)致電池過充，損壞電池。因此，采用智能充電方式是勢(shì)在必行的。但由于鎳氫電池本身是一個(gè)具有復(fù)雜性和離散性的多變量非線性系統(tǒng)[3]，將模糊控制引入鎳氫電池充電過程中，對(duì)復(fù)雜的充電過程進(jìn)行優(yōu)化控制，使電池能夠按照理想方式進(jìn)行充電，以提高工作效率，延長(zhǎng)電池的使用壽命，并且充分發(fā)揮充電設(shè)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(guān)，所以對(duì)鎳氫電池充電曲線進(jìn)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(shí)電量已經(jīng)被放空，將恒定電流充入，隨著內(nèi)阻增大，在一小段時(shí)間后電壓到達(dá)A 點(diǎn)。接下來電池存儲(chǔ)電荷，電壓開始緩慢增長(zhǎng)。處于AB區(qū)間時(shí)， O2的產(chǎn)生速度與O2同H2的化合速度相同。此時(shí)電池內(nèi)溫與電壓都處于較低水平。第二階段，在BC 區(qū)間后半段，電池內(nèi)出現(xiàn)氣泡，極板表面氣泡開始累積，有效面積減小，內(nèi)阻增大，電壓開始快速增長(zhǎng)，電池將要充滿。第三階段，經(jīng)過一定時(shí)間到達(dá)C 點(diǎn)后，電池已經(jīng)充滿，在電極表面所吸附的氫原子數(shù)量趨于飽和，吸附氫原子能力下降，電壓值到達(dá)峰值不再增加，電壓開始負(fù)增長(zhǎng)。同時(shí)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(jìn)入過充電狀態(tài)。因此，對(duì)鎳氫電池采用合理的充電方式，可以使其避免過充現(xiàn)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(shè)計(jì)

考慮到通信基站不間斷供電的重要性，所以設(shè)計(jì)蓄電池至少可以提供2 h 的供電。經(jīng)過分析，選用Twicell 系列的 HR-4/3FAU 其容量分別為4 500 mAh，循環(huán)壽命可達(dá)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(jù)分析可知，其相當(dāng)于每節(jié)電池的最大電壓，接到 V+則設(shè)定為 1.65 V，接到VREF 則設(shè)定為2 V?？紤]到電壓波動(dòng)和余量，此次設(shè)計(jì)將其接到 VREF。管腳 5、 6、 7 是關(guān)于溫度控制的管腳，由于本次設(shè)計(jì)采用電壓梯度檢測(cè)機(jī)制，不使用溫度檢測(cè)，故分別將管腳 5、 6、 7 接到 V+、BATT-， VREF。管腳8 接一個(gè)上拉電阻和一個(gè)發(fā)光二極管與+5 V 電源，根據(jù)其負(fù)邏輯的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)快速充電狀態(tài)的顯示。管腳11（CC）則是外接補(bǔ)償電容，查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知其補(bǔ)償電容應(yīng)大于 5 nF，現(xiàn)將其外接10 nF。管腳14（DRV）外接一個(gè)PNP 管，控制充電電流。其中PNP 功率管選用 TIP42 型 的 ， 其 主 要 參 數(shù) 為 PCM=65 W、VCBO=40 V、 IC=6 A，都完全滿足設(shè)計(jì)需要。 D1是一個(gè)起到阻塞作用的二極管，以防止由于三極管的導(dǎo)通電流而影響其正常偏置。經(jīng)過對(duì)比二極管型號(hào)表，最終決定選用5 A/50 V 的BY550-50 型整流二極管。兩個(gè)發(fā)光二極管型號(hào)則分別選用BT103和BT203，用于作為正在充電和快速充電狀態(tài)的指示燈。其余器件參數(shù)值均使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中經(jīng)典電路參數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 模糊控制設(shè)計(jì)

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，它的設(shè)計(jì)需要以下幾個(gè)方面：模糊控制器的結(jié)構(gòu)、采用的模糊規(guī)則和合成推理算法等[4]。根據(jù)分析，本系統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖3 所示。設(shè)電池充電的設(shè)定電壓值為Ust，電池充電電壓檢測(cè)值為Udc，電池的充電電流值為Idc，則系統(tǒng)的偏差e=Ust-Udc；系統(tǒng)偏差變 化 率e˙ =de dt=du dt； 電 池 的 充 電 電 流。其中，當(dāng)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(yùn)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(jié)構(gòu)框圖

由于電池在充電過程中偏差e和系統(tǒng)偏差率e˙變化較大，不太均勻，為了便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制，根據(jù)電池充電曲線的特點(diǎn)分析，在參數(shù)的模糊化處理上[6]，采取了對(duì)系統(tǒng)偏差e和系統(tǒng)偏差率e˙均做非均勻模糊化處理。經(jīng)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(duì)應(yīng)的語言值模糊子集均選為[NB， NM，NS，ZE，PS，PM，PB]，其中，NB 表示負(fù)大，NM 表示負(fù)中，NS 表示負(fù)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(shí)現(xiàn)和保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，采用三角形隸屬度函數(shù)[7]，建立模糊控制規(guī)則見表1。

表1 電池充電模糊控制規(guī)則

4 實(shí)驗(yàn)效果

用18 V 鎳氫電池作充電實(shí)驗(yàn)，分別用傳統(tǒng)的控制方式和模糊控制進(jìn)行充電，得到充電曲線。采用傳統(tǒng)控制方法充電約8 min 后電壓升至最高點(diǎn)，此后進(jìn)入補(bǔ)充充電（圖4）。采用模糊控制方法充電初期電壓變化較快，當(dāng)充電約6 min 后電壓升至最高點(diǎn)（圖5），此后進(jìn)行涓流充電，補(bǔ)足電流。分析可知，蓄電池充電時(shí)采用模糊控制充電時(shí)可以縮短充電時(shí)間，在對(duì)于容量較大的電池進(jìn)行充電時(shí)優(yōu)勢(shì)更為突出。

圖4 采用傳統(tǒng)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(jié)論

本文采用模糊控制理論對(duì)鎳氫蓄電池的充電過程進(jìn)行控制，并采用電壓零增量控制法控制快速充電的結(jié)束，使電池進(jìn)入涓流充電狀態(tài)。該控制方法縮短了鎳氫電池的充電時(shí)間，有效地提高了供電可靠性；同時(shí)可防止電池長(zhǎng)時(shí)間過充，避免了電池過熱現(xiàn)象的發(fā)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(jié)能環(huán)保方面與傳統(tǒng)方法相比都有較大的提升，可以為油田等易燃易爆場(chǎng)合的通信電源設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。