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隨著電動汽車快速普及，電動汽車自身的安全性與可靠性問題受到越來越多的關(guān)注。電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的主要動力來源之一，其安全性與可靠性將直接影響整車的安全運行。直流母線電容是電驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件，也是電力電子系統(tǒng)中的一個薄弱環(huán)節(jié)。

直流母線故障會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)性能劣化，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)停機，威脅整車安全。故障診斷與容錯技術(shù)是提高電力電子設(shè)備可靠性的重要方法，而直流母線電容的故障診斷方法是提高電驅(qū)動系統(tǒng)安全性與可靠性，確保整車運行安全的重要技術(shù)之一。

電動汽車的高安全需求和應(yīng)用環(huán)境的特殊性對母線電容的診斷技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)：一方面，由于電驅(qū)動系統(tǒng)的集成度較高，且工況十分復(fù)雜，故障信息難以有效獲取；另一方面，為提高系統(tǒng)可靠性，電驅(qū)動系統(tǒng)普遍采用可靠性更高的金屬薄膜電容代替電解電容。

目前，電容故障診斷技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在電解電容上，對薄膜電容的診斷問題關(guān)注較少，而薄膜電容的電氣特性與失效機理與電解電容有較大區(qū)別，這一特性使得經(jīng)典的電解電容狀態(tài)監(jiān)測方法無法直接應(yīng)用在金屬薄膜電容上，但兩種電容的診斷原理既存在一定相關(guān)性，又存在一定差異。

電解電容的應(yīng)用十分廣泛，因此其失效機理及狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)一直是學(xué)術(shù)界的研究重點。電解電容的健康狀態(tài)與等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）及電容容值C密切相關(guān)，因此電解電容狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要圍繞ESR與C值的辨識問題進行展開。目前主流的技術(shù)可分為離線式診斷技術(shù)和在線式診斷技術(shù)兩類。

離線式診斷原理：向電容施加正弦的交流激勵信號，通過處理和分析電容的響應(yīng)波形，計算電容的ESR和C值。常用的離線診斷方法有傅里葉變換、阻抗分析、最小二乘法等。離線診斷方法一般需要專用的診斷設(shè)備，具有較高的診斷精度，但需要停機檢驗，因此使用不便、實時性較差。

電解電容的在線診斷技術(shù)是學(xué)術(shù)界重點研究的領(lǐng)域，理論成果十分豐富。一般來講，在線診斷的實時性較好，但易受到系統(tǒng)運行的各類擾動影響，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確度不如離線診斷技術(shù)高。同時，電容在線診斷技術(shù)與電力電子設(shè)備的拓撲結(jié)構(gòu)和運行工況密切相關(guān)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)、鄭州宇通客車公司的研究人員通過研究文獻發(fā)現(xiàn)，電解電容的健康狀態(tài)是以ESR值估計為基礎(chǔ)的，但薄膜電容的健康狀態(tài)與ESR值相關(guān)度不高，而與電容容值高度有關(guān)。因此，薄膜電容的故障診斷應(yīng)以電容容值估計為基礎(chǔ)。

研究人員提出了一種準(zhǔn)在線金屬薄膜電容估計方法，適用于采用永磁同步電機的電驅(qū)動系統(tǒng)。首先，利用電動汽車短暫停車的機會，向電機的直軸注入一定頻率的交流電流，使母線電流中產(chǎn)生2倍頻的特征擾動；進而，通過相電流值、IGBT開關(guān)狀態(tài)和母線電流值重構(gòu)母線電容電流值；在此基礎(chǔ)上，采用二階廣義積分器提取母線電流和電壓的特征擾動，計算電容容值。

圖1 電驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺

該方法利用電動汽車停車的時機，基于電驅(qū)動系統(tǒng)自身的硬件進行電容故障診斷。這種方法既利用汽車工況的運行特性保證了診斷方法的實時性，同時，無需增加過多硬件成本，又避免了電驅(qū)動系統(tǒng)運行時工況對診斷準(zhǔn)確度的不利影響，解決了實時性、辨識精度之間的矛盾，為薄膜電容的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供數(shù)據(jù)支撐。

研究人員最后指出：

• 1）電解電容的健康狀態(tài)是以ESR值估計為基礎(chǔ)的，薄膜電容的健康狀態(tài)與ESR值相關(guān)度不高，而與電容容值高度相關(guān)；在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于準(zhǔn)在線母線電容容值的辨識方法。該方法無需增加過多硬件成本，既利用汽車工況的運行特性保證了診斷方法的實時性，同時，避免了電驅(qū)動系統(tǒng)運行時工況對診斷準(zhǔn)確度的不利影響，又解決了實時性與辨識精度之間的矛盾。
• 2）給出了準(zhǔn)在線母線電容容值的具體辨識方法。構(gòu)建了諧振控制器，實現(xiàn)了電容電流的諧波注入和分離，提出了利用SOGI實現(xiàn)電容電壓與電流的特征頻率分離的方法，利用該特征頻率電壓與電流相關(guān)分量求解得到了電容容值。
• 3）實驗結(jié)果表明，該方法辨識精度較高，能夠滿足金屬薄膜電容的故障診斷方法需求。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1，論文標(biāo)題為“一種為實現(xiàn)電動汽車薄膜母線電容準(zhǔn)在線故障診斷的容值辨識方法”，作者為張超、杜博超、崔淑梅、鄭維、韓守亮。