新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器母線電容綜述

張 露

新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器母線電容綜述

張 露

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710061）

直流母線（DC Link）電容是新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵零部件之一，其可靠性會(huì)影響整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為評(píng)估母線電容健康狀態(tài)的常用方法之一，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線電容的退化征兆或故障特征以避免故障發(fā)生?；诖?，文章首先介紹了鋁電解電容器的基本特性，其次針對(duì)目前電容器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行分類，將其分為電容器紋波電流傳感器法、電路模型法及智能監(jiān)測(cè)法，介紹了每種方法的原理，對(duì)比分析了各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)電容器狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了研究方向。

直流母線電容；電容值；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；ESR

引言

為解決能源危機(jī)和降低環(huán)境污染，新能源汽車快速發(fā)展，其自身的安全性和可靠性受到廣泛關(guān)注。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流母線電容能夠平滑母線電壓，削弱母線尖峰電壓，保證電機(jī)系統(tǒng)的正常工作，但也極易損壞。直流母線電容性能退化，會(huì)引起主電路發(fā)生故障，進(jìn)而造成驅(qū)動(dòng)器故障，從而導(dǎo)致新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。因此需要對(duì)直流母線電容進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)及故障診斷，從而保證新能源汽車的正常運(yùn)行。目前新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中廣泛使用鋁電解電容，其電容量大、額定電壓高且便宜。

1 鋁電解電容基本特性

1.1 鋁電解電容等效電路

1.2 電容的溫度特性和頻率特性

電容具有明顯的溫度效應(yīng)和頻率效應(yīng)，在不同溫度和頻率下電容的等效串聯(lián)電阻和電容都不同。電容的頻率特性為：低頻段時(shí)，隨著頻率增高，值逐漸下降，到達(dá)一定頻率后，將保持不變。鋁電解電容的等效串聯(lián)電阻會(huì)隨著工作溫度呈現(xiàn)一個(gè)近似指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，由式（2）描述，其中T為電容核心溫度，系數(shù)、、是由電容的型號(hào)決定的。

（）=+?－/δ（2）

電容值和一樣，同樣存在溫度效應(yīng)，電容值基本與電容的工作溫度成正比。頻率越高，電容值越低。

1.3 電容的壽命模型

電容的壽命模型對(duì)于壽命預(yù)測(cè)，在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及不同的電容器解決方案的基準(zhǔn)測(cè)試十分重要。電容的壽命模型，一般可以由式（3）表達(dá)。

和0為分別為使用條件下和測(cè)試條件下的壽命；和0分別表示實(shí)際電壓應(yīng)力和額定應(yīng)力；和0分別是使用條件和測(cè)試條件下的開氏溫度；E是激活能量系數(shù)；K是玻爾茲曼常數(shù)（8.62×10－5?）；是電壓應(yīng)力指數(shù)。

2 DC-Link電容器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

目前，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注母線電容的研究方法，該方法分為離線式監(jiān)測(cè)[2]和在線式監(jiān)測(cè)[3]。離線式監(jiān)測(cè)需要將電容從系統(tǒng)中拆卸下來并進(jìn)行測(cè)試，不適用于系統(tǒng)內(nèi)部的電容，工程應(yīng)用價(jià)值有限。在線監(jiān)測(cè)是在系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要分為三類：基于電容器紋波電流、基于電路模型以及智能監(jiān)測(cè)方法。

2.1 基于電容器紋波電流傳感器的方法

基于電容器紋波電流的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法使用電容器低頻段或中頻段的電容器電壓和紋波電流來獲取電容容值或等效電阻等參數(shù)，對(duì)電容器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通常情況下為了獲得特定頻率下的電壓和電流信息時(shí)，需要向電容器注入特定頻率的電流或受控電壓。

2.1.1 無信號(hào)注入

由于在任意給定時(shí)刻下電壓和電流的不同正弦波分量的幅值的均方根值之比將等于特定頻率分量的電容阻抗。Amaral等人提取了根據(jù)電容的阻抗特性0，分別提取了低頻段和中頻段的電流電壓，根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算可得和值[4]。

2.1.2 信號(hào)注入

將特定頻率的電流或電壓信號(hào)注入到電容器中，計(jì)算輸出側(cè)電壓和電流，進(jìn)而計(jì)算電容的和值。

Lee等人通過將信號(hào)注入到ASD系統(tǒng)來估計(jì)電容的參數(shù)[5]。當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)：在開關(guān)S6打開的情況下，對(duì)開關(guān)S1施加恒定占空比、恒定頻率的單極性PWM控制，此時(shí)電容器上的電荷可以通過相和相繞組放電，從而直流母線電壓和電流產(chǎn)生紋波。的計(jì)算公式如式（6）所示。

其中為占空比，T為開關(guān)周期。

2.2 基于電路模型的方法

電路模型法是利用PWM開關(guān)變換器的工作原理或者測(cè)試電路的工作狀態(tài)來測(cè)量其他數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)電容器的和進(jìn)行評(píng)估。

姚凱等人發(fā)現(xiàn)無需改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過分析輸出電壓的交流量，結(jié)合連續(xù)模式下的電容電流表達(dá)式，得到電容和的計(jì)算公式，如式（7）和（8），實(shí)現(xiàn)了電容和的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]。

其中0為輸出電壓平均值，為電感值；f為 Buck 變換器的開關(guān)頻率；為開關(guān)管的占空比；T為 Buck 變換器的開關(guān)周期；0(0)為零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出電壓瞬時(shí)值。

2.3 智能監(jiān)測(cè)法

智能監(jiān)測(cè)法是將電力電子轉(zhuǎn)換器視為黑匣子或半黑匣子，通過卡爾曼濾波法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等先進(jìn)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，獲得要估計(jì)的參數(shù)與可用參數(shù)之間的關(guān)系。

SOLIMAN H等人對(duì)三相驅(qū)動(dòng)電機(jī)直流母線電容值進(jìn)行估計(jì)，將系統(tǒng)的輸入或輸出信息和△v作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，從而辨識(shí)電容值[7]。該方法無需注入電流或電壓信號(hào)，不用增加附加電路，但該方法計(jì)算量大，會(huì)受到輸入信息的干擾，影響辨識(shí)精度。

3 結(jié)論與展望

本文介紹了母線電容——鋁電解電容，綜述了電容器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的常用方法?；趥鞲衅鞯姆椒ū容^簡單，易于操作，但通常需要在原有電路中接入傳感器，會(huì)破壞系統(tǒng)的電路，增加了硬件負(fù)擔(dān)?；谛盘?hào)注入的方法、基于電路模型的方法和智能監(jiān)測(cè)法都避免了增加另外的傳感器，減少了額外的硬件負(fù)擔(dān)。但是信號(hào)注入將特定頻率的信號(hào)注入到電路中可能會(huì)對(duì)電路可靠性造成影響?；陔娐纺Ｐ偷姆椒ê椭悄鼙O(jiān)測(cè)法雖然硬件成本相對(duì)較低，但需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的算法，軟件成本較高。

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Overview of New Energy Vehicle Motor Driver DC Link Capacitors

ZHANG Lu

( College of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710061 )

The DC link capacitor is one of the key components of the new energy vehicle motor driver, and its reliability will affect the reliability and safety of the entire electric drive system. Condition monitoring is one of the commonly used methods to assess the health status of bus capacitors, which can detect the signs of degradation or fault characteristics of bus capacitors in time to avoid failures. The article first introduces the basic characteristics of aluminum electrolytic capacitors, and then classifies the current state monitoring methods of capacitors. It is divided into capacitor ripple current sensor method, circuit model method and intelligent monitoring method. The principle of each method is introduced and compared. The advantages and disadvantages of various methods are analyzed, which provides a research direction for subsequent capacitor state monitoring.

DC link capacitor; Capacitance; Condition monitoring; ESR

U469.7

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.040

張露（1996—），碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向：新能源電控。