CN111417861A - 用于确定电容器的剩余使用寿命的方法和评估单元及系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于确定电容器的剩余使用寿命的方法，其中电容器优选地由电解电容器形成。该方法包括以下步骤：测量放电时间(Δt)期间跨电容器的电压改变(ΔU)，确定放电时间(Δt)期间的放电电流(I)，基于电压改变(ΔU)、放电电流(I)和放电时间(Δt)来确定电容器的实际电容(C_测得)，借助于误差校正从实际电容(C_测得)确定电容器的经校正电容(C_x)，其中温度(T)对电容器的电容的影响在误差校正期间被校正，以及基于经校正电容(C_x)与电容器的初始电容(C₀)之间的差来确定剩余使用寿命(L_r、L_rx)。还公开了可执行该方法的评估单元以及包括该评估单元和具有待评估的至少一个电容器的电路的系统。

Description

用于确定电容器的剩余使用寿命的方法和评估单元及系统

本发明涉及一种用于确定电容器的剩余使用寿命(service life)的方法和评估单元，其中电容器被充电和放电至少一次。本发明进一步涉及一种包括这样的评估单元以及具有至少一个待评估的电容器的电路的系统。

在实践中，评估或确定组件或组装件的剩余使用寿命是具有常规重要性的。每当故障将导致间接损坏时(例如在热关键(thermally critical)应用中就是这种情形)，这是尤其重要的。例如，如果冷却系统或这样的系统的一部分在服务器机房中发生故障，则这可造成过热和停机，或甚至造成对服务器和其他硬件的破坏。其他复杂和/或昂贵的电子系统的冷却同样是关键的。在此类应用场景中，尽早发现即将发生的故障是有用的，这样可以在故障之前及时更换有故障风险的组件。

具体而言，在逆变器中存在使用寿命有限的多个组件和组装件，诸如在电动机的控制中使用的那些，例如EC(电子换向)电机。半导体(主要在功率放大器或光耦合器中)和电容器(主要在中间电路或开关电源中的电解电容器的情形中)最具有故障的风险。具体而言，电容器经受着高温相关和负载电流相关的老化，这就是为什么电容器的使用寿命会发生很大变化的原因。

JPH7-92213A公开了一种允许估算电容器的使用寿命的方法。为此，使用公式T_C＝T₀+K(I_C/I_S)估算电容器的内部温度T_C。其中，T₀是环境温度，I_C是通过电容器的电流，且I_S是允许的纹波(ripple)电流。K是取决于电容器类型的缩放因子。所有所估算的T_C被相加。如果总和超过预定义值，则赞同使用寿命结束的决定被做出。这种方法的缺点在于总和的当前值取决于各个被加数。作为结果，误差(尤其是测量或量化误差)显著地传播。

从DE 10 2012 105 198 A1中已知一种用于监视使用寿命的方法，该方法可被用来估算电解电容器的剩余使用寿命。这些计算基本上基于众所周知的公式：

其中使用以下符号：

L_X 所预期的当前使用寿命，

L₀ 根据数据表的指定使用寿命，

T₀ 预定义最高工作温度(例如105℃)，

T_X 相应的当前环境温度，

ΔT_M 常数，即所谓的内部温度增加，

Ⅰ_ripple 中间电路电容器处的当前纹波电流，

Ⅰ₀ 根据数据表的指定纹波电流，以及

K 常数，即所谓的加速因子。

这种方法的缺点在于，必须连续记录并计算值。在此，复杂且精细的计算仅指示故障的统计概率，而不能评估实际状态。

EP 1 338 874 A1以类似方式确定了电解电容器的剩余使用寿命。此处的基础是前面提到的公式的某种简化形式。其中，着重的焦点在于确定电容器温度。

DE 10 2004 035723 A1假定电容器的电解液的蒸发导致电容器老化，并且核心温度的水平是影响蒸发程度的至关紧要的因素。因此，剩余使用寿命是使用热模型估算的，该模型实质上基于前面提到的公式的简化形式以及其他计算步骤。此方法还仅虑及统计报表。

从US 2009/072982 A已知一种用于确定功率逆变器中电容器的健康状态的方法。为此，DC中间电路中的纹波电压被监视，并且与纹波电压的初始值进行比较。电解电容器由于老化而减小的电容将导致现有纹波电压被滤除至较小程度。现有纹波的电平被用来得出有关电容器状态的结论。这样的缺点在于，尽管中间电路电容器的滤波特性确实显著有助于纹波的减小，但纹波的表达并不仅仅取决于中间电路电容器的电容，还取决于其他因素。

本发明底层的问题是要按使得电容器的剩余使用寿命可被毫不费力地确定的方式设计和进一步开发一种前述类型的方法、评估单元和系统。

根据本发明，前述问题通过权利要求1的特征来解决。根据这些，本发明的方法包括以下步骤：

测量放电时间期间跨电容器的电压改变，

确定放电时间期间的放电电流，

基于电压改变、放电电流和放电时间来确定电容器的实际电容，

借助于误差校正从实际电容确定电容器的经校正电容，其中温度对电容器电容的影响在误差校正期间被校正，以及

基于经校正电容与电容器的初始电容之间的差来确定剩余使用寿命。

关于评估单元，前述问题通过权利要求12的特征来解决。根据这些，评估单元包括：

电压输入，其被设计成用于输入放电时间期间跨电容器的电压改变的测得值，

电流输入，其被设计成用于输入放电电流的测得值，其中放电电流已在放电时间期间被标识，

电容检测单元，其用于基于电压改变、放电电流和放电时间来检测电容器的实际电容，

校正单元，其被设计成用于借助于误差校正从实际电容检测电容器的经校正电容，其中温度对电容器电容的影响在误差校正期间被校正，以及

评估单元，其用于基于经校正电容与电容器的初始电容之间的差来确定剩余使用寿命。

关于系统，前述问题通过权利要求13的特征来解决。

在根据本发明的方法中，首先认识到，不需要极其精细和/或重复的估算方法就能够评估电容器的剩余使用寿命。相反，根据本发明，基于通常已经存在的测得值来精确地评估电容器的剩余使用寿命和/或使用寿命的结束甚至是比较容易的。在电容器的使用寿命中，漏电流将增加，而ESR(等效串联电阻)和电容将减小。因此，确定当前电容促成了关于电容器的剩余使用寿命的评估。确实，在操作期间在电路中待测量的电容器的电容取决于相应的操作条件，使得很难以此方式评估剩余使用寿命。然而，如果电容器操作的影响通过误差校正来被校正，则电容仍可被用作剩余使用寿命的度量。在该上下文中，温度是影响电容器电容的最重要的量。因此，根据本发明，测得的电容值借助于误差校正来被转换为参考操作状态。如此确定的经校正电容可以容易地与电容器的初始电容进行比较，使得可以从该比较中得出关于电容器老化的结论。这进而允许确定电容器的剩余使用寿命。

电容器的电容可基于微分方程来计算

这导致在充放电两条路径中的指数电压和电流曲线。电容器的充电过程和放电过程两者都可被用来确定电容。然而，由于充电过程期间充电电流的影响，确定充电期间的电容将变得更复杂。因此，放电路径被用在根据本发明的方法中。

假定放电曲线在给定时间处的线性或准线性演进将方程简化为以下：

这导致方程：

因而，电容器的实际电容可以基于放电时间Δt期间的电压改变ΔU和该过程期间流动的放电电流I来计算。

因此，在根据本发明的方法中，在放电时间Δt期间跨电容器的电压改变ΔU被首先测量。同时，放电电流I在放电时间Δt期间被确定。在进一步的步骤中，电容器的实际电容C_测得基于电压改变ΔU、放电电流I和放电时间Δt来计算。

如前所述，由于电容器的实际电容C_测得取决于电容器的操作条件，因此对应的误差校正在下一步骤中进行。借助于该误差校正，电容器的经校正电容C_X被确定，在该经校正电容C_X处对电容器的电容具有影响的至少一个值被消除。因而，经校正电容是相对于经校正影响值被计算回参考值的值。由于电容器的温度对电容器的实际电容具有重要影响，因此根据本发明，影响值“温度”在误差校正期间被校正。在该误差校正期间，所测得的实际电容C_测得被转置为预定义参考温度。哪个值被选择用于参考温度在很大程度上是无关的。前提条件是温度在电容器的操作范围内。例如，可设想0℃、20℃或30℃的参考温度，仅举几个可能的示例。由于20℃的参考温度十分经常地用在电容器的数据表中，因此根据本发明的方法优选地计算回20℃的参考温度。

误差校正导致彼此相当的电容值，而不管当前操作条件如何。以此方式，可确定到目前为止电容值在电容器的使用寿命过程中已改变到什么地步。在进一步的步骤中，经校正电容C_X与电容器的初始电容C₀之间的差被计算。此处的初始电容C₀表示电容器的在电容器使用寿命的开始时呈现的电容值。对于电容器(例如，电解电容器)，电容值在电容器的使用寿命开始时相对恒定，并且朝电容器使用寿命的结束显著更快地减小。然而，电解电容器的电容值在其使用寿命期间持续地减小。这意味着可以从经校正电容C_X和初始电容C₀之间的差导出电容器剩余使用寿命的度量。如果经校正电容C_X与初始电容C₀仅相差几个百分点，则说明剩余使用寿命相对较长。然而，如果经校正电容与初始电容相差两位数的百分点，则电容器处于故障即将来临的风险中。电容器的使用寿命曲线可被用来确定剩余使用寿命。虽然电容器的使用寿命将有所不同，但仍将可能以这种方式获得预期剩余使用寿命的相当精确的描绘。

原则上，对根据本发明的方法而言，电容器的类型是无关的。然而，要点是，电容器的电容在电容器的使用寿命中相对于初始电容经历连续改变。如果电容值朝使用寿命结束比在使用寿命开始时更陡峭地下降，则将是尤其有利的。这使得可以在达到使用寿命的结束时尤其精确地进行检测。然而，以尤其优选的方式，根据本发明的方法是结合对电解电容器的剩余使用寿命的确定来使用的。

根据本发明的方法使得可以在操作期间评估电容器。其中安装了待评估的电容器的电路的类型是次要的。重要的仅仅是，电容器在电路工作期间被充电和放电至少一次。被执行至少一次的这种充电和放电必须在实际电容的确定期间进行。为了简化剩余使用寿命的确定，如果电容器(在优选进展中)被重复充电和放电，则是有利的，从而使得可以重复确定剩余使用寿命。当电容器(在尤其优选的进展中)被周期性地充电和放电时，存在尤其有利的条件，因为这使得尤其容易触发测量和/或计算。在该上下文中，电容器不需要被完全充电或被完全放电。要点仅是，对电容器的至少部分充电和放电被执行。尤其是关于在电容器的线性或准线性范围中的尤其简单的计算，即使仅对电容器进行部分放电也是有利的。

然而，以尤其优选的方式，根据本发明的方法被用在具有DC中间电路的电路中，其中待评估的电容器将接着在中间电路中被用作缓冲电容器。具有DC中间电路的这样的电路可例如由逆变器电路形成，该逆变器电路在具有AC电压的能量供应网上工作并且在输出处发出AC电压。此类逆变器例如被用在电动机的操作中。具有中间电路的尤其优选的电路是用于EC电机的逆变器。

即使以上文本涉及电容器的电容的确定，根据本发明的方法也可被用于多个互连电容器。在该上下文中，电容器是并联连接和/或是串联连接都没有关系。在若干个电容器的此类互连中，电容器的总电容将被评估。在此唯一重要的因素在于，电容器在其使用寿命过程中以类似方式改变，例如它们经历的电容减小的程度相当。此外，电容器应经受类似的应力，尤其暴露于类似的温度。在这样的情形中，电容器的整个互连的剩余使用寿命将通过根据本发明的方法来确定。于是，被用来与经校正总电容进行比较的初始电容将是所互连的电容器在它们于其使用寿命开始时被投入工作中时所具有的电容。

由于电容器的剩余使用寿命将取决于其相应的操作条件，因此在计算剩余使用寿命时可做出各种假设。例如，可设想对当前操作条件进行外推。这将使得可以制定声明：如果电容器在当前条件下继续工作，则预期在x小时内发生故障。然而，还可设想基于所流逝的时间段中(例如前7天内)的平均操作条件来外推剩余使用寿命。然而，也可设想假定用于电容器的操作的参考条件。后一种办法具有特别的优点，因为剩余使用寿命不需要被进一步调整。

除了温度之外，其他影响也具有对电容器在其操作期间的实际电容的作用。此类影响例如是测量时段期间负载电流的频率、测量时段期间跨电容器的电压电平(电压的纹波通常可被忽略，尤其是在电容器部分放电的情形中)以及测量时段期间的负载电流水平。因此，在本发明的进一步进展中，除了温度之外，这些进一步影响中的至少一者的影响也被校正。为了达成尤其精确的经校正电容，所有四个前述影响变量可在误差校正中被校正。

电容器的电容的依赖性类型通常取决于电容器的类型和电容器的特定内部结构。当暴露于变化的影响变量时，电容器的特定模型的所有实例以类似的方式表现。因此，在另一进一步进展中，一个或多个误差校正基于电容器的特性曲线来执行。这样的特性曲线可通常从电容器的数据表获得。替代地，该特性曲线也可被创建作为用于特定设计的电容器的示例。对于误差校正，特性曲线可按各种形式来被存储。例如，可以为特性曲线提供值表，其中可对介于该表的两个值之间的值进行插值。然而，为了达成尤其高效的方法，电容器的特性曲线优选地在若干子区段中被近似。由于特性曲线通常相对简单，因此可在两至三个子区段中很好地实现近似。在此，子区段优选地彼此连续地合并。尤其优选的是，这些子区段可通过一阶或二阶多项式函数来描述。以此方式，用于误差校正的计算规则可被非常高效地存储，并且经校正电容的计算可被非常简单地执行。

可关于使用寿命曲线使用被(部分地)近似的特性曲线，该使用寿命曲线可被用于确定剩余使用寿命。这使计算简单得多。

各种不同的方法可被用来检测电容器的温度。可设想直接在电容器处测量电容器的温度。这可以通过与电容器直接接触的传感器元件来完成。替代地，将可设想把温度传感器集成到电容器中。然而，优选地，电容器的环境温度被测量并被计算回电容器的温度。这是可行的，因为相对公知的是电容器内的温度在已知负载下和在已知环境温度处是如何表现的。跨电容器的电压、通过电容器的放电电流和/或放电电流的频率可被用来基于电容器周围的环境温度来估算电容器的温度。以此方式，电容器的温度可被相对准确地估算，而不需要电容器中的专用温度传感器。各种温度可被导出，诸如电容器的平均温度或核心温度。对在该过程中使用的温度的选择主要取决于相对于其执行针对温度影响的误差校正的温度。例如，如果被用于误差校正的电容器的特性曲线基于电容器的平均温度，则所测得或推导出的温度也应该是电容器的平均温度。

关于何时逼近或已达到电容器使用寿命的结束的决定取决于数个因素。这些因素包括例如电容器的类型、电容器的设计、或电容器必须保持以最小程度维持在其周围的电路中所起作用的最小电容值。因此，优选让使用寿命的结束的确定基于经校正电容已下沉至比初始电容低的预定义比例。该预定义值优选地设置为15％和50％之间的值。尤其优选地，预定义比例被选择为在15％和30％之间。在尤其优选的实施例中，预定义比例被选择为20％。

对用于测量电压改变的放电时间的选择还取决于若干因素。对于放电时间的选择重要的是，基本上没有充电电流流入电容器，且因而没有发生显著的电容器充电。因此，放电时间Δt应足够短，以便在下一次周期性充电开始之前的时间内完成测量。例如，如果电容器被布置在DC中间电路中，则充电阶段取决于电路输入处呈现的交变电压的频率。因此，输入电压的放电时间Δt应被选择为比输入电压的频率小。可设想例如Δt小于输入电压的周期长度的20％。为了简化实际电容的计算，放电时间Δt优选地还被选择成使得电容器在放电时间Δt期间被准线性地放电。如果电容器是中间电路电容器，则通常在宽范围的放电阶段期间都是这种情形。因此，这种进一步进展可被尤其容易地实现，尤其是对于具有DC中间电路的电路。

还可设想各种实现来确定在放电时间期间跨电容器的电压改变。优选地，跨电容器的电压在放电时间Δt开始时和在放电时间Δt结束时被测量，并且电压变化ΔU被从这两个电压值计算出。尤其是在逆变器中，已经知道跨电容器的电压，即中间电路DC电压，因为该电压是调节功率级所必需的。在这个方面，尤其是当在逆变器中使用根据本发明的方法时，尤其容易确定电压值并因而确定电压改变ΔU。

为了在确定初始电容时在很大程度上排除边界效应，建议在电容器或电容器周围的电路被首次投入工作中时确定初始电容。在该上下文中，优选如确定经校正电容中的那样进行。这意味着在此电压改变ΔU也被测量，放电电流I被检测且与所选择的放电时间Δt相组合，实际电容C_测得被确定。随后，误差校正被执行，该误差校正至少将电容器的温度纳入考虑。为了获得尤其精确的初始电容，建议在误差校正中包括附加的影响变量。在该上下文中，还可设想，为了消除可能的测量误差，初始电容的确定被多次执行并且平均值被从多个所确定的初始电容值中形成并且被存储为初始电容C₀的值。这将减少测量误差的影响。此外，可以设想，仅在预烧(burn-in)时段期满之后才执行初始电容的确定，即，其中布置有电容器的电路被操作达预烧时段(例如10小时)，并且只有那时才确定初始电容。

根据本发明的方法可以由根据本发明的评估单元来执行。该评估单元至少包括电压输入、电流输入、电容检测单元、校正单元和评估单元。电压输入被设计成用于输入放电时间Δt期间跨电容器的电压改变ΔU的测得值。该电压改变可按各种方式来被形成，关于这些请参考上面所列的阐述。电流输入被以这样的方式设计：使得已在放电时间Δt期间被检测到的放电电流的测得值被输入到其中。电容检测单元被设计成用于基于电压改变ΔU、放电电流I和放电时间Δt来检测电容器的实际电容。校正单元基于实际电容执行误差校正，并因而确定经校正电容C_X。评估单元基于经校正电容C_x与电容器的初始电容C₀之间的差来确定电容器的剩余使用寿命L_r。由评估单元确定的电容器剩余使用寿命的该测量可按各种方式来被使用。可设想，如果差超过预定义值，则生成警告信号。然而，还可设想保存该值以供进一步处理，例如以生成时间先后顺序的序列或在经更新的值被计算时存取该值。然而，优选地，评估单元具有输出，借助于该输出可发出由评估单元确定的剩余使用寿命的测量。

评估单元及其元件可按各种方式来实现。然而，在大多数情形中，实现将通过软件和硬件的组合来实施。例如，这可意味着电容检测单元由在微控制器或其他处理器上被处理的程序代码来实现。甚至电压输入或电流输入也可通过软件来实现，例如通过对应的电压或电流值被存储到其中的存储设备来实现。对应的实现在实践中是已知的。

评估单元可被布置在包括电路和评估单元的系统中。该电路将包括至少一个电容器，其剩余使用寿命将由评估单元来确定。该电容器在电路工作期间被充电和放电至少一次。再次应当注意到的是，充电和放电并不需要是完整的；相反，局部放电可以并且将通常发生，以使得在电路工作期间电容器中总是保留一定的残余电荷。还应当注意到，电容器的单次充电和放电原则上将足以确定电容器的剩余使用寿命。然而，优选的是，电容器被重复地充电和放电，以使得对剩余使用寿命的重复确定变得可能。尤其优选地，电容器甚至被周期性地充电和放电。

在该电路的优选实施例中，电路包括DC中间电路，其中至少一个电容器被用作缓冲电容器。在根据本发明的系统的进一步进展中，其包括中间电路监视设备，该中间电路监视设备测量跨电容器的电压并将其输入到评估单元的电压输入中。跨电容器测得的电压优选是被施加到中间电路的DC电压。

可以在用于确定放电电流I的系统的进一步进展中提供电流检测单元。该电流检测单元可包括用于测量放电电流的电流传感器，该电流传感器直接测量流动的放电电流。然而，也可设想电流检测单元从电路内已存在的其他测得值来计算放电电流。例如，如果该电路是逆变器电路，则在许多情形中已经知道由电路输出的功率。放电电流可从该输出功率以及从相应时间处存在于电容器处的电压值被计算出。均方根(RMS)值可能被用于功率和电压，尤其是用于在放电的准线性范围内的测量。以此方式，放电电流可被确定而无需附加的传感器。

该系统可具有用于检测放电电流的频率的频率检测单元。此处再次地，放电电流的频率可以从已存在于电路中的值导出。因而，频率检测单元可以从用于电路的功率级的控制信号的频率导出充电电流的频率。尤其是在逆变器的情形中，控制信号的频率是已知的。

该系统还可具有输出单元，借助于该输出单元可发出关于所确定的剩余使用寿命的信息。在尤其简单的设计中，输出单元可以由信号灯制成，例如LED(发光二极管)。当达到剩余使用寿命的结束时，信号灯将被激活。然而，还可设想到，输出单元发出具体值，诸如百分比。

于是，存在各种选择来按有利方式设计和进一步发展本发明的教导。为此，一方面参考从属权利要求的从属权利要求，另一方面，参考基于附图的本发明的优选示例性实施例的以下说明。结合基于附图对本发明的优选示例性实施例的说明，用一般术语解释了优选实施例和教导的进一步进展。附图示出了：

图1是在DC中间电路中待评估的电容器处的典型电压曲线的示图。

图2是带有根据图1的所施加电压的电流曲线的示图。

图3是相对于由温度引起的电容改变的电容器的特性曲线的近似的示图。

图4是电容器的使用寿命曲线图。

图5是用于生成由子区段近似的电容器的特性曲线的示例性序列的流程图。

图6是根据本发明的方法的示例性实施例的流程图。

图1示出了如可在DC中间电路的电容器处呈现的典型电压曲线的示图。示出了一种应用，其中电路输入处的单相AC电压由桥式整流器来整流。输入电压U_in的演变如实线正弦曲线所示。通过对输入电压进行整流，电压负区域中所表示的电压被转换为正电压，其在图1中由点线正弦半波表示。该脉动的经整流电压U_gl被施加到电容器。一旦所施加的电压超过跨电容器的电压的当前值，充电电流便流入电容器，该充电电流对电容器进行充电。一旦经整流正弦电压呈现低于跨电容器的电压的电压，电容器便被逐渐地放电。所得的电压曲线U_ZK由虚线表示。电容器的放电根据指数函数来执行，其中放电曲线在放电过程开始时呈现近似线性的走向。从该范围中选择放电时间Δt，在该放电时间Δt期间电压差ΔU被测量。图1中的椭圆表示可能的范围。在该范围内，电容与Δt/ΔU成比例，并且近似为常数。用于实际电容的确定的可能放电时间的示例被表示为Δt。电压在放电时间Δt开始时和在放电时间Δt结束时被测量，并且电压差ΔU被从这些值计算出。

图2示出了示例性电流I(C_ZK)的演变。另外，输入电压U_in和跨电容器的电压U_ZK在图2中被标出。该曲线表明，电流在充电阶段期间短暂地上升，且在别处约在-0.3A左右恒定。这意味着电容器在短电流峰值期间被充电，而电容器在近似水平区域期间被放电(在此示例中，经由电阻性负载)。

图3示出了电容随温度改变的示例性演变。20℃的温度被选择作为参考温度。随着温度升高，电容也升高，而随着温度降低，电容也降低。例如，在70℃左右的温度下，电容值将比20℃下的电容值增加近4％。图3中所显示的电容器的温度特性曲线在三个子区段中被近似。第一子区段处于从-25℃至-5℃，第二子区段在-5℃和+85℃之间，而第三子区段为+85℃以上。第一子区段用划线表示，第二子区段用实线表示，且第三子区段用虚线表示。第一部分和第三部分可通过二阶多项式函数来描述，而第二部分可通过一阶多项式函数来描述。使用图3中所示的示例性特性曲线近似，可在第一子区段中利用下述公式计算例如针对温度影响而被校正的电容

C_{x,T,-25℃...-5℃}＝(1-7·10^-5·T²-2·10^-4·T-0,0186)·C_测得

且在第二子区段中利用下述公式计算例如针对温度影响而被校正的电容

C_{x,T,-5℃...+85℃}＝(1+8·10^-4·T-0,0151)·C_测得

由于+85℃以上的第三部分通常由于电容器的非常迅速的老化而无关紧要，因此在此省略其公式描述。显然，这种近似可被用来轻松地计算针对温度影响而被校正的电容。以此方式，在给定温度下测得的电容将被校正至参考温度值，此处为20℃。经调整的电容接着针对温度影响来被校正。

如果误差校正将附加地根据其他影响因素来被执行，则这可被相应地完成。也可借助于逐段形成的特性曲线来执行这种附加的误差校正。这样的附加误差校正将接着在计算中包括在先前校正步骤中计算出的电容值。在所有误差校正步骤被执行之后，得到经校正电容C_X。

图4A示出了电容器的使用寿命特性曲线的示图。这也可包括经近似的特性曲线(按区段)。初始电容是C₀，其在电容器的使用寿命过程中减小。假定电容器始终在类似的环境条件下工作。如果电容器被以使得操作条件导致增加的老化的方式操作(例如，在电容器的高温范围内)，则特性曲线将在时间方向t上变小。在导致较小老化的操作条件下，特性曲线将在时间方向t上延伸。显然，电容在使用寿命的相对长的时段内几乎不会减小。电容仅在使用寿命的最后四分之一内显著地减小。但是，还明显的是，特性曲线朝着较低的电容值连续且稳定地向下移动。如果使用寿命的结束L_rE是由实际电容下降到比初始电容C₀低20％来定义的，则结果是使用寿命的结束L_rE，如图4中所标记。因而，本发明的方法可以在任何时候被用来形成关于剩余使用寿命L_r的评估。除当前测得值之外，必须已知的唯一值是初始电容C₀。这表明不需要重复的规程，且也不需要复杂的计算。

图5A示出了用于生成电容器的逐区段近似的特性曲线的示例性序列的流程图。在第一步骤中，电容器的电容取决于温度T、电压U、电流I或频率f来被测量。为此，其依赖性将被确定的值被连续地或者被以离散步长改变，而其他量被保持为近似常数。在该上下文中，建议将其他值保持在预定义参考值处。例如，如果电容对温度的依赖性的特性曲线要被测量，则温度被改变并且电压U、电流I和频率f在很大程度上被保持为常数。例如，温度可单个度数地改变或以5℃的跳跃来改变。测量区间的选择实质上取决于所需的准确度和用于捕捉特性曲线的最大测量历时。

在下一步骤中，测量结果被可视化。介于两个测得值之间的值可被插值，例如通过线性插值。如果要手动完成子区段和可能的近似，则此步骤是尤其必要的。否则，该步骤也可被跳过。

在进一步的步骤中，从所测得的值生成的曲线被划分成诸子区段，并且诸子区段的近似借助于线性或多项式函数来确定。在该过程中，优选使用不高于二阶的多项式函数。子区段和近似的确定可被手动完成。然而，还已知可确定此类近似的自动化方法。

图6示出了表示根据本发明的方法的示例性实施例的流程图。在该过程的开始处，电容的参考测量被作为第一步骤来执行。电容器已被安装在电路中。在下一步骤中，初始电容C₀被从这些测量计算出。这些步骤可被重复若干次，其中所有先前确定的初始电容值的平均值将接着在重复结束时被形成。

下一步骤是要计算剩余使用寿命L_r。为此，跨电容器的电压的电压改变ΔU在电容器的放电阶段的准线性范围中的放电时间Δt内被测量。为此，中间电路电压在放电时间Δt的开始和结束时被测量，并且电压改变ΔU被确定为这两个电压值之间的差。此外，温度T、放电电流I和放电电流的频率被确定或测量。在该情形中，将针对温度依赖性、频率依赖性、电压依赖性和电流依赖性执行校正。为此，特性曲线可用于每个影响变量，该特性曲线是按区段来被近似的。取决于温度、频率、电压或电流的测量值，相应特性曲线的合适子区段必须被选择。例如，如果43℃的温度被测量，则第二子区段应被选择——假定使用了图3中的特性曲线。

在下一步骤中，经校正电容C_X将接着被计算。为此，四个误差校正被一个接一个地执行，其中先前校正的经校正电容值被包括在当前误差校正中。例如，如果针对温度影响的校正被执行，继之以针对频率影响的校正，则针对温度影响而被调整过的电容值C_x,T将被输入为在针对频率影响的校正中要被校正的值。

在进一步的步骤中，经校正电容C_X与初始电容C₀进行比较，并且这两个值彼此之间的偏差被确定。通常，此偏差将以百分比形式给出。该偏差接着被用来基于使用寿命特性曲线计算剩余使用寿命L_r和/或L_rx。剩余使用寿命L_r表示如果电容器要在当前操作条件下继续工作的话的预期的剩余使用寿命。剩余使用寿命L_rx被转换为参考操作条件。在成功地计算剩余使用寿命之后，过程休止，直到下一次重复的初始化，并接着重新开始用于计算剩余使用寿命的步骤。在该上下文中，重复可例如通过一定时间量的期满来被重新触发。

关于根据本发明的教导的其他有利实施例，参考说明书的一般部分以及所附权利要求，以避免重复。

最后，必须明确指出，上面描述的示例性实施例仅仅用于讨论要求保护的教导，而并不将其限制于这些示例性实施例。

附图标记列表

T 电容器的温度

Δt 放电时间(在此期间测量进行)

ΔU 在放电时间Δt期间跨电容器的电压改变

I 在放电时间Δt期间的放电电流

f 放电电流I的频率

C_测得 测得电容

C_x 经校正电容

C₀ 初始电容

L_r 剩余使用寿命(在当前操作条件下)

L_rx 剩余使用寿命(在参考边界条件下)

L_rE 使用寿命的结束

U_in 电路的输入电压

U_gl 经整流的输入电压

U_ZK 跨电容器的电压/中间电路电压

Claims (18)

1.一种用于确定电容器的剩余使用寿命的方法，其中所述电容器被充电和放电至少一次，包括以下步骤：

测量放电时间(Δt)期间跨所述电容器的电压改变(ΔU)，

确定所述放电时间(Δt)期间的放电电流(I)，

基于所述电压改变(ΔU)、所述放电电流(I)和所述放电时间(Δt)来确定所述电容器的实际电容(C_测得)，

借助于误差校正从所述实际电容(C_测得)确定所述电容器的经校正电容(C_x)，其中温度(T)对所述电容器的电容的影响在误差校正期间被校正，以及

基于所述经校正电容(C_x)与所述电容器的初始电容(C₀)之间的差来确定所述剩余使用寿命(L_r、L_rx)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述经校正电容(C_X)的步骤期间，针对所述电容的误差校正关于在所述放电时间(Δt)期间所述放电电流(I)的频率和/或所述放电时间(Δt)期间跨所述电容器的电压(U)和/或在所述放电时间(Δt)期间的所述放电电流(I)的影响来被附加地执行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述误差校正是基于所述电容器的特性曲线来执行的，其中所述特性曲线描述所述电容器的电容对相应经校正影响变量的依赖性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性曲线由若干子区段来近似，其中所述子区段优选地彼此连续地合并，并且优选地能够通过一阶或二阶多项式函数来描述。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电容器的温度被测量，或者所述温度是在考虑到跨所述电容器的所述电压(U)、通过所述电容器的所述放电电流(I)和/或所述放电电流的频率的情况下基于所述电容器的环境温度来估算的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，赞成使用寿命结束(L_rE)的决定在经校正电容(C_X)已下降到比所述初始电容(C₀)低不止预定义比例时被做出，其中所述预定义比例优选在15％和50％之间，更优选在15％和30％之间，最优选在20％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述放电时间(Δt)按使得所述电容器在所述放电时间(Δt)期间被准线性地放电的方式来选择。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述电压改变(ΔU)，在所述放电时间(Δt)开始时跨所述电容器的电压和在所述放电时间(Δt)结束时跨所述电容器的电压被测量，并且所述电压改变(ΔU)被计算为这两个电压之间的差。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述初始电容(C₀)是在所述电容器被首次投入工作时被确定的，其中与如在确定所述经校正电容(C_X)时相同的过程被使用。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，多次测量在确定所述初始电容(C₀)时被执行，并且所存储的所述初始电容(C₀)的值被确定为来自所述多次测量的所测得值的均值。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述初始电容(C₀)的确定只有在预烧时段的结束之后才被执行。

12.一种用于借助于根据权利要求1至11中任一项所述的方法来确定电容器的剩余使用寿命的评估单元，包括：

电压输入，其被设计成用于输入放电时间(Δt)期间跨所述电容器的电压改变(ΔU)的测得值，

电流输入，其被设计成用于输入所述放电电流(I)的测得值，其中所述放电电流(I)已在所述放电时间(Δt)期间被检测，

电容检测单元，其被设计成用于基于所述电压改变(ΔU)、所述放电电流(I)和所述放电时间(Δt)来检测所述电容器的实际电容(C_测得)，

校正单元，其被设计成用于借助于误差校正从所述实际电容(C_测得)确定经校正电容(C_x)，其中温度(T)对所述电容器的电容的影响在误差校正期间被校正，以及

评估单元，其被设计成用于基于所述经校正电容(C_x)与所述电容器的初始电容(C₀)之间的差来确定所述电容器的剩余使用寿命(L_r、L_rx)。

13.一种包括电路和根据权利要求12所述的评估单元的系统，其中所述电路包括至少一个电容器，所述至少一个电容器的剩余使用寿命(L_r、L_rx)将由所述评估单元确定并且所述至少一个电容器在所述电路的工作期间被充电和放电至少一次，优选地被重复地充电和放电，尤其优选地被周期性地充电和放电。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述电路包括DC中间电路，在所述DC中间电路中至少一个电容器被用作缓冲电容器。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其特征在于，包括中间电路监视设备，其中所述中间电路监视设备测量跨所述电容器的电压，并将结果馈送到所述评估单元的电压输入。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的系统，其特征在于，包括电流检测单元，其中所述电流检测单元包括用于测量所述放电电流(I)的电流传感器，或者其中所述电流检测单元被设计成用于基于所述电路内其他物理变量的其他测得值来计算所述放电电流(I)，其中所述其他测得值优选地包括由所述电路的逆变器电路输出的功率和所述电容器处的电压。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的系统，其特征在于，包括用于检测所述放电电流(I)的频率的频率检测单元，其中所述频率检测单元优选地从用于所述电路的功率级的控制信号的频率导出所述放电电流(I)的频率。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的系统，其特征在于，包括输出单元，其中所述输出单元被设计成用于指示所确定的剩余使用寿命和/或用于在达到所述剩余使用寿命的结束时发出警告。

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