CN113156281A - 一种考核汽车电容器耐电压性能的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种本考核汽车电容器耐电压性能的试验方法，具体为在85℃环境温度下，对电容器/芯子分别施加电压U1、U2、U3、Un、Un‑1、Um和时间t1、t2、t3、tn、tn‑1、tm函数的加速因子，并在每次加载电压结束后测量电容器/芯子的容量和损耗角正切值，按照标准来考核薄膜的耐电压能力和电容器的耐久性能力，原理属于热态下击穿电压测试法。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车用薄膜电容器技术领域，特别涉及一种考核汽车电容器耐电压性能的试验方法。
背景技术
聚丙烯薄膜在拉伸、收卷、分切等生产过程中和电容器的芯子卷绕、冷压、热定型过程中会受到各种不均匀机械应力的作用,这些非均匀应力会造成薄膜上的皱折、电弱点甚至损伤,即绝缘缺陷。机械应力的作用会导致聚丙烯薄膜介质内部微孔增大以及分子链的断裂,介质内部电场严重畸变,从而导致直流局部放电性能的恶化，产生局部击穿甚至失效，对可恢复的局部击穿称为自愈。金属化膜的自愈是一个物理变化和化学反应的过程，影响因素包括介质薄膜电弱点大小、金属电极厚度、电容器的电容量、外加电压等，薄膜发生局部击穿后，既有可能因为自愈而使绝缘恢复，也有可能因自愈失败或者自愈不彻底而最终使电容器失效。
现有对薄膜耐电压能力的测试方法为对电弱点的击穿电压的测试，具体为用带有1KV～6KV的高压导电橡胶板施加在薄膜介质2个面上,使电弱点击穿产生瞬间电流,电流传感器将信号送入微处理器,电弱点自动计数，高压发生器在0.1μs内恢复高压,继续检测。完成后电容器容量、损耗角正切值等参数进行测试。该方法可以评价薄膜介质电弱点的数量和大小，但缺少对金属化膜耐电压能力和自愈性能的试验研究。
电容器需要根据薄膜的耐电压能力，来确定其额定工作电压UN，同时需要具备一定的过电压能力，根据GB/T 17702.1-1999电力电子电容器第1部分；总则标准3.1条款所要求的电容器在工作温度范围内应所具有的过电压能力如下表1。
表1
电容器需要具备在固定温度下的施加电压考核耐久性能力，根据GB/T 17702.1-2013电力电子电容器标准5.15条款所要求的耐久性能力，如直流电容器需满足在最高运行温度下1.3UN 1000小时运行容量损失率≤3％的要求。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题，就是提出一种考核汽车电容器耐电压性能的试验方法，测量电容器/芯子的容量和损耗角正切值的变化，来判断容器/芯子承受该电压的能力情况，从而推断电容器的使用寿命是否符合应用工况和标准要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种考核汽车电容器耐电压性能的实验方法，包括测试电路，所述测试电路用于提供所需电压给待检测的电容器；包括如下步骤：
S1,根据电动汽车电机控制器系统的实际工况，在85℃下对电容器分别施加电压U1、U2、U3，并保持时间t1、t2、t3，其中U1为电机控制器系统工作的最低电压，U2为电机控制器系统工作的额定电压，U3为电机控制器系统工作的最大电压；其中t1+t2+t3＝汽车设计寿命要求电机控制器的运行时长，每次施加电压结束后测量电容器的容量和损耗角正切值，判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值；
S2,在85℃下对电容器施加额定电压Un并保持时间tn，其中Un为电容器标称的额定电压，tn为1000小时，施加电压结束后测量电容器的容量和损耗角正切值；判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值；
S3,在85℃下对电容器施加耐久性试验电压Un-1，保持时间tn-1，其中Un-1取值为1.3Un，tn-1取值为167秒，施加电压结束后测量电容器的容量和损耗角正切值；判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值
S4,在85℃下对电容器施加击穿试验电压Um，保持时间tm，Um≤2.5Un，tm≥10S，失效模式为开路；判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值；
当上述测量值均满足上述判断条件，则认定电容器符合标准。
进一步的，所述测试电路包括变压器，所述变压器的输入侧包括硅桥整流模块、DC-Link电容器以及双桥臂逆变器模块，变压器的输出侧设置有硅桥整流模块和由电容和电感组成的滤波模块，在电容的两端分别接入待测试的电容器以及检测电阻，待测试的电容器与检测电阻串联，检测电阻的两端连接诶示波器。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
1.可以为电容器/芯子额定电压UN和过电压能力Us的制定提供数据支撑，传统薄膜测试方法只能反映出薄膜电弱点的数量和大小，为单点数据，而本发明专利的试验方法，试验结果反映的是电容器/芯子在不同电压等级下的分别发生热态击穿的数量和击穿程度，为整个电压范围内区间数据。
2.可以为电容器/芯子的耐久性寿命提供数据支撑，GB/T 17702.1-2013电力电子电容器标准所要求的耐久性能力，只为单点电压和时间的函数(如1.3UN 1000H)，而本发明专利的试验方法，试验结果反映的是电容器/芯子在不同电压与时间的函数，可以运行实际工况调整电压和时间参数来考核电容器/芯子在实际工况下的运行寿命。
3.可以为电容器/芯子的赋能工艺提供数据支撑，传统的赋能是电容器/芯子施加固定电压并保持固定时间，该固定电压并保持固定时间如果选择不当，存在不能不足或过度赋能的问题，而本发明专利的试验方法，可以对电容器/芯子进行整个电压范围内的赋能，大小不同、程度不同的电弱点或电弱区域都可以进行自愈，达到良好的赋能效果。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的测试电路图；
图3为本发明测试电压波形图；
图4为本发明电容器的容量波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做具体说明。
按图2搭建试验台架，具体如下：
380VAC的市电首先经过第一个D1-D4硅桥整流模块和C1 DC-Link电容器平滑滤波，消除高次谐波分量，变成510VDC直流电，其次通过由2个IGBT开关G1-G4组成双桥臂逆变器调试成PWM信号的交流电，再次经过T1变压器，将电压升高到试验所需的电压范围，最后通过第二个D5-D8硅桥整流模块和由L1，C2组成的滤波LC器，得到试验所需要的直流稳压电源。电流采样电路和示波器对试验时的电压和漏电流做检测。
将试验品电容器/芯子置于85℃的烘箱，正负极接入台架，按步骤进行试验操作，具体如下：
(1)对测试装置做必要的校准调试，档位归零；(2)将试验品电容器/芯子置于85℃的烘箱，正负极用铜线引出，再将正负极接入台架，调试台架；(3)根据被被测试薄膜电容器或芯子的电压等级和容量大小，选择相应的电流采样精度，调试好示波器；(4)开启电源按钮，依次按图3所示的电压U和时间T，分别完成(U1 t1)，(U2 t2)，(U3 t3)，(Un tn),(Un-1tn-1),(Um tm)6组试验。
本发明的试验方法采用对电容器/芯子逐级施加电压U和保持时间t，并通过每次施加电压结束后测量电容器/芯子的容量和损耗角正切值的变化，来判断容器/芯子承受该电压的能力情况，从而推断电容器的使用寿命是否符合应用工况和标准要求。同时也为进一步地判断电容器所用薄膜材料质量和工艺过程质量提供支撑数据。
如图1和图3所示，本实施例的技术方案分4个步骤，具体为：
S1,验证电容器/芯子满足电动汽车电机控制器系统寿命周期内运行电压的能力。首先确定电动汽车设计寿命和试验寿命，如CN201710060997公布的商用车设计寿命为25×104km，试验寿命为3.75×104km，本专利所举例为设计寿命为30×104km，以平均速度75km/H计算，则平均运行时间为4000H；其次确定电动汽车电池系统的工作电压范围，本专利所举例电池工作电压范围为280VDC-487VDC，额定电压为410VDC，在电机控制器系统工作中会产生约25VDC纹波电压，则电机控制器系统母线电压最小值为305VDC，额定值为435VDC，最大值为512VDC；最后确定电动汽车运行寿命内各电压区间的运行时长，其与行驶路况、气候条件和电池SOC变化有很大关系，本专利预估如下表2：
| 电压区间(VDC) | 305-385 | 385-435 | 435-512 |
| 运行时长(H) | 515 | 2750 | 735 |
表2
根据以上，则确定：
U1＝305VDC，t1＝515H
U2＝435VDC，t2＝2750H
U3＝512VDC，t3＝735H，
其中U1为电机控制器系统工作的最低电压，U2为电机控制器系统工作的额定电压，U3为电机控制器系统工作的最大电压；
其中t1+t2+t3＝汽车设计寿命要求的电机控制器运行时长。
具体实施为在85℃环境温度下，对电容器/芯子分别施加电压U1、U2、U3，并保持时间t1、t2、t3，每次施加运行电压结束后测量电容器/芯子的容量和损耗角正切值，判断依据为容量变化不超过5％初始值，损耗角正切值不大于2倍初始值；
S2,验证电容器/芯子满足标称额定电压的能力。根据GB/T 17702.1-2013标准5.13.2条款，在85℃环境温度下，对电容器/芯子施加额定电压Un并保持时间tn。其中Un为电容器标称的额定电压，本专利举例为550VDC，tn为1000H，施加额定电压结束后测量电容器/芯子的容量和损耗角正切值，判断依据为容量变化不超过5％初始值，损耗角正切值不大于2倍初始值；
S3,验证电容器/芯子满足过电压的能力。根据GB/T 17702.1-2013标准5.15.3和6.1条款，在85℃环境温度下，对电容器/芯子施加耐久性试验电压Un-1，保持时间tn-1，其中Un-1本专利取值为1.3Un＝715VDC，tn-1为运行时间内过电压时长，本专利计算为4000H/24H*1s＝167s，施加过电压结束后测量电容器/芯子的容量和损耗角正切值，判断依据为容量变化不超过5％初始值，损耗角正切值不大于2倍初始值；
S4,验证电容器/芯子满足击穿电压的能力。根据GB/T 17702.1-2013标准5.11条款，在85℃环境温度下，对电容器/芯子施加击穿试验电压Um，保持时间tm，根据GB/T17702.1标准确定，本专利确定Um≤1375VDC(2.5Un)，tm≥10s，击穿电压试验后测量电容器/芯子的绝缘电阻值，判断依据为电容器/芯子的失效模式为开路。
对试验品电容器/芯子的测试判断，按照GB/T 17702.1-2013标准5.4条款方法进行，判断依据分别按以上S1-S4进行，根据测试数据，绘制容量变化曲线，应该符合图4所示范围。
Claims (2)
1.一种考核汽车电容器耐电压性能的实验方法，包括测试电路，所述测试电路用于提供所需电压给待检测的电容器，
实验方法包括如下步骤：
S1,根据电动汽车电机控制器系统的实际工况，在85℃下对电容器分别施加电压U1、U2、U3，并保持时间t1、t2、t3，其中U1为电机控制器系统工作的最低电压，U2为电机控制器系统工作的额定电压，U3为电机控制器系统工作的最大电压；其中t1+t2+t3＝汽车设计寿命要求电机控制器的运行时长，每次施加电压结束后测量电容器的容量和损耗角正切值，判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值；
S2,在85℃下对电容器施加额定电压Un并保持时间tn，其中Un为电容器标称的额定电压，tn为1000小时，施加电压结束后测量电容器的容量和损耗角正切值；判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值；
S3,在85℃下对电容器施加耐久性试验电压Un-1，保持时间tn-1，其中Un-1取值为1.3Un，tn-1取值为167秒，施加电压结束后测量电容器的容量和损耗角正切值；判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值
S4,在85℃下对电容器施加击穿试验电压Um，保持时间tm，Um≤2.5Un，tm≥10S，失效模式为开路；判断其容量变化是否超过5％初始值，损耗角正切值是否小于2倍初始值；
当上述测量值均满足上述判断条件，则认定电容器符合标准。
2.根据权利要求1所述的考核汽车电容器耐电压性能的实验方法，其特征在于：所述测试电路包括变压器，所述变压器的输入侧包括硅桥整流模块、DC-Link电容器以及双桥臂逆变器模块，变压器的输出侧设置有硅桥整流模块和由电容和电感组成的滤波模块，在电容的两端分别接入待测试的电容器以及检测电阻，待测试的电容器与检测电阻串联，检测电阻的两端连接诶示波器。
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