CN114444306A - 一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法 - Google Patents

一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，涉及铝电解电容寿命预测技术领域。本发明是为了解决现有电容寿命预测模型未考虑电容所处环境，应力适用范围小，预测时误差大的问题。本发明提出了一种应用于充电模块铝电解电容中、且考虑任务剖面变化的电容寿命预测方法。该寿命预测方法综合考虑环境温度、运行电压、纹波电流等动态的电热应力，以确保测试条件尽可能接近实际应用，实现电容寿命的实时预测，提高电容寿命预测的精度。

Description

一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法
技术领域
本发明属于铝电解电容寿命预测技术领域。
背景技术
铝电解电容具有大容量、高耐压、高能量密度等优点，在各种充电设备中常被用于平稳电压、存储能量。但同时铝电解电容也是充电模块中故障率最高的器件之一，其寿命是影响系统寿命的重要因素。电容器的常规寿命测试通常在恒定负载条件下进行，这不能反映电容器的实际操作条件，即任务剖面对电容器寿命的影响。如何准确把握变化的环境因素和运行状态对电容器参数和寿命的影响，从而实时地精确预测电容器剩余使用寿命，为电解电容器的寿期管理提供技术支持是亟待解决的关键问题。
在电容寿命预测过程中，建立考虑任务剖面变化的铝电解电容寿命模型是实现精准预测的关键技术难点。现有电容寿命模型主要存在如下问题：
1、大部分寿命模型仅考虑了电容运行温度和运行电压对电容寿命的影响，对电容器所处实际应力环境的解构不全面。
2、电容通用寿命模型仅在用于预测某段应力下的寿命时精度较高，不适用于全范围应力下的寿命预测。有学者针对电容通用寿命模型做出改进，在电容通用寿命模型的基础上采用分段函数的方法将电容所受应力分为高、中、低三部分，提高了寿命模型预测精度，但该分段函数的应力分界点不明晰，应用难度较大。
3、电容器生产厂家提供的铝电解电容寿命数据(如温度系数、纹波电流频率系数、寿命曲线等)均为单一工况下的离散形式，但在实际应用中，电容器所处的任务剖面数据均为连续形式。因此，直接使用电容厂家提供的寿命数据无法实时预测电容寿命且存在较大误差。
发明内容
本发明是为了解决现有电容寿命预测模型未考虑电容所处环境，应力适用范围小，预测时误差大的问题，现提供一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法。
一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤一：利用傅里叶变换法将电解电容纹波电流从时域转换到频域，然后提取电解电容纹波电流的频域信息，并根据该频域信息计算全频域条件下电解电容的热点温度Th，所述频域信息包括第i个频段内的频率fi以及该频率下流经电解电容的纹波电流有效值IRMS(fi)，i＝1,2,...,n，n为全频域中频段的总数；
步骤二：构建恒压工况下电解电容的寿命模型，该寿命模型为：
Figure BDA0003492213610000021
其中，L(Ta,Th)为恒压工况下电解电容的寿命，L0为电解电容在额定任务剖面下的额定寿命，Ta为电解电容所处环境温度，a00为常数项，a10为Ta的一次项系数，a20为Ta的二次项系数，a01为c的一次项系数，a02为Th的二次项系数，a03为Th的三次项系数，a11为Ta和Th的乘积系数，a21为
Figure BDA0003492213610000022
和Th的乘积系数，a12为Ta和
Figure BDA0003492213610000023
的乘积系数；
步骤三：在步骤二所述电解电容的寿命模型中引入电压系数ku，建立考虑了电压时电解电容的额定寿命模型，该额定寿命模型如下：
Lu(Ta,Th)＝ku×L0×f(Ta,Th)，
其中，Lu(Ta,Th)为考虑了电压的电解电容额定寿命；
步骤四：根据步骤三获得的考虑了电压时电解电容的额定寿命模型计算各个任务剖面条件下电解电容的额定寿命；
步骤五：使用线性累计损伤理论构建电解电容的累计寿命损伤模型，该累计寿命损伤模型为：
Figure BDA0003492213610000024
其中，lj为电解电容在第j个任务剖面下的运行时间，Luj(Ta,Th)为第j个任务剖面下电解电容的额定寿命，第j个任务剖面的条件为：运行电压为Uj、热点温度为Thj且环境温度为Taj，j＝1,2,...,m，m为任务剖面总数；
步骤六：求解D＝1时对应的任务剖面序号k，则前k个任务剖面的累计运行时间为电解电容的寿命。
进一步的，上述步骤一中根据下式计算全频域条件下电解电容的热点温度Th：
Figure BDA0003492213610000025
其中，Rth为电解电容热阻值，RESR(fi)为频率fi条件下电解电容等效串联电阻阻值。
进一步的，上述电压系数ku表达式如下：
ku＝b00+b10U+b01I+b20U2+b11UI+b02I2+b30U3+b21U2I+b12UI2，
其中，U为电解电容的运行电压，I为运行电压U下流经电解电容的纹波电流有效值，b00为常数项，b10为U的一次项系数，b01为I的一次项系数，b20为U的二次项系数，b11为U与I的乘积系数，b02为I的二次项系数，b30为U的三次项系数。
进一步的，将电容使用信息说明中的离散寿命数据带入步骤二中恒压工况下电解电容的寿命模型，拟合获得a00、a10、a20、a01、a02、a03、a11、a21和a12。
进一步的，将电容使用信息说明中的离散寿命数据带入电压系数ku的表达式中，拟合获得b00、b10、b01、b20、b11、b02和b30。
本发明提出了一种应用于充电模块铝电解电容中、且考虑任务剖面变化的电容寿命预测方法。该寿命预测方法综合考虑环境温度、运行电压、纹波电流等动态的电热应力，以确保测试条件尽可能接近实际应用，实现电容寿命的实时预测，提高电容寿命预测的精度。
附图说明
图1为铝电解电容电热模型图；
图2为环境温度-热点温度-电容寿命的模型图；
图3为运行电压-纹波电流-寿命修正系数的模型图；
图4为充电模块环境温度年剖面曲线图；
图5为电容纹波电流频域特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式具体如下：
在铝电解电容使用过程中，由于氧化层中产生的电化学反应以及等效串联电阻较大，产生热量难以消散，内部电解液在运行中不断受热蒸发，导致电容容值、等效串联电阻等参数会在原有基准值上发生漂移。当偏差达到电容说明书中的失效标准时，铝电解电容器即可判断为磨损失效。
铝电解电容电解液的挥发速度与其热点温度正相关，热点温度越高，电解液挥发速率越大，进而导致电容的电参数劣化，因此热点温度是限制电容寿命的关键因素。
本实施方式所述的一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤一：结合图1所示电解电容电热模型，考虑纹波电流频率变化对等效串联电阻的影响，利用傅里叶变换法将电解电容纹波电流从时域转换到频域，然后提取电解电容纹波电流的频域信息，所述频域信息包括第i个频段内的频率fi以及该频率下流经电解电容的纹波电流有效值IRMS(fi)，i＝1,2,...,n，n为全频域中频段的总数。
根据该频域信息计算全频域条件下电解电容的热点温度Th：
Figure BDA0003492213610000041
其中，Ta为电解电容所处环境温度，Rth为电解电容热阻值，RESR(fi)为频率fi条件下电解电容等效串联电阻阻值。
步骤二：电容寿命模型是对电容进行状态监测和寿命预测的基础。通过对电容寿命数据进行对比分析，得出：在同一电压下，电容所处的环境温度和热点温度决定了电容寿命。
由此，构建恒压工况下电解电容的寿命模型，描述在恒定电压下环境温度剖面及纹波电流剖面对电容寿命的影响，恒压工况下电解电容的寿命模型为：
Figure BDA0003492213610000042
其中，L(Ta,Th)为恒压工况下电解电容的寿命，L0为电解电容在额定任务剖面下的额定寿命(通常在使用信息说明中列出)，a00为常数项，a10为Ta的一次项系数，a20为Ta的二次项系数，a01为Th的一次项系数，a02为Th的二次项系数，a03为Th的三次项系数，a11为Ta和Th的乘积系数，a21为
Figure BDA0003492213610000043
和Th的乘积系数，a12为Ta和
Figure BDA0003492213610000044
的乘积系数。
应用时，将电容使用信息说明中的离散寿命数据带入步骤二中恒压工况下电解电容的寿命模型，拟合获得a00、a10、a20、a01、a02、a03、a11、a21和a12。本实施方式以TDK厂商EPCOSB43541C5187M0电容为例，其寿命模型如图2所示。
步骤三：以上模型为恒压工况下考虑环境温度剖面及纹波电流剖面的电容寿命计算模型。在实际工况中，变换器的工作模式发生变化时，电容所经受的电压应力也会相应变化。
因此，本实施方式通过引入电压系数ku，建立考虑了电压时电解电容的额定寿命模型，定量描述全功率范围内电容运行电压变化对电容使用寿命的影响。考虑了电压时电解电容的额定寿命模型如下：
Lu(Ta,Th)＝ku×L0×f(Ta,Th)，
ku＝b00+b10U+b01I+b20U2+b11UI+b02I2+b30U3+b21U2I+b12UI2，
其中，Lu(Ta,Th)为考虑了电压的电解电容额定寿命，U为电解电容的运行电压，I为运行电压U下流经电解电容的纹波电流有效值，b00为常数项，b10为U的一次项系数，b01为I的一次项系数，b20为U的二次项系数，b11为U与I的乘积系数，b02为I的二次项系数，b30为U的三次项系数。将电容使用信息说明中的离散寿命数据带入电压系数ku的表达式中，拟合获得b00、b10、b01、b20、b11、b02和b30。本实施方式中以TDK厂商EPCOS B43541C5187M0电容为例，以U＝400V为修正基准，其电压修正系数如图3所示。
步骤四：根据步骤三获得的考虑了电压时电解电容的额定寿命模型计算各个任务剖面条件下电解电容的额定寿命。
步骤五：对于任务剖面中施加在电容上动态变化的电热应力，可以使用使用线性累计损伤理论构建电解电容的累计寿命损伤模型，该累计寿命损伤模型为：
Figure BDA0003492213610000051
其中，lj为电解电容在第j个任务剖面下的运行时间，Luj(Ta,Th)为第j个任务剖面下电解电容的额定寿命，第j个任务剖面的条件为：运行电压为Uj、热点温度为Thj且环境温度为Taj，j＝1,2,...,m，m为任务剖面总数；
步骤六：求解D＝1时对应的任务剖面序号k，此时电容达到失效条件，则前k个任务剖面的累计运行时间为电解电容的寿命。
为了验证所提出的基于充电模块任务剖面的铝电解电容实时寿命预测方法，搭建变换器系统模型，选取TDK EPCOS B43541C5187M0电容作为直流母线电容，使用其数据手册中提供的相关参数进行仿真验证，电容参数如表1所示。
表1电解电容基本参数
电容参数 数值
电容型号 EPCOS B43541C5187M0
额定电压Ur 450V
额定容值C 180μF
等效串联电阻ESR(120Hz，20℃) 560mΩ
热阻Rth 13.1℃/W
(1)验证恒定电压下环境温度-热点温度-电容寿命模型计算精度
利用所提出的环境温度-热点温度-电容寿命模型计算表1所示电容器在全电流范围下，运行电压为400V，环境温度在40℃至80℃的电容使用寿命，并与厂商提供的寿命数据进行精度对比，对比结果如表2所示(注：忽略电容寿命大于250000h的工况)。由表中数据可知，本发明所提出的恒定电压下环境温度-热点温度-电容寿命模型计算精度较高，精度高于93％。
表2恒定电压下环境温度-热点温度-电容寿命模型对比结果
Figure BDA0003492213610000061
Figure BDA0003492213610000071
(2)验证引入电压修正系数的环境温度-热点温度-电容寿命模型计算精度
利用所提出的引入电压修正系数的环境温度-热点温度-电容寿命模型计算电容器在全功率范围下，环境温度在40℃～80℃范围内的电容使用寿命，并与厂商提供的寿命数据进行精度对比，对比结果如表3所示(注：忽略电容寿命大于250000h的工况)。由表中数据可知，本发明所提出的引入电压修正系数的环境温度-热点温度-电容寿命模型计算精度较高，精度高于90％。
表3引入电压修正系数的环境温度-热点温度-电容寿命模型对比结果
Figure BDA0003492213610000072
Figure BDA0003492213610000081
Figure BDA0003492213610000091
(3)验证基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法
利用所提出的基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法预测电容器在充电模块任务剖面下的电容使用寿命，如图4、5所示。则在该任务剖面下，电容使用寿命约为14.87年。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用傅里叶变换法将电解电容纹波电流从时域转换到频域，然后提取电解电容纹波电流的频域信息，并根据该频域信息计算全频域条件下电解电容的热点温度Th，所述频域信息包括第i个频段内的频率fi以及该频率下流经电解电容的纹波电流有效值IRMS(fi)，i＝1,2,...,n，n为全频域中频段的总数；
步骤二：构建恒压工况下电解电容的寿命模型，该寿命模型为：
Figure FDA0003492213600000011
其中，L(Ta,Th)为恒压工况下电解电容的寿命，L0为电解电容在额定任务剖面下的额定寿命，Ta为电解电容所处环境温度，a00为常数项，a10为Ta的一次项系数，a20为Ta的二次项系数，a01为Th的一次项系数，a02为Th的二次项系数，a03为Th的三次项系数，a11为Ta和Th的乘积系数，a21为
Figure FDA0003492213600000012
和Th的乘积系数，a12为Ta和
Figure FDA0003492213600000013
的乘积系数；
步骤三：在步骤二所述电解电容的寿命模型中引入电压系数ku，建立考虑了电压时电解电容的额定寿命模型，该额定寿命模型如下：
Lu(Ta,Th)＝ku×L0×f(Ta,Th)，
其中，Lu(Ta,Th)为考虑了电压的电解电容额定寿命；
步骤四：根据步骤三获得的考虑了电压时电解电容的额定寿命模型计算各个任务剖面条件下电解电容的额定寿命；
步骤五：使用线性累计损伤理论构建电解电容的累计寿命损伤模型，该累计寿命损伤模型为：
Figure FDA0003492213600000014
其中，lj为电解电容在第j个任务剖面下的运行时间，Luj(Ta,Th)为第j个任务剖面下电解电容的额定寿命，第j个任务剖面的条件为：运行电压为Uj、热点温度为Thj且环境温度为Taj，j＝1,2,...,m，m为任务剖面总数；
步骤六：求解D＝1时对应的任务剖面序号k，则前k个任务剖面的累计运行时间为电解电容的寿命。
2.根据权利要求1所述的一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，其特征在于，步骤一中根据下式计算全频域条件下电解电容的热点温度Th：
Figure FDA0003492213600000021
其中，Rth为电解电容热阻值，RESR(fi)为频率fi条件下电解电容等效串联电阻阻值。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，其特征在于，电压系数ku表达式如下：
ku＝b00+b10U+b01I+b20U2+b11UI+b02I2+b30U3+b21U2I+b12UI2，
其中，U为电解电容的运行电压，I为运行电压U下流经电解电容的纹波电流有效值，b00为常数项，b10为U的一次项系数，b01为I的一次项系数，b20为U的二次项系数，b11为U与I的乘积系数，b02为I的二次项系数，b30为U的三次项系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，其特征在于，将电容使用信息说明中的离散寿命数据带入步骤二中恒压工况下电解电容的寿命模型，拟合获得a00、a10、a20、a01、a02、a03、a11、a21和a12。
5.根据权利要求3所述的一种基于充电模块任务剖面的铝电解电容寿命预测方法，其特征在于，将电容使用信息说明中的离散寿命数据带入电压系数ku的表达式中，拟合获得b00、b10、b01、b20、b11、b02和b30。
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