- 頭條一種為實現電動汽車薄膜母線電容準在線故障診斷的容值辨識方法2021-05-11 作者：張超 杜博超 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語薄膜母線電容是電動汽車電驅動系統的重要部件之一，電容的健康狀態直接影響到電驅動系統的性能與安全。為解決母線電容故障的檢測與診斷問題，哈爾濱工業大學電氣工程系、鄭州宇通客車股份有限公司的研究人員張超、杜博超、崔淑梅、鄭維、韓守亮，在2020年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種基于電動汽車電機驅動器的準在線電容容值辨識方法，該方法適用于永磁同步電機的電驅動系統。實驗結果表明，該方法能夠準確計算母線電容容值，為故障診斷提供數據基礎。
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注。電驅動系統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動系統的重要部件，也是電力電子系統中的一個薄弱環節。
直流母線故障會導致驅動系統性能劣化，嚴重時會導致系統停機，威脅整車安全。故障診斷與容錯技術是提高電力電子設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動系統安全性與可靠性，確保整車運行安全的重要技術之一。
電動汽車的高安全需求和應用環境的特殊性對母線電容的診斷技術提出新的挑戰：一方面，由于電驅動系統的集成度較高，且工況十分復雜，故障信息難以有效獲取；另一方面，為提高系統可靠性，電驅動系統普遍采用可靠性更高的金屬薄膜電容代替電解電容。
目前，電容故障診斷技術的相關研究主要集中在電解電容上，對薄膜電容的診斷問題關注較少，而薄膜電容的電氣特性與失效機理與電解電容有較大區別，這一特性使得經典的電解電容狀態監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監測技術一直是學術界的研究重點。電解電容的健康狀態與等效串聯電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）及電容容值C密切相關，因此電解電容狀態監測技術主要圍繞ESR與C值的辨識問題進行展開。目前主流的技術可分為離線式診斷技術和在線式診斷技術兩類。
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是學術界重點研究的領域，理論成果十分豐富。一般來講，在線診斷的實時性較好，但易受到系統運行的各類擾動影響，診斷結果的準確度不如離線診斷技術高。同時，電容在線診斷技術與電力電子設備的拓撲結構和運行工況密切相關。
哈爾濱工業大學、鄭州宇通客車公司的研究人員通過研究文獻發現，電解電容的健康狀態是以ESR值估計為基礎的，但薄膜電容的健康狀態與ESR值相關度不高，而與電容容值高度有關。因此，薄膜電容的故障診斷應以電容容值估計為基礎。
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動系統。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，使母線電流中產生2倍頻的特征擾動；進而，通過相電流值、IGBT開關狀態和母線電流值重構母線電容電流值；在此基礎上，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 電驅動系統實驗平臺
該方法利用電動汽車停車的時機，基于電驅動系統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，又避免了電驅動系統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，為薄膜電容的狀態監測和故障診斷提供數據支撐。
研究人員最后指出：
- 1）電解電容的健康狀態是以ESR值估計為基礎的，薄膜電容的健康狀態與ESR值相關度不高，而與電容容值高度相關；在此基礎上，提出了一種基于準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，避免了電驅動系統運行時工況對診斷準確度的不利影響，又解決了實時性與辨識精度之間的矛盾。
- 2）給出了準在線母線電容容值的具體辨識方法。構建了諧振控制器，實現了電容電流的諧波注入和分離，提出了利用SOGI實現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分量求解得到了電容容值。
- 3）實驗結果表明，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。
以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“一種為實現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。
