『电气技术』一种为实现电动汽车薄膜母线电容准在线故障诊断的容值辨识方法

薄膜母线电容是电动汽车电驱动系统的重要部件之一，电容的健康状态直接影响到电驱动系统的性能与安全。为解决母线电容故障的检测与诊断问题，哈尔滨工业大学电气工程系、郑州宇通客车股份有限公司的研究人员张超、杜博超、崔淑梅、郑维、韩守亮，在2020年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种基于电动汽车电机驱动器的准在线电容容值辨识方法，该方法适用于永磁同步电机的电驱动系统。实验结果表明，该方法能够准确计算母线电容容值，为故障诊断提供数据基础。
随着电动汽车快速普及，电动汽车自身的安全性与可靠性问题受到越来越多的关注。电驱动系统是电动汽车的主要动力来源之一，其安全性与可靠性将直接影响整车的安全运行。直流母线电容是电驱动系统的重要部件，也是电力电子系统中的一个薄弱环节。
直流母线故障会导致驱动系统性能劣化，严重时会导致系统停机，威胁整车安全。故障诊断与容错技术是提高电力电子设备可靠性的重要方法，而直流母线电容的故障诊断方法是提高电驱动系统安全性与可靠性，确保整车运行安全的重要技术之一。
电动汽车的高安全需求和应用环境的特殊性对母线电容的诊断技术提出新的挑战：一方面，由于电驱动系统的集成度较高，且工况十分复杂，故障信息难以有效获取；另一方面，为提高系统可靠性，电驱动系统普遍采用可靠性更高的金属薄膜电容代替电解电容。

本文插图
目前，电容故障诊断技术的相关研究主要集中在电解电容上，对薄膜电容的诊断问题关注较少，而薄膜电容的电气特性与失效机理与电解电容有较大区别，这一特性使得经典的电解电容状态监测方法无法直接应用在金属薄膜电容上，但两种电容的诊断原理既存在一定相关性，又存在一定差异。
电解电容的应用十分广泛，因此其失效机理及状态监测技术一直是学术界的研究重点。电解电容的健康状态与等效串联电阻（Equivalent Series Resistance ， ESR）及电容容值C密切相关，因此电解电容状态监测技术主要围绕ESR与C值的辨识问题进行展开。目前主流的技术可分为离线式诊断技术和在线式诊断技术两类。
离线式诊断原理：向电容施加正弦的交流激励信号，通过处理和分析电容的响应波形，计算电容的ESR和C值。常用的离线诊断方法有傅里叶变换、阻抗分析、最小二乘法等。离线诊断方法一般需要专用的诊断设备，具有较高的诊断精度，但需要停机检验，因此使用不便、实时性较差。
电解电容的在线诊断技术是学术界重点研究的领域，理论成果十分丰富。一般来讲，在线诊断的实时性较好，但易受到系统运行的各类扰动影响，诊断结果的准确度不如离线诊断技术高。同时，电容在线诊断技术与电力电子设备的拓扑结构和运行工况密切相关。
哈尔滨工业大学、郑州宇通客车公司的研究人员通过研究文献发现，电解电容的健康状态是以ESR值估计为基础的，但薄膜电容的健康状态与ESR值相关度不高，而与电容容值高度有关。因此，薄膜电容的故障诊断应以电容容值估计为基础。
研究人员提出了一种准在线金属薄膜电容估计方法，适用于采用永磁同步电机的电驱动系统。首先，利用电动汽车短暂停车的机会，向电机的直轴注入一定频率的交流电流，使母线电流中产生2倍频的特征扰动；进而，通过相电流值、IGBT开关状态和母线电流值重构母线电容电流值；在此基础上，采用二阶广义积分器提取母线电流和电压的特征扰动，计算电容容值。
【『电气技术』一种为实现电动汽车薄膜母线电容准在线故障诊断的容值辨识方法】

分页标题
本文插图
图1 电驱动系统实验平台
该方法利用电动汽车停车的时机，基于电驱动系统自身的硬件进行电容故障诊断。这种方法既利用汽车工况的运行特性保证了诊断方法的实时性，同时，无需增加过多硬件成本，又避免了电驱动系统运行时工况对诊断准确度的不利影响，解决了实时性、辨识精度之间的矛盾，为薄膜电容的状态监测和故障诊断提供数据支撑。
研究人员最后指出：
1）电解电容的健康状态是以ESR值估计为基础的，薄膜电容的健康状态与ESR值相关度不高，而与电容容值高度相关；在此基础上，提出了一种基于准在线母线电容容值的辨识方法。该方法无需增加过多硬件成本，既利用汽车工况的运行特性保证了诊断方法的实时性，同时，避免了电驱动系统运行时工况对诊断准确度的不利影响，又解决了实时性与辨识精度之间的矛盾。
2）给出了准在线母线电容容值的具体辨识方法。构建了谐振控制器，实现了电容电流的谐波注入和分离，提出了利用SOGI实现电容电压与电流的特征频率分离的方法，利用该特征频率电压与电流相关分量求解得到了电容容值。
3）实验结果表明，该方法辨识精度较高，能够满足金属薄膜电容的故障诊断方法需求。以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊1 ，论文标题为“一种为实现电动汽车薄膜母线电容准在线故障诊断的容值辨识方法” ，作者为张超、杜博超、崔淑梅、郑维、韩守亮。