新能源汽车电机驱动器母线电容综述

张 露

新能源汽车电机驱动器母线电容综述

张 露

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710061）

直流母线（DC Link）电容是新能源汽车电机驱动器的关键零部件之一，其可靠性会影响整个电驱动系统的可靠性和安全性。状态监测作为评估母线电容健康状态的常用方法之一，可及时发现母线电容的退化征兆或故障特征以避免故障发生。基于此，文章首先介绍了铝电解电容器的基本特性，其次针对目前电容器的状态监测方法进行分类，将其分为电容器纹波电流传感器法、电路模型法及智能监测法，介绍了每种方法的原理，对比分析了各类方法的优缺点，为后续电容器状态监测提供了研究方向。

直流母线电容；电容值；状态监测；ESR

引言

为解决能源危机和降低环境污染，新能源汽车快速发展，其自身的安全性和可靠性受到广泛关注。电机驱动系统中的直流母线电容能够平滑母线电压，削弱母线尖峰电压，保证电机系统的正常工作，但也极易损坏。直流母线电容性能退化，会引起主电路发生故障，进而造成驱动器故障，从而导致新能源汽车电驱动系统故障。因此需要对直流母线电容进行参数监测及故障诊断，从而保证新能源汽车的正常运行。目前新能源汽车电驱动系统中广泛使用铝电解电容，其电容量大、额定电压高且便宜。

1 铝电解电容基本特性

1.1 铝电解电容等效电路

1.2 电容的温度特性和频率特性

电容具有明显的温度效应和频率效应，在不同温度和频率下电容的等效串联电阻和电容都不同。电容的频率特性为：低频段时，随着频率增高，值逐渐下降，到达一定频率后，将保持不变。铝电解电容的等效串联电阻会随着工作温度呈现一个近似指数函数的关系，由式（2）描述，其中T为电容核心温度，系数、、是由电容的型号决定的。

（）=+•－/δ（2）

电容值和一样，同样存在温度效应，电容值基本与电容的工作温度成正比。频率越高，电容值越低。

1.3 电容的寿命模型

电容的寿命模型对于寿命预测，在线状态监测以及不同的电容器解决方案的基准测试十分重要。电容的寿命模型，一般可以由式（3）表达。

和0为分别为使用条件下和测试条件下的寿命；和0分别表示实际电压应力和额定应力；和0分别是使用条件和测试条件下的开氏温度；E是激活能量系数；K是玻尔兹曼常数（8.62×10－5⁄）；是电压应力指数。

2 DC-Link电容器状态监测方法

目前，越来越多的国内外学者关注母线电容的研究方法，该方法分为离线式监测[2]和在线式监测[3]。离线式监测需要将电容从系统中拆卸下来并进行测试，不适用于系统内部的电容，工程应用价值有限。在线监测是在系统运行中对性能参数进行实时监测，主要分为三类：基于电容器纹波电流、基于电路模型以及智能监测方法。

2.1 基于电容器纹波电流传感器的方法

基于电容器纹波电流的状态监测方法使用电容器低频段或中频段的电容器电压和纹波电流来获取电容容值或等效电阻等参数，对电容器的状态进行监测。通常情况下为了获得特定频率下的电压和电流信息时，需要向电容器注入特定频率的电流或受控电压。

2.1.1 无信号注入

由于在任意给定时刻下电压和电流的不同正弦波分量的幅值的均方根值之比将等于特定频率分量的电容阻抗。Amaral等人提取了根据电容的阻抗特性0，分别提取了低频段和中频段的电流电压，根据式（4）和式（5）计算可得和值[4]。

2.1.2 信号注入

将特定频率的电流或电压信号注入到电容器中，计算输出侧电压和电流，进而计算电容的和值。

Lee等人通过将信号注入到ASD系统来估计电容的参数[5]。当电动机停止工作时进行状态监测：在开关S6打开的情况下，对开关S1施加恒定占空比、恒定频率的单极性PWM控制，此时电容器上的电荷可以通过相和相绕组放电，从而直流母线电压和电流产生纹波。的计算公式如式（6）所示。

其中为占空比，T为开关周期。

2.2 基于电路模型的方法

电路模型法是利用PWM开关变换器的工作原理或者测试电路的工作状态来测量其他数据，进而对电容器的和进行评估。

姚凯等人发现无需改变系统结构，通过分析输出电压的交流量，结合连续模式下的电容电流表达式，得到电容和的计算公式，如式（7）和（8），实现了电容和的实时监测[6]。

其中0为输出电压平均值，为电感值；f为 Buck 变换器的开关频率；为开关管的占空比；T为 Buck 变换器的开关周期；0(0)为零时刻对应的输出电压瞬时值。

2.3 智能监测法

智能监测法是将电力电子转换器视为黑匣子或半黑匣子，通过卡尔曼滤波法、遗传算法、神经网络算法等先进算法进行数据训练，获得要估计的参数与可用参数之间的关系。

SOLIMAN H等人对三相驱动电机直流母线电容值进行估计，将系统的输入或输出信息和△v作为人工神经网络的输入数据，从而辨识电容值[7]。该方法无需注入电流或电压信号，不用增加附加电路，但该方法计算量大，会受到输入信息的干扰，影响辨识精度。

3 结论与展望

本文介绍了母线电容——铝电解电容，综述了电容器在线状态监测的常用方法。基于传感器的方法比较简单，易于操作，但通常需要在原有电路中接入传感器，会破坏系统的电路，增加了硬件负担。基于信号注入的方法、基于电路模型的方法和智能监测法都避免了增加另外的传感器，减少了额外的硬件负担。但是信号注入将特定频率的信号注入到电路中可能会对电路可靠性造成影响。基于电路模型的方法和智能监测法虽然硬件成本相对较低，但需要设计复杂的算法，软件成本较高。

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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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1671-7988(2022)02-170-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.040

张露（1996—），硕士研究生，就读于长安大学汽车学院，研究方向：新能源电控。