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)。
直流母線故障會導致驅(qū)動系統(tǒng)性能劣化,嚴重時會導致系統(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、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以電容容值估計為基礎(chǔ)。
研究人員提出了一種準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:
以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學報》增刊1,論文標題為“一種為實現(xiàn)電動汽車薄膜母線電容準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。