新能源汽車電機驅動器母線電容綜述

張 露

新能源汽車電機驅動器母線電容綜述

張 露

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710061）

直流母線（DC Link）電容是新能源汽車電機驅動器的關鍵零部件之一，其可靠性會影響整個電驅動系統的可靠性和安全性。狀態監測作為評估母線電容健康狀態的常用方法之一，可及時發現母線電容的退化征兆或故障特征以避免故障發生?；诖?，文章首先介紹了鋁電解電容器的基本特性，其次針對目前電容器的狀態監測方法進行分類，將其分為電容器紋波電流傳感器法、電路模型法及智能監測法，介紹了每種方法的原理，對比分析了各類方法的優缺點，為后續電容器狀態監測提供了研究方向。

直流母線電容；電容值；狀態監測；ESR

引言

為解決能源危機和降低環境污染，新能源汽車快速發展，其自身的安全性和可靠性受到廣泛關注。電機驅動系統中的直流母線電容能夠平滑母線電壓，削弱母線尖峰電壓，保證電機系統的正常工作，但也極易損壞。直流母線電容性能退化，會引起主電路發生故障，進而造成驅動器故障，從而導致新能源汽車電驅動系統故障。因此需要對直流母線電容進行參數監測及故障診斷，從而保證新能源汽車的正常運行。目前新能源汽車電驅動系統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和頻率效應，在不同溫度和頻率下電容的等效串聯電阻和電容都不同。電容的頻率特性為：低頻段時，隨著頻率增高，值逐漸下降，到達一定頻率后，將保持不變。鋁電解電容的等效串聯電阻會隨著工作溫度呈現一個近似指數函數的關系，由式（2）描述，其中T為電容核心溫度，系數、、是由電容的型號決定的。

（）=+?－/δ（2）

電容值和一樣，同樣存在溫度效應，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

電容的壽命模型對于壽命預測，在線狀態監測以及不同的電容器解決方案的基準測試十分重要。電容的壽命模型，一般可以由式（3）表達。

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

2 DC-Link電容器狀態監測方法

目前，越來越多的國內外學者關注母線電容的研究方法，該方法分為離線式監測[2]和在線式監測[3]。離線式監測需要將電容從系統中拆卸下來并進行測試，不適用于系統內部的電容，工程應用價值有限。在線監測是在系統運行中對性能參數進行實時監測，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測方法。

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監測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，對電容器的狀態進行監測。通常情況下為了獲得特定頻率下的電壓和電流信息時，需要向電容器注入特定頻率的電流或受控電壓。

2.1.1 無信號注入

由于在任意給定時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，根據式（4）和式（5）計算可得和值[4]。

2.1.2 信號注入

將特定頻率的電流或電壓信號注入到電容器中，計算輸出側電壓和電流，進而計算電容的和值。

Lee等人通過將信號注入到ASD系統來估計電容的參數[5]。當電動機停止工作時進行狀態監測：在開關S6打開的情況下，對開關S1施加恒定占空比、恒定頻率的單極性PWM控制，此時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生紋波。的計算公式如式（6）所示。

其中為占空比，T為開關周期。

2.2 基于電路模型的方法

電路模型法是利用PWM開關變換器的工作原理或者測試電路的工作狀態來測量其他數據，進而對電容器的和進行評估。

姚凱等人發現無需改變系統結構，通過分析輸出電壓的交流量，結合連續模式下的電容電流表達式，得到電容和的計算公式，如式（7）和（8），實現了電容和的實時監測[6]。

其中0為輸出電壓平均值，為電感值；f為 Buck 變換器的開關頻率；為開關管的占空比；T為 Buck 變換器的開關周期；0(0)為零時刻對應的輸出電壓瞬時值。

2.3 智能監測法

智能監測法是將電力電子轉換器視為黑匣子或半黑匣子，通過卡爾曼濾波法、遺傳算法、神經網絡算法等先進算法進行數據訓練，獲得要估計的參數與可用參數之間的關系。

SOLIMAN H等人對三相驅動電機直流母線電容值進行估計，將系統的輸入或輸出信息和△v作為人工神經網絡的輸入數據，從而辨識電容值[7]。該方法無需注入電流或電壓信號，不用增加附加電路，但該方法計算量大，會受到輸入信息的干擾，影響辨識精度。

3 結論與展望

本文介紹了母線電容——鋁電解電容，綜述了電容器在線狀態監測的常用方法?；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，會破壞系統的電路，增加了硬件負擔?；谛盘栕⑷氲姆椒?、基于電路模型的方法和智能監測法都避免了增加另外的傳感器，減少了額外的硬件負擔。但是信號注入將特定頻率的信號注入到電路中可能會對電路可靠性造成影響。基于電路模型的方法和智能監測法雖然硬件成本相對較低，但需要設計復雜的算法，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

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1671-7988(2022)02-170-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.040

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