CN115508634A - 电解电容器的寿命估计 - Google Patents

Abstract

一种用于估计一个或多个电解电容器的寿命消耗的装置，包括温度传感器，该温度传感器通过设置在彼此并联连接的两个相等的电解电容器之间或设置在电解电容器的覆盖有隔热材料层的外壳上而与周围环境隔热。该装置还包括控制器，其适于基于温度传感器的测量数据来估计寿命消耗。

Description

电解电容器的寿命估计

技术领域

本发明涉及一种估计电解电容器寿命的设备和方法，以及一种使用电解电容器并包括根据本发明估计其寿命的设备的装置。

背景技术

众所周知，电解电容器会老化，而该老化取决于电解质的温度。电解电容器的生产商通常会向其客户提供公式或列线图，以估计给定温度下的寿命消耗。类似于将化学反应速率描述为温度函数的阿列纽斯(Arrhenius)方程，寿命消耗通过指数函数估计。

文献DE 102012105198 B4(ebm-papst)、DE 112018003260 T5(OMRON)、DE102004035723(Siemens)和JP H 0627175(Toyoda)教导使用位于装置不同位置的温度传感器来测量可被用于估计寿命消耗的温度值。

DE 10 2012 105 198 B4(ebm-papst)教导了电解质温度对寿命消耗很重要，并指出该温度受周围环境温度和纹波电流的影响。然而，该文件未涉及确定该环境温度的方法。

DE 11 2018 003 260 T5(OMRON)主要关注从位于装置内部的传感器的温度读数确定周围环境温度。在一个实施例中，该文献教导了将该温度传感器粘合在电解电容器之一的一侧，除了周围环境温度之外，还使用该测量来估计装置的剩余寿命。

DE 10 2004 035 723(Siemens)考虑了电动机的情况。存储在电容器中的功率和周围环境温度是确定电容器芯体温度的热量模型的输入参数。随后使用电容器的芯体温度来估计剩余寿命。周围环境温度假定为用于冷却电机的循环冷却液的温度。

JP H 0 627 175(Toyoda)最后提出了两种不同的方法：在第一个示例中，温度传感器被设置在电容器内部，直接测量芯体温度。在第二个示例中，检测器测量纹波电流，温度传感器测量电容器外围附近的温度，这两个测量用于估计芯体温度。

寿命消耗与芯体温度成指数关系。因此，估计芯体温度的不确定度会导致估计寿命的很大不确定度。由于寿命消耗随时间积分以产生总寿命消耗，不确定度可能达到使结果基本上无用的值。在电容器内部设置传感器在技术上具有挑战性，并且承担由于密封中的额外开口，电解质比没有传感器时蒸发得更快的风险，这会限制电容器的寿命。使用装置内部的热量模型是困难的，因为通常来说，不同的电气部件在不同的情况下使用时会产生不同的热量。此外，在大多数情况下，给定装置将如何设置在其最终被使用的空间中是未知的，因此，装置外壳不同部分的冷却效率对制造商而言通常是未知的。因此，将在装置内部或外部某个位置测量的温度与位于装置内部特定位置的电解电容器的芯体温度关联起来的热量模型具有很大的不确定度。由于指数关系，电解质温度的大的不确定度导致估计寿命消耗的更大不确定度。由于剩余寿命是通过使用总消耗寿命来估计的，总消耗寿命是许多寿命消耗的积分，不确定度增加得更多，导致估计的实用价值有限。如果初步预测寿命的相对不确定度大于+或-25％，则剩余寿命估计优选地具有有限的实用价值。

发明内容

因此，本发明的目的是创建一种设备来估计一个或多个电解电容器的寿命，其允许估计具有较小不确定度的剩余寿命并且可以轻而易举地用于不同的装置中。

在一个优选实施例中，根据本发明的设备被设计为，若该设备按规律性重复使用周期使用，可实现初步预测寿命的相对不确定度在-10％和10％之间，特别优选在-5％和5％之间。

本发明的解决方案由所附权利要求的特征指定。根据本发明，估计一个或多个电解电容器(ELCO)的寿命的设备包括温度传感器和控制器，该控制器适于基于温度传感器的测量数据估计电解电容器的寿命消耗。

温度传感器与周围环境隔热。这种隔热是通过将温度传感器设置在彼此并联连接的两个相等的电解电容器之间来实现的。或者将温度传感器设置在电解电容器的外壳上，通过在温度传感器上覆盖隔热材料层来实现隔热。

温度传感器的两种设置均确保测量的温度是电解电容器外壳的温度。避免了通过，例如，附近的另一个热源增加的局部加热。在一个实施例中，隔热材料层防止局部加热。在另一个实施例中，温度传感器位于两个相等的热源之间，这两个热源保护传感器免受其他热源的局部加热或冷却，从而提供与周围环境隔绝的隔热体。

此外，该传感器设置独立于使用该设备的装置的尺寸、环境和其他部件的设置。电解电容器的外壳通常由铝等金属制成，因此导热性非常好。因此，温度随外壳的变化小并且在隔热位置的测量是外壳温度的代表值。因此，作为剩余寿命估计基础的热量模型仅取决于电解电容器的特性。因此，该设备可以用于许多不同的装置和情境。

在将温度传感器设置在并联连接的两个相等电解电容器之间的优选实施例中，允许精确测量而不减少可用于冷却电解电容器的表面积。由于电解电容器相同并且由于它们并联连接，所以在其中一个电解电容器比另一个老化更快的初始时间间隔之后，它们可能具有基本相同的外壳温度。因此，设置在它们之间的传感器与其他热源或散热器隔热。

在温度传感器设置在两个相等电解电容器之间的优选实施例中，电容器的形状接近于半径为R、高度为h的圆柱体。电容器被设置为它们的纵轴平行并且被设置为彼此相距2D的距离。在这种情况下，温度传感器在垂直于两个纵轴的连线并且垂直于两个纵轴的方向上小于8的平方根与两个电容器之间的距离2D的差。进一步地，在平行于两个纵轴且垂直于两个纵轴的连线的方向上，温度传感器小于高度h与距离2D减去两倍半径R的差。温度传感器优选地被放置在一个长方体容积内，该长方体容积的宽度(B_Q)等于8的平方根乘半径与距离2D的差

该长方体容积的高度(H_Q)等于电容器的高度与其距离2D减去两倍半径R的差(H_Q＝h-(2D-2R))，并且该长方体容积的深度(T_Q)等于两个电容器的距离2D与半径R的平方和该容积宽度的一半的平方之差的平方根的两倍之差

该容积位于两个电容器之间，使得高度平行于两个电容器的纵轴，深度平行于两个电容器之间的连线。该容积的中心位于连线的中间。电容器部分地位于该容积内，允许根据该实施例的温度传感器安装到其中一个电容器的外壳上。

在电容器形状不同的情况下，温度传感器应放入的容积优选地估计为具有以下特性的点集：这些点中的每一个点的孔径不受当前电容器阻挡，在每个观察方向上至少存在一条垂直于观察方向的直线，限制为至少90°。

结果发现，通过选择该容积内的温度传感器的位置，电容器所期望的隔热效果特别显著。

将温度传感器设置在电解电容器的外壳上并通过为其覆盖隔热材料层来使其隔热，允许该设备仅包括一个电解电容器。为了最小化冷却能力的损失，温度传感器优选地设置在即使没有隔离材料也难以冷却的区域，诸如在电解电容器与装置的外壳的安装板或部件之间。

在以下描述中，电容器的寿命由不同的参数描述：

“寿命”是假设当前电容器在当前条件下使用，对其整个服务寿命(service life)的估计寿命。寿命以时间单位表示，例如以小时为单位。随着条件随时间的变化，寿命会随时间而变化，它可能会增加或减少。

“总寿命”是当前电容器在已受到条件影响或将受到条件影响时工作的时间。在电容器制好时启动，在电容器失效时停止的时钟将显示“总寿命”。总寿命以时间单位表示。

“基本寿命”L₀是当前电容器在其最大额定类别温度T₀下以及受其参考纹波电流I_S影响下的寿命。基本寿命以时间单位表示，例如以小时为单位。基本寿命是用于估计寿命的模型中的参数。因此，在很多情况下，若不是有目的地改变单位，基本寿命的单位为寿命单位。

电容器的“年限”是从电容器生产到当前时间。年限以时间单位表示。

“最长使用年限”是当前电容器在不使用但仅在室温下储存而没有特定保护也没有暴露于特定极端条件的情况下仍可工作的持续时间。最长年限以时间单位表示，通常是年。普通电解电容器的典型最长使用年限约为15年。

“寿命消耗”是每单位时间消耗的寿命的分数。它可以以每单位时间的百分比或每单位时间的份数表示。寿命消耗取决于当前的条件。寿命消耗与寿命成反比。

“总寿命消耗”是自电容器开始使用以来的寿命消耗。它是寿命消耗随时间的积分，从电容器的使用开始直到当前时刻。通常，总寿命消耗的值介于0和1或0％和100％之间，取决于所选单位。如果总寿命消耗大于1或100％，则电容器发生故障或非标称行为的风险高。总寿命消耗从0上升到1或从0％上升到100％所需的持续时间是总寿命，如果这个持续时间短于最长年限。

“使用周期寿命消耗”是单个使用周期内的寿命消耗。

“初步预测寿命”是总寿命消耗从0到1或从0％上升到100％的预测持续时间。该预测基于对总寿命消耗的推断。初步预测寿命以时间单位表示。随着总寿命消耗的推断可能被修正，初步预测寿命可能会随着电容器的寿命而改变。若电容器的寿命不受其最长年限的限制，则初步预测寿命是对总寿命的估计。

“剩余寿命”是初步预测寿命与最长年限之间较小的一个与电容器年限之差。它以时间单位表示。

在本文档中，“失效”的电解电容器是指电容或等效串联电阻等特性相对于标称值发生了不可接受的变化的电容器。尽管与标称值的可接受偏差取决于应用，但一旦达到总寿命，偏差通常会快速增加。因此，声明电容器失效的阈值的确切选择在这里无关紧要。优选地，基本寿命L₀、最长年限和寿命估计使用相同的阈值来定义“失效”。

在优选实施例中，该设备包括可以测量输出或输入数据的仪表。输出或输入数据包括受一个或多个电解电容器影响或影响一个或多个电解电容器的电压、功率或电流。本实施例的控制器适于将测量的输出或输入数据包括在其对电解电容器的寿命消耗的估计中。

特别是铝电解电容器在纹波电流流过时会产生内部热量。测量输出或输入数据，连同使用电解电容器的装置的已知特性，以及因此关于测量数据如何与通过电容器的纹波电流相关联的隐含信息，允许估计这种内部产生的热量，从而使用更精确的电解电容器热量模型。

优选地，若电压、功率或电流的变化改变通过电容器的纹波电流，则电压、功率或电流会影响电容器或受电容器影响。除了电压、功率或电流的大小，测量的特性可以是频率、模式、波形和/或相数。

纹波电流引起的发热取决于它们的频率。给定的装置在其输入和输出指定的情况下，在其寿命内以类似的方式作出反应。因此，若装置的输入和输出相同，则流过电解电容器的纹波电流基本相同。

在许多情况下，由于装置通常是针对特定输入条件构建的，输入条件是已知的，诸如具有给定均方根电压和频率的单相或三相电压以及已知的线路电压波形或已知模式等。此外，输出的相数和模式通常由电路和装置规范给定。因此，在这样的实施例中，指定输出电压、功率或电流的测量足以确定装置的状况并从中导出有效纹波电流。

在许多情况下，输出条件是已知的，因为装置通常是为提供特定的输出条件而构建的，诸如具有给定均方根电压、模式、频率和已知输出电压波形的单相或三相电压。此外，输入的相数和模式通常由装置规范给定。因此，在这样的实施例中，指定输入电压、功率或电流的测量足以确定装置的状况并从中导出有效纹波电流。

输入或输出的波形可以是，例如，正弦波、矩形波、三角波或平波。输入或输出的模式可以是，例如，直流或交流电压。优选地，控制器包括或能够访问给出了诸如输出电压、电流或功率等的测量特性与有效纹波电流之间的关联的存储器。这种关联可以以，例如，查找表的形式或公式的形式来形成。

优选地，该关联由装置的制造商导出并且当设备被安装至给定装置中时读入控制器。该关联可以通过在实验室中以足够高的时间分辨率为当前装置的可能输入和输出条件的代表性组测量纹波电流来确定。对测量的纹波电流进行分析，例如通过傅里叶变换，以获得每个相关频率的频率和RMS值。电解电容器的等效串联电阻(ESR)取决于纹波电流频率。这种依赖性是可以测量的。每个频率的频率倍增器可以通过计算标准频率处的ESR与所讨论频率处的ESR的分数的平方根来获得。有效纹波电流定义为给定频率下纹波电流与所讨论频率的频率倍增器的商的平方和的平方根。

通过直接存储有效纹波电流，该实施例在计算上是有效的：不需要详细的频率分析，也不需要在标称操作期间计算有效纹波电流。

在其他实施例中，在使用当前装置期间，装置的输出和输入总是相同的或者只有有限组不同的输入和输出的情况。在这样的实施例中，寿命消耗的估计可以纯粹基于外壳温度测量，以及在一些实施例中，基于给定集合中的输入和输出情况之一被应用的信息。在其他实施例中，当前输入和输出情况基于外壳温度的发展来确定。在所有这些实施例中，有效纹波电流值或显式地可由控制器获得，或这些一个或少数有效纹波电流值的影响被隐式地结合在控制器估计寿命消耗的方式中。

在已知只有非常少的功率会在电容器内部耗散的装置中，内部加热的影响可以在估计中被忽略，并且可以被认为是不确定度的一部分。

根据本发明的装置包括至少一个电解电容器和根据本发明的设备。

在许多情况下，电解电容器的寿命限制了包括这种电容器的装置的寿命。为装置配备根据本发明的设备允许估计需要更换装置或其电解电容器的时间。

在一个实施例中，该装置包括第一和第二检测器或电流表。控制器适于在寿命消耗的估计中包括第一和第二检测器和电流表的测量。

第一检测器适于测量装置的输入电压、输入电流和/或输入功率。第二检测器适于测量装置的输出电压、输出电流和/或输出功率。电流表适于测量通过一个或多个电解电容器的电流。

第一和第二检测器的使用允许在输入和输出的特性可能改变并且因此对于装置的制造商不是先前已知的装置中使用该设备。在这些情况下，第一和第二检测器可以检测出可能的输入和输出情况中的哪一个是给定的。例如，测量可用于检测输入电压或电流的RMS值和相数，并确定装置的输出是AC还是DC电压、相数是否适用以及其电压和/或电流。在一个实施例中，第一检测器的测量还用于检测输入频率和线路电压波形。在一个实施例中，第二检测器的测量还用于检测输出频率和输出电压波形。线路电压波形可以是例如正弦、矩形或三角形的形状，或者其可以是平波，表示直流电压。

优选地，控制器包括或能够访问给出了检测的输入和输出特性与有效纹波电流之间的关联的存储器。这种关联可以以，例如，一组查找表的形式或一个或多个公式的形式来形成。优选地，如果适用的话，对于AC和DC输出的输入和输出相位的不同可能组合，存在单独的查找表或公式，同时表格和/或公式为当前装置将由第一和第二检测器检测到的RMS电压、电流或功率连接至有效纹波电流。优选地，该关联由装置的制造商导出并且当设备安装在给定装置中时读入控制器。

使用电流表测量通过一个或多个电解电容器的电流允许直接测量纹波电流。在不了解装置对输入和输出传导的反应方式的实施例中，或在设备只能访问电解电容器直接周围的信息的实施例中，直接测量纹波电流并计算控制器中的有效纹波电流是优选的。

最终，在一些实施例中，或由于装置的规范或由于第一和第二检测器的检测，控制器可以拥有关于装置输入上的相数和输出上的特性的信息。在这些情况下，控制器可以访问列表和预计会出现在纹波电流中的频率组的频率倍增器。只有这些频率对测量电流的贡献被用于估计有效纹波电流。该实施例降低了对第一和第二检测器的要求，因为它们只需要检测相数或区分AC和DC电压。分析纹波电流所需的计算能力低于没有事先假设发生频率的情况。

在根据本发明的装置的优选实施例中，控制器考虑装置的输出模式和装置输入上的相数和/或模式和/或波形以及测量或给定的功率或电流或输入电压值来估计有效纹波电流I_a。

结果发现，纹波电流的频率受装置输入和输出模式上的相数、模式以及有时受波形的强烈影响。在装置是电源的优选实施例中，输出或输入模式可以是AC或DC电流。若输入和输出模式上的相数已知，则重要的频率以及总电流在这些频率上的分布也是已知的。仅需要测量的或已知的功率或电流或输入电压值来缩放此分布。

与在一系列纹波电流测量中评估纹波电流的频率相比，使用关于输入和输出模式上的相数、模式和/或波形的信息更有计算效率也更快。此外，与测量纹波电流频率的实施例相比，优选实施例中的采样频率可以显著降低。

在根据本发明的装置的甚至更优选的实施例中，控制器通过使用一组查找表中的一个来估计有效纹波电流I_a。根据装置的输出模式和装置输入上的相数、模式和/或波形来选择要应用的查找表。查找表返回有效纹波电流，并且优选地返回在给定或测量的输出功率值或在给定或测量的电流值或在给定或测量的输入电压值下的有效纹波电流I_a的不确定度。

由于可能的输入相数、模式和波形以及输出模式的数量是有限的，将这些信息保存在查找表中允许为给定设备在所有可能情况下可靠和快速地确定有效纹波电流I_a。然而，该信息也可以以公式和/或合适的校正因子的形式保存在控制器中或控制器可访问的存储器中。

在其他实施例中，纹波电流以当前情况感兴趣的最高频率的至少两倍的频率进行采样，并且分析测量结果以确定不同频率下的纹波电流。该分析优选地是快速傅里叶变换(FFT)。在该实施例中，当前电容器在不同频率下的ESR值或频率倍增器可由控制器获得，例如通过以表格或函数的形式保存在作为控制器的部分或可由控制器访问的存储器中。给定频率的频率倍增器优选为参考纹波电流I_s的频率f₀的ESR值与该给定频率的ESR值之比的平方根。在该实施例中，确定有效纹波电流I_a，计算在各频率处的纹波电流与相应频率处的频率倍增器之比的平方和的平方根。通过确定在预期高频纹波电流的负载情况下，假定有感兴趣的最高频率的第一值和感兴趣的最高频率的第二值的有效纹波电流，并比较结果，从而可以以迭代方式确定感兴趣的最高频率。如果差值小于可接受的不确定度，则将感兴趣的最高频率的第一值和第二值中较小的一个设置为后续测量的感兴趣的最高频率。

在一个实施例中，该装置是电源。电源包括整流器、大容量电容器、变压器并且优选地包括输出电容器。大容量电容器包括至少一个电解电容器。大容量电容器的寿命消耗由根据本发明的设备估计。

一旦它们的寿命耗尽，电源不会完全失效，而是会因产生更多纹波和噪声而开始超出其规范，在这种情况下，对寿命消耗的估计特别有帮助。与预期不同的电源传输功率可能会导致使用所讨论的电源的设备出现意外行为。找出此类问题的原因通常具有挑战性。然而，根据本发明的设备向用户指出电源的电解电容器退化的问题，从而有助于维修。

可以在变压器之前使用开关电路来产生允许有效地转换为所需电压的高频AC电流。

在根据本发明的设备的一个实施例中，控制器通过计算取决于常数(C₁)的第一电容器类型与第一和第二指数函数的乘积来估计至少一个电解电容器的寿命(L_X)。第一指数函数的指数是温度传感器测量的外壳温度(T_c)。优选地，第一指数函数的底数是与电容器类型(Q)无关的常数。

第二指数函数的指数是有效纹波电流的平方

优选地，第二指数函数的底数是第二电容器类型依赖常数(C₂)。

写成公式，根据本实施例的控制器通过计算

来估计寿命。

第一和第二电容器类型依赖常数C₁和C₂取决于电解电容器，而常数Q对于所有电容器都相同。T_c是外壳温度，即传感器测得的温度。外壳温度T_c可以以℃或K为单位给出，然而，常数C₁的值也取决于该选择。I_a是与频率相关的有效纹波电流。可以测量或估计有效电流。I_a优选地被归一化为影响第二电容器类型依赖常数C₂的额定纹波电流I_S的频率。这种归一化可以通过与校正因子相乘完成。校正因子优选地取决于在不同纹波电流频率下的等效串联电阻。

常数可以通过实验来确定，例如在相同有效电流但在不同外壳温度下观察给定电容器的寿命以确定Q，以及观察两个不同电容器的寿命，优选地每个电容器处于相同的外壳温度但处于第一和第二有效电流下，以为两个电容器评估电容器依赖常数C₁和C₂。

然而，优选地，常数被选择为等于以下值：

其中ΔT_m、R_thca、R_thjc、I_S是电容器热量模型的参数。K表示单位“开尔文”，并明确地展现以允许检查结果中的单位。具体来说，ΔT_m是在参考纹波电流I_S下芯体与周围环境之间的温差。R_thca是外壳与周围环境之间的热阻。R_thjc是芯体和外壳之间的热阻。优选地，该模型描述了一种理想化的情况，其中电容器安装在具有恒定温度，例如25℃，和1bar气压的房间中的平坦表面上。在这个优选模型中，“周围环境”是这个房间的大气。

T₀、L₀和ESR是描述电容器的参数：T₀是其最大额定类别温度，L₀是基本寿命。基本寿命L₀是在周围环境温度等于最大额定类别温度T₀和参考纹波电流I_S下电容器的寿命。ESR是在参考纹波电流I_S的频率下测量的电容器的等效串联电阻。

ΔT_m、R_thca、R_thjc、I_S、ESR、T₀、L₀的值通常由电解电容器的生产商提供。

寿命L_x是用上文给出的公式以用于基本寿命L₀的时间单位估计的。一般来说，外壳温度T_C和/或有效纹波电流I_a随时间变化，因此，在外壳温度T_C和/或有效纹波电流I_a基本恒定的时间段Δt内，实际仅使用了估计寿命L_x的一部分。

这些公式所基于的热量模型通过其芯体中的热源(即耗散的纹波电流)和第二个热源(即周围环境空气)来表示电容器。在这两者之间，热量从芯体传导到外壳，从外壳传导到周围环境。这种热传导的效率由热阻R_thjc、R_thca描述。

内部功率损耗以及电容器芯体的发热由等效串联电阻ESR描述。在参考纹波电流I_S下，发热芯体的功率损耗为

欧姆定律的模拟模型可以应用于稳态情况下的热传导，其中温差与通过给定结构传导的热能之比等于其热阻：

该定律适用于芯体和周围环境之间的结构以及芯体和外壳之间的结构。如果纹波电流相同，加热电容器的功率损耗W在两种情况下当然是相同的。因此，在给定纹波电流下，

在测量情况下，周围环境和芯体之间的温差ΔT_m对具有纹波频率f₀的参考纹波电流I_S是已知的，而外壳温度T_c将在具有通常不同于纹波频率f₀的纹波频率f_a的不同纹波电流的情况下测量。通常，ESR取决于纹波频率。然而，有效纹波电流I_a被定义为包括一个乘数，该乘数消除了ESR的这种频率依赖性。因此，如果使用有效纹波电流I_a来表征纹波电流，则所有纹波电流频率的ESR都是相同的。因此，可以修改上文给出的公式，以考虑出现的有效纹波电流I_S、I_a、I_b中的差异：

这允许将周围环境温度，一种难以以足够的准确度测量的热量模型参数，表示为ΔT_m(I_S)的函数，其为给定有效纹波电流I_a下电容器和外壳温度的特性：

在有效纹波电流I_a下，周围环境与芯体之间的温差ΔT＝T_j-T_a可以从相同的公式推导出为：

经实验发现，电解电容器的寿命可表示为：

其中，T₀是参考温度，I_S是参考纹波电流，ΔT_m是参考纹波电流I_S流过电容器时芯体与周围环境之间的温差。K是单位开尔文。L₀是周围环境温度T_a等于参考温度T₀且有效纹波电流I_a等于参考纹波电流I_S时的寿命。

使用上文导出的公式，寿命可以表示为外壳温度的函数：

使用上文定义的常数，得到上文给出的寿命、测量的外壳温度T_c和测量的或估计的有效纹波电流I_a之间的关系：

在优选实施例中，控制器估计至少一个电解电容器在时间段(Δt)内的寿命消耗(LC)是与时间段(Δt)在寿命上的商成比例的。为在此时间段内测量或假设发生的外壳温度(T_c)和有效纹波电流(I_a)确定寿命。

优选地确定寿命消耗以便能够对其在时间上进行积分从而估计剩余寿命。寿命消耗LC优选地以寿命的百分比或分数来表示。由于寿命可能因时间段而异，后续时间段之间的寿命消耗也可能不同。

特定时间点的寿命消耗LC与寿命L_X成反比：

在优选实施例中，选择时间段Δt使得外壳温度T_c和有效纹波电流I_a在其持续时间内基本恒定。在该优选实施例中，该时间段的寿命消耗与该时间段和在该时间段内使用条件评估的寿命的商成比例：

下标c用于表示连续情况，其中寿命和寿命消耗是及时地针对每个时刻单独确定的。下标d用于表示离散情况，其中时间被划分为可能很小但可测量的时间段Δt。

优选地，时间段的寿命消耗以百分比表示，在这种情况下

在另一个优选实施例中，时间段的寿命消耗以1的部分表示，使得

使用上文给出的寿命估计表达式，时间段Δt的寿命消耗如下：

在寿命消耗以寿命的部分来表示的情况下，其可以表示如下：

因此，无需事先在独立计算中确定寿命就可以估计寿命消耗。

在根据本发明的装置的一个实施例中，控制器考虑外壳温度、有效纹波电流以及优选地时间段的不确定度，确定寿命消耗的不确定度。

跟踪不确定度有助于解释结果。由于测量参数，外壳温度以及优选地至少间接测量的有效纹波电流都是决定寿命的函数的指数，因此结果中的不确定度不经计算很难估计。

在优选实施例中，在常规时间段中估计寿命消耗。在这样的优选实施例中，时间段也被测量并且因此具有可以在离散情况下的寿命消耗LC_d(Δt)的总不确定度中考虑的小的不确定度。

不确定度的传播优选地借助测量值周围的截断泰勒级数来确定，由于上文讨论的参数的正负不确定度，该级数一次评估以给出最负偏差，一次给出最正偏差。

离散情况下的寿命消耗估计如下：

在这种情况下，截断泰勒级数结果为：

从而

并且

并且

并且

并且

并且

因此，离散情况下寿命消耗的相对不确定度为

在典型电解电容器的情况下，T₀＝105℃，I_s＝1.170A，在T₀和I_s下ESR＝0.125Ω，ΔT_m＝5.2℃，R_thjc＝7.01K/W，R_thca＝23.4K/W且L₀＝131400h，常数为C₁＝4·10⁸,C2＝0.72,

举例来说，假设有效纹波电流I_a为1A，T_c为50℃，则相对误差如下：

这表示，在离散情况下，温度测量的不确定度通常支配寿命消耗的不确定度。然而，随着有效纹波电流的增加，C₂和有效纹波电流中的不确定度变得更加重要。由于其包含描述电容器的参数和通常众所周知的温度模型，C₂通常只有很小的不确定度。

在优选实施例中，因此通过忽略常数中的不确定度来简化不确定度传播，常数中的不确定度通常明显小于测量的不确定度：

所涉及的常数定义如下，对数项的符号为负：

改写后，由有效纹波电流I_a、外壳温度T_c和时间段Δt的微小变化引起的寿命消耗中的差异为：

特别是在时间段较长的情况下，相较于由于这些参数的变化而随着时间段长度的增加而增加的有效纹波电流和温度的相对不确定度，时间段内的相对不确定度可以忽略不计：

这进一步简化了分析。

由于时间段只是离散情况下寿命消耗计算的一部分，连续情况下寿命消耗的不确定度可以通过将时间段中的相对不确定度设置为零来使用上述给出的公式估计。

通过使用一次带有正号的估计差和一次带有负号的估计差，可以估计由测量中的不确定度引起的估计寿命消耗的正负差。

在离散情况下，优选为每个时间段Δt确定寿命消耗的正负方向的不确定度。

在n个时间段后的总寿命消耗是这些时间段内寿命消耗的总和：

在n个时间段Δt后总寿命消耗的不确定度是每个时间段内寿命消耗的各不确定度的总和：

在优选实施例中，假设带有正号的估计差等于带有负号的估计差的绝对值。在这种情况下，每个时间段仅计算一个寿命消耗的不确定度，并且总寿命消耗也只有一个估计值。

在优选实施例中，根据本发明的装置的控制器确定寿命消耗，并且优选地确定其在常规时间段中的不确定度。每个时间段由平均温度和平均有效电流表示。平均温度和平均有效电流或平均输入电压优选地是在时间间隔期间获得的所有合适测量的平均值。在该实施例中，总寿命消耗是所有先前寿命消耗的总和。优选地确定和存储总寿命消耗。

在足够小的常规时间段内确定寿命消耗允许在恒定外壳温度和恒定有效纹波电流下以及在外壳温度和有效纹波电流随时间变化的情况下使用上述公式和方法来确定的寿命消耗。时间段的选择方式使得由恒定情况的假设引起的不确定度是可以接受的。

在一个优选实施例中，上述讨论的不确定度估计公式可用于设置合理的时间段长度，从而估计外壳温度T_C和有效纹波电流I_a的变化率以及测量时间段ΔΔt的测量不确定度。用户可以指定总寿命消耗中可接受的不确定度。若可进一步估计外壳温度和有效纹波电流的典型值，则估计给定时间段的寿命消耗的不确定度的公式可以重新表述为时间段Δt的二次方程。

然而，优选地，将时间段的长度设置为当前装置的典型时间尺度的分数。优选地，将时间段Δt设置为使用周期的持续时间的1h、0.1h或0.01h或1/100。

常规时间段的使用有助于对作为根据本发明的装置的部分的一个或多个电解电容器的寿命消耗进行控制和评估。

然而，在其他实施例中，时间段的长度可以变化。在优选实施例中，在第一模式中使用较短的时间段并且在第二模式中使用不同长度的时间段，从而第二模式中的时间段的长度优选地受到在应用第一模式期间进行的观察的影响。优选地，如果第一模式的后续时间段的寿命消耗基本恒定，则第二模式的时间段长于第一模式的时间段，而如果第一模式的后续时间段的寿命消耗经常以超过预定义的量变化，则第二模式的时间段短于第一模式的时间段。在本实施例中，装置自行定义合理的时间段长度。因此，在制造商未知该装置的使用的情况下，优选该实施例。

在一个实施例中，在每个时间段内只进行一次测量并且该测量为单个外壳温度读数。在这种情况下，平均温度是该测量的结果，如果需要，估计平均有效纹波电流。这个实施例需要很少的测量，因此只需要很少的计算能力。

在另一个实施例中，在每个时间段内还存在对输出功率、电流或输入电压的单次测量，并且该测量用于估计平均有效纹波电流。该实施例也需要非常少的测量，但允许对输出功率、电流和/或输入电压事先未知且难以估计的装置进行更精确的寿命消耗估计。

在另一个实施例中，在每个时间段内多次测量外壳温度。例如，在一个时间段内获得十个外壳温度测量并且平均外壳温度是通过计算这些值的算术平均值来确定的。

类似地，平均有效纹波电流可以使用不止一个测量来评估。然而，多个测量可以以不同方式使用：在一个实施例中，直接测量纹波电流并分析多次测量以确定所涉及的频率，在这种情况下，多个测量仅产生单个有效纹波电流值，该值随后被假定为平均有效纹波电流值。在另一个实施例中，电流、输入电压和/或输出功率的每个测量或每组测量被用于确定单个时间段内的多个有效纹波电流值，例如通过使用查找表和关于输入相数和输出模式的信息。在这种情况下，在单个时间段内确定的多个有效纹波电流值的算术平均值可以用作平均有效纹波电流。在另一个实施例中，测量值(例如输入电压、电流和/或功率)的算术平均值，在基于该平均值确定有效纹波电流之前确定，例如通过使用适当的查找表，并用作平均有效纹波电流。

在计算一组外壳温度测量和/或电流、电压功率测量或一组有效纹波电流的算术平均值之前，可以应用滤波器来去除明显的缺陷数据点或对高质量数据点应用更高的权重。

在根据本发明的装置的优选实施例中，用户可以指定使用周期。使用周期预计在未来重复。

该实施例的控制器在时间段内或在该使用周期期间连续地确定寿命消耗并且优选地确定其不确定度。通过对使用周期的寿命消耗进行积分或相加，该控制器确定使用周期寿命消耗并且优选地确定其不确定度。

使用周期寿命消耗(LC_uc)被控制器用来通过线性地推断总寿命消耗(LC_total(t))来确定初步预测寿命(L_pp)。

该线性推断的斜率优选地为使用周期寿命消耗(LC_uc)和使用周期的持续时间(Δt_uc)的商。优选地，用于线性推断的函数包括使用周期的开始(t_b)和使用周期开始时的总寿命消耗(LC_total(t_b))。

初步预测寿命(L_pp)是从电容器寿命开始到总寿命消耗(LC_total(t))的推断达到指示寿命结束的值之间的持续时间。若寿命消耗被定义为寿命的分数，则此值为1；若寿命消耗被定义为寿命的百分比，则该值为100％。

如果将寿命消耗定义为寿命的分数，则优选地以如下方式计算初步预测寿命：

优选地，控制器还包括对一个或多个电解电容器的年限(t)进行计数的时钟。

剩余寿命L_R(t)由控制器估计为一个或多个电解电容器的年限(t)与初步预测寿命(L_pp)和电解电容器的最长年限t_max中较小的一个之间的差值。

L_R(t)＝min(L_pp，t_max)-t

在没有时钟计算一个或多个电解电容器的年限的装置中，该年限可以通过离散情况下的所有先前时间段的总和或通过连续情况下1对时间的积分来确定。

优选地，一起返回剩余寿命L_R(t)与其不确定度ΔL_R(t)。优选地，不确定度ΔL_R(t)是通过使用仅包含线性项的截断泰勒级数，考虑确定一个或多个电容器的年限δt的不确定度、最长年限Δt_max的不确定度和初步预测寿命(ΔL_pp)的不确定度来确定的。优选地通过考虑使用周期寿命消耗ΔLC_uc和使用周期持续时间(ΔΔt_uc)以及年限(Δt_b)和在记录的使用周期开始时的寿命消耗(ΔLC_total(t_b))的不确定度以相同方式估计初步预测寿命(ΔL_pp)的不确定度。

若使用周期的持续时间(ΔΔt_uc)和使用周期开始时的年限(Δt_b)的正不确定度与使用周期寿命消耗ΔLC_uc和在记录的使用周期开始时的寿命消耗(ΔLC_total(t_b))的负不确定度一起出现，初步预测寿命的最大正不确定度出现。若使用周期的持续时间(ΔΔt_uc)和使用周期开始时的年限(Δt_b)的负不确定度与使用周期寿命消耗ΔLC_uc和在记录的使用周期开始时的寿命消耗(ΔLC_total(t_b))的正不确定度一起出现，初步预测寿命的最负不确定度出现。

在优选实施例中，剩余寿命以记录的使用周期的持续时间(Δt_uc)为单位表示：

若假设使用周期自记录以来一次又一次地重复，则表达式

只是自记录的使用周期开始以来出现的使用周期数。

该实施例允许用户以使用周期为单位获得剩余寿命估计。这个数字通常比小时数更全面，因为用户很可能希望在使用周期之间安排维护和维修。此外，在大多数情况下，与测量当前时间和确定使用周期的持续时间相比，计算使用周期会产生具有较小不确定度的结果。

大多数装置，尤其是电源，都以非常相似的方式被一遍又一遍地使用。例如，使用电源的机器可能每天早上开启，每天晚上关闭，或者机器上的负载可能会以每天、每周或每小时重复的模式变化或在完成特定任务所需的时间框架内变化。

在使用根据本发明的装置的方式中，使用周期是这样一种重复模式。

定义和记录这样的使用周期提高了剩余寿命估计的质量：在使用周期的过程中，每单位时间的寿命消耗可能会发生显著变化。如果通过对任意时间跨度上的平均值进行插值来估计剩余寿命，则存在很大风险，即，该任意时间跨度包含许多具有高寿命消耗或具有非常低寿命消耗的时间段。两者都会导致对剩余寿命的不切实际的估计。

通过允许用户定义或记录特定的使用周期，可以通过使用在使用周期期间观察到的确定的使用周期寿命消耗来产生对剩余寿命的有意义的预测。

此外，如果使用周期发生变化，该实施例允许用户获得更新的预测，例如当装置用于其他目的时：一旦控制器注册了新的使用周期，先前的寿命消耗不会影响未来推断的斜率。

在优选实施例中，后续使用周期用于改进使用周期寿命消耗的估计。在该实施例中，控制器连续地确定测量是否由定义的使用周期很好地表示。如果是这种情况，则使用观察到的使用周期寿命消耗来计算使用周期寿命消耗的平均值，并且该平均使用周期寿命消耗用于估计剩余寿命。

在另一个优选实施例中，尽管所有使用周期都由定义的使用周期很好地表示，在从一使用周期到另一使用周期时，控制器确定使用周期寿命消耗是否以系统的方式发展。在这种情况下，控制器可以使用最后的已测量的使用周期的观察到的寿命消耗或最后几个已测量的使用周期的平均值来估计剩余寿命。该实施例允许在诸如例如导致不同周围环境温度的季节或由周围部件老化导致的加热等缓慢变化的背景条件下自动改进剩余寿命的估计。为了检测系统的发展，控制器优选地存储所有检测到的使用周期的使用周期寿命消耗。

优选地，若外壳温度随时间的变化与记录的或定义的使用周期中的一个相似，同时在测量的绝对值中接受更大的差异，则测量由记录的或定义的使用周期很好地表示。优选地，用户可以设置关于外壳温度测量和/或纹波电流估计的变化的第一阈值和关于外壳温度、有效纹波电流和/或寿命的绝对值的第二阈值。在本实施例中，若变化的差异低于第一阈值并且若绝对值的差异低于第二阈值，则控制器假设观察到的使用周期由记录的或定义的使用周期很好地表示。

优选地，在确定使用周期的寿命消耗时使用的时间段Δt可以小于在装置后续使用期间使用的时间段，从而使得用于定义的使用周期的寿命消耗的不确定度可以低于后续使用周期的不确定度。在这种实施例中，后续在使用周期中寿命消耗的确定可以主要用于确定后续使用周期由记录的使用周期很好地表示。

优选地，对所有时间段进行积分以产生总寿命消耗。具体而言，不被认为是使用周期的一部分或属于先前定义的使用周期的一部分的时间段也被计入总寿命消耗，从而使得不完整的使用周期仅影响总寿命消耗，而不影响每个使用周期的寿命消耗。

在优选实施例中，控制器记录外壳温度测量或估计的寿命消耗，并且优选地在其规范期间记录使用周期的估计有效纹波电流。将这些记录的数据序列与在假定为使用周期重复的时间内产生的数据序列进行比较。在该优选实施例中，若控制器检测到记录数据和测量数据之间的偏差大于阈值，则控制器向用户发出信号，从而警告用户剩余寿命估计中的质量损失。优选地，控制器发出要求用户指定新的使用周期的信号。

在进一步优选实施例中，控制器将存储的使用周期寿命消耗及其不确定度与定义的使用周期持续时间内的当前寿命消耗进行比较。如果该检测到的寿命消耗与存储的使用周期寿命消耗的差异大于估计的不确定度，并且如果该情况发生超过预设时间，则控制器发出警告并建议记录和定义更合适的使用周期。

在一个特别优选的实施例中，在控制器检测到记录和产生的数据序列之间的显著差异的时间期间，控制器试图及时移动记录的数据序列，以便找到当前情况和记录的数据序列之间的最小化差异的相移。如果记录的但已移位的数据与测量数据之间的偏差小于阈值，则更新初步预测寿命和/或剩余寿命以在产生的数据序列再次由记录的使用周期很好地表示的时间点包括年限和总寿命消耗，并且控制器优选地停止发出警告。

在优选实施例中，定期更新初步预测寿命和/或剩余寿命的推断，使得通过推断考虑关于年限和总寿命消耗的最新可用数据。

在线性推断的优选情况下，初步预测寿命和/或剩余寿命在该实施例中用以下公式估计，其中t_u是关于年限和总寿命消耗的最新可用数据的时间。

L_R(t)＝min(L_pp，t_max)-t

通过不时地更新剩余寿命和/或初步预测寿命，优选地在指定使用周期的持续时间之后，控制器可以考虑单个事件对剩余寿命的影响。例如，跳过或中止的使用周期将延长剩余寿命，并且根据该实施例的更新允许考虑这种影响。

在优选实施例中，控制器包括接口并存储外壳温度，优选地，有效纹波电流和获得这些值的每个时间段的寿命消耗。这些值或从它们得出的统计数据可以通过接口导出。在一个实施例中，接口是IO-链路。

通过不仅考虑寿命消耗，还考虑用于估计寿命消耗的外壳温度和有效纹波电流的值，用户可以检测和分析装置的长期变化。例如，外壳温度的长期变化可能是由季节引起的，也可能是由于装置中周围部件的退化而提供比先前更多的热量。此外，用户可以使用数据来优化装置的使用以延长其寿命。

不存储和导出每个数据值，而是导出和存储从它们导出的统计数据或两者的混合，从而可以保护存储器并允许更快地概览所需特性。例如，仅存储固定数量的数据集，而电容器的早期历史可以通过仅为每个使用周期存储使用周期的类型及其偏差或整个使用周期的平均外壳温度来记录。还可以对数据进行归类以产生直方图数据，例如存储具有给定寿命消耗的时间段数量或具有特定外壳温度或特定假定有效纹波电流的时间段数量。另一个有助于估计时间段长度选择的影响的统计数据可以是显示后续时间段之间的寿命消耗差异的直方图。

该接口优选地还可以用于定制对寿命消耗、剩余寿命和/或不确定度估计的评估。例如，用户可以指定估计有效纹波电流或更新描述电容器和热量模型的常数的方法。他可以选择不同的时间段长度，定义使用周期和阈值，设置更新剩余寿命的时间间隔，并调整公式以推断总寿命。

在优选实施例中，控制器除了接口之外还包括允许指定使用周期的按钮和指示剩余寿命量的显示器或灯光指示器。例如，可以通过以下形式定义使用周期：在使用周期开始时按一次按钮，在使用周期结束时按两次按钮，并且只要剩余寿命超过初步预测寿命和最长使用年限中较短者的25％，灯光指示器可以发出绿色光，一旦该分数减少到10％，就会变成橙色，一旦没有剩余寿命，就会变成红色。闪烁的灯光指示器可以发出信号，表明当前使用的使用周期似乎不能很好地反映装置的当前使用。

其它有益的实施例和特征组合从以下详细描述和全部权利要求中得出。

附图说明

用于解释实施例的附图显示：

图1是电解电容器的示意图；

图2a、2b、2c是根据本发明的外壳温度测量和温度传感器的位置的图示说明；

图2d、2e是用于放置根据本发明的温度传感器的容积的图示说明；

图3是电容器的热量模型；

图4是电解电容器在单个使用周期内的有效纹波电流和外壳温度的示例；

图5a示出了受如图4所示的有效纹波电流和外壳温度影响的电解电容器的估计寿命、寿命消耗和总寿命消耗；

图5b是如图5a所示的寿命消耗和总寿命消耗的放大视图；

图6是电解电容器在多个使用周期内的有效纹波电流和外壳温度的示例，包括使用周期的变化，此外，图6显示了在检测和定义第二使用周期后更新的总寿命消耗和估计的剩余寿命；

图7示出了包括大容量电容器的电源电路，该大容量电容器是电解电容器，其寿命由根据本发明的设备估计。

在附图中，相同的部件被赋予相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了电解电容器1。芯体10由被绝缘体隔开的两个导体表面形成。在一个示例中，芯体由两个铝箔的轧制夹层形成，两个铝箔由用作绝缘体的浸渍纸隔开。纸浸渍有电解质。芯体10除一侧外全部被外壳11包围。开口侧由通常由橡胶制成的密封件13封闭。两根端子导线14穿过密封件13，一根导线与芯体10中的一导体连接，另一根导线与芯体10中的另一导体连接。外壳11的外部和密封件13的一部分由绝缘套管12保护。套管12通常只是薄塑料层，其上印有诸如电容器类型、电容和极性等信息。图1还显示了电解电容器1的热量模型的“周围环境”15。

电解电容器1的寿命通常受到电解质的化学降解及其蒸发的限制。因此，电解电容器具有与使用无关的最长使用年限53和温度以及因此可以估计的与使用有关的寿命43。在大多数情况下，使用中的电解电容器的寿命43比最长使用年限53短。

在电解电容器1的寿命结束时，通常，其电容减小并且其阻抗和等效串联电阻增大。等效串联电阻的增大导致更多发热。在装置中，老化电容器1与设计规范越来越不同。取决于装置和电容器1被用作的功能，用户可能会注意到噪声的增大和/或周期性的功率不足。电解电容器1的寿命定义为其特性保持在标称值附近的可接受区间内的时间。

电解电容器1的寿命估计取决于其芯体10的温度。然而，如果想要直接测量芯体温度，则必须通过密封件13插入传感器。这削弱了密封件13并加速了蒸发，并因此电容器1的最长使用年限53减少。此外，电容器1通常被构造成尽可能紧凑。因此，在商业上可用的电解电容器1中，仅有很少空间或没有空间放置温度传感器32。

根据本发明的一个实施例，如图2a所示，温度传感器32因此安装在电解电容器1的外壳11上，或者直接安装在套管12上。套管12足够薄，在温度模型中可以作为外壳11的一部分。在该实施例中，温度传感器32通过隔热材料层320与周围环境15绝热。因此，温度传感器32的温度以及作为结果的测量值受外壳11的温度支配。

隔热材料层320仅覆盖传感器及其最接近区域，该最接近区域的面积与外壳11的总面积相比较小。这允许电容器1将热量散发到周围环境15中，从而最小化由温度测量造成的影响。

温度传感器32连接到控制器31，控制器31使用外壳温度测量来估计电容器的寿命。在以下所示的情况中，温度传感器32通过电缆传输其数据。在其他实施例中，可以使用无线传输。

根据本发明的一个实施例，如图2b和2c所示，温度传感器32安装在两个并联连接的电解电容器1a、1b之间。两个电解电容器1a和1b是相同类型和相同尺寸的，并且由于并联连接而受到相同的内部加热，并且由于彼此相邻而在相同的周围环境条件下。图2b显示了侧面的情况，图2c显示了顶部的情况。从所有侧面看，温度传感器32设置在两个电容器之间。由于两个电容器1a和1b产生相同的热量，它们之间的温度将等于共同的外壳温度。第二电容器，而不是添加的绝缘层，保护温度传感器32免受诸如局部热源或散热器等环境影响。温度传感器32可以在装置中的第一和第二电容器1a、1b之间的区域粘连在电容器1a、1b之一的套管12上。

在图2b和2c所示的实施例中，除了温度传感器32之外，还有测量电容器1a和1b上的电流和电压的电流表34和电压表33。该数据也被发送至控制器31。控制器31使用电流和/或电压测量来估计流过电容器1a和1b的有效纹波电流。

在根据图2a的实施例中，基于有关源相数、输出模式和输出侧所需功率的信息来估计有效纹波电流。该信息优选地在用于控制装置的电路开关的开关控制器和估计寿命的控制器31之间共享。优选地，开关控制器和控制器31作为单个单元，控制装置的电路开关的开关以及估计电解电容器的寿命消耗和剩余寿命。

图2d和图2e示出了为使温度传感器32与周围环境15隔热，在根据图2b和2c的实施例中优选地设置温度传感器32的容积。图2d从上方示出了两电容器1a、1b。虚线表示其中一个电容器的半径和它们之间的连接线以及垂直于连接线和电容器纵轴的方向。在该投影中设置的温度传感器32的立方体321显示为设置在两个电容器之间的小矩形。图2e从侧面显示了情况。在该透视图中两个电容器1a和1b显示为具有相同高度h的矩形，在该示例中该高度h沿它们的纵轴表示。它们之间的距离与图2d中的相同。在该投影中设置的温度传感器32的立方体321显示为两个电容器之间的细长矩形。虽然在图2d和图2e的示例中很难看到，但电容器的一部分延伸到立方体中，并且温度传感器会粘连在该部分的表面上。

图3示出了根据本发明的寿命估计所基于的热量模型2。该模型描述了三部分：电容器的芯体10、外壳11和周围环境15。芯体10和外壳11被模拟为热电容。周围环境15被模拟为提供恒定的环境温度的等效电压源。除了热电容之外，芯体10还包括与热电容并联的等效电源，其表示在使用期间芯体10中的功率损耗所产生的热源。三部分之间的接口由热敏电阻模拟。这些接口中的第一个在芯体10和外壳11之间，在芯体和外壳201之间具有热阻R_thjc。这些接口中的第二个是在外壳11和周围环境15之间，在外壳和环境215之间具有热阻R_thca。

该热量模型2的参数可以通过在受控环境中使用电解电容器进行适当的实验来确定。例如，外壳温度可以根据不同的有效纹波电流和不同的周围环境温度来确定。

为了估计当前方法中的寿命消耗，假设关于温度的稳态情况，因此只需芯体和外壳201之间的热阻值R_thjc以及外壳和周围环境215之间的热阻值R_thca以及有效纹波电流的热源。

图4示出了外壳温度42和有效纹波电流41在使用周期内随时间的发展的示例。外壳温度42和有效纹波电流41以任意单位给出，并绘制在公共y轴上。时间沿公共x轴演变。

当使用当前电解电容器的装置关闭时，外壳温度等于周围环境温度。一旦装置开启，就会出现纹波电流并开始产生热量，该热量使芯体的温度升高。热量被传导到外壳并检测到温度升高。纹波电流在使用过程中发生变化，最终在装置关闭时减小到零。在没有加热的情况下，导体冷却直至外壳温度等于周围环境温度。

在优选实施例中，寿命估计和/或消耗寿命由平均温度420和/或平均有效纹波电流410导出以表示在给定时间段55内的情况。优选地选择时间段55使得温度42和有效纹波电流41的变化小。在图4中选择了长时间段55，主要是为了说明原理。然而，即使是这些长时间段55也给出了外壳温度和有效纹波电流发展的粗略表示，并可用于，例如，确保指定的使用周期正在进行。

在图4所示的情况下，平均温度420和平均有效纹波电流410值是在时间段55内所有测量的算术平均值。然而，在其他实施例中，平均温度420和平均有效纹波电流410是所讨论的时间段55的评估代表值。例如，外壳温度42和有效纹波电流41在每个时间段55内仅测量一次。

图5a显示了基于图4所示的有效纹波电流41和外壳温度42的估计寿命43。图5b显示了寿命消耗44和总寿命消耗45。尽管图5a中所示的估计寿命43以时间单位给出，寿命消耗44和总寿命消耗45以电容器总寿命的分数或百分比给出。在所示的情况下，寿命消耗44表示为每单位时间电容器的总寿命的分数，总寿命消耗表示为电容器的总寿命的分数。因此，如果总寿命消耗45达到值1，则电容器已经达到其初步预测寿命的终点并且可能开始显示性能降级效应。

寿命消耗44与估计寿命43上的一个时间单位成比例，并且总寿命消耗45是寿命消耗44随时间的积分。因此，在第一使用周期结束时的总寿命消耗45可以用作对使用周期寿命消耗的估计。若在电解电容器的服务寿命后定义使用周期，则使用周期寿命消耗是使用周期结束时的总寿命消耗45与其开始时的总寿命消耗45之间的差。

图5a和5b显示了电解电容器的第一个使用周期：总寿命消耗45在所示时间间隔开始时为零。如果当前电解电容器会经历先前的使用周期，则总寿命消耗45在所示时间间隔开始时将具有不等于零的值。然而，寿命估计43和寿命消耗44的曲线将与所示出的相同。

在图5a和5b中，实线显示了基于对外壳温度42和有效纹波电流41的连续测量评估的寿命估计43、寿命消耗44和总寿命消耗45。水平线说明了通过使用平均温度420和平均有效纹波电流410作为所讨论的时间段55的假定恒定值所得到的值。虽然选择长时间段55会导致在寿命消耗44发生变化时与总寿命消耗45的精确值有一些偏差，但在使用周期结束时该差异足够小以使数据可用。

为了允许在使用平均值420和410引起的误差与由不确定的外壳温度测量引起的误差之间进行比较，图5b还显示了外壳温度比图4所示的低5％(451b)或高5％(451a)的总寿命消耗。由于图4显示了周围环境温度为20℃的情况，当装置关闭时，5％的误差为+/﹣1℃。显然，如果这种温度的不确定度是可接受的，则总寿命消耗的不确定度甚至在单个使用周期后约为其值本身的一半。这说明了精确的温度测量对于有效寿命消耗的估计至关重要，对于剩余寿命的有效预测更重要。

图6示出了在多个使用周期51a、51b上的寿命估计和剩余寿命52a、52b的确定。

图6的上图显示了外壳温度测量42和有效纹波电流值41随时间的变化。在其服务寿命开始时，电容器在具有第一使用周期51a的装置中使用。之后，该装置的使用方式不同，因此具有第二使用周期51b。在这里所示的情况下，第一和第二使用周期51a和51b的长度相似，但外壳温度和有效纹波电流的波幅不同。在其他实施例中，波幅可以相似但使用周期的持续时间不同。在进一步的实施例中，使用周期在有效纹波电流曲线和/或温度的形状和/或波幅以及它们的持续时间上不同。也有一段持续时间，外壳温度的发展和有效纹波电流的发展与第一和第二使用周期不同。

图6的下图显示了电容器的总寿命消耗45和最长年限53。总寿命消耗45以总寿命的分数形式给出，水平虚线表示“1”。总寿命消耗45的推断穿过该虚线的时间是初步预测寿命54a、54b。初步预测寿命54a、54b可以大于或小于电容器的最长年限53。最长年限53是所讨论的电容器由于与使用无关的老化过程(例如通过密封件13蒸发电解质)而开始失效的年限。在图6中作为示例标有星号的时间点的剩余寿命52，是距离达到最长年限53或达到初步预测寿命54a、54b的时间，以先到者为准。

在图6中，在电容器使用期间更新初步预测寿命54a、54b：在其使用开始时，定义第一使用周期51a并且通过假设相似的使用周期将相继出现来生成第一初步预测寿命54a。基于对第一使用周期51a的观察的总寿命消耗45的第一推断450a由点划线示出。

然而，在所示示例中，第一使用周期51a仅重复三次。在这三次重复之后，控制器注意到与预期模式的偏差。在所示示例中，用户对控制器的通知做出反应并设置第二使用周期51b。第二使用周期51b期间的总寿命消耗小于第一使用周期51a期间的总寿命消耗。相应地调整总寿命消耗的第二推断450b：从第二使用周期51b开始处的总寿命消耗开始，第二推断450b假定第二使用周期51b将被一遍又一遍地重复。第二推断450b由具有比第一推断450a小的斜率的点划线示出。

在图6的示例中，基于第一使用周期51a的初步预测寿命54a比电容器的最长年限53短。因此，只要不更新使用周期，就由初步预测寿命54a确定剩余寿命52a。然而，在更新之后，基于第二使用周期51b的初步预测寿命54b比电容器的最长年限53长。因此，由最长年限53决定剩余寿命52a。

在第一使用周期51a被用作推断但仍然可以注意到电容器的使用偏离了第一使用周期51a的时间段内，推断通过继续使用具有由第一使用周期51a定义的斜率的线性函数来考虑图6的示例中的这种偏差，但是通过在时间轴上移动该函数，使得其在确定的时间与实际确定的总寿命消耗点相交。该更新的推断450a*在图中显示为另一条点划线，并导致更新的初步预测寿命54a*，以及故而更新的剩余寿命52a*。

在图6所示的情况下，一旦在外壳温度或有效纹波电流测量中检测到与第一使用周期51a的偏差，就会发生这种推断移位。在其它实施例中，推断移位总是在已定义的使用周期持续时间结束时发生。在进一步的实施例中或在进一步的标准之外，如果总寿命消耗和推断函数之间的差大于设定的阈值水平，则发生推断移位。

图7示出了电源，该电源是典型地包括可以使用电解电容器1构成的大容量电容器72的装置。在图7所示的示例中，大容量电容器72由一组两个相同类型并联连接的电解电容器1实现。使用根据本发明的设备估计该大容量电容器72的寿命，根据本发明的设备包括温度传感器32，该温度传感器32设置在两个电解电容器之间，使得其可以以高精度测量它们的共同外壳温度42。在所示实施例中，该设备还包括用于确定有效纹波电流的电流表34。温度传感器32和电流表34连接到控制器31，在此情形下的控制器配备有显示器形式的输出设备和按钮形式的输入设备。该显示器可用于将剩余寿命作为输出返回，并通知用户使用周期记录的状态。例如，用户可以按一次按钮以开始记录使用周期，并且在记录使用周期时，显示器读取“rec”。通过第二次按下按钮，用户可以向控制器指示使用周期的结束。通过显示剩余寿命闪烁，用户可以被告知所存储的使用周期不足以很好地表示设备的实际使用的事实。在其它实施例中，控制器仅包括或另外包括接口，该接口可以连接携带关于待使用的使用周期的指令和/或可以从控制器接收数据的I/O设备或存储设备。该接口可以是无线的或采用插座/插头系统的形式。待传输到存储设备或显示器或显示在控制器本身上的数据可以包括剩余寿命、当前寿命估计、当前寿命消耗、当前总寿命消耗、过去寿命估计的时间轴、过去寿命消耗的时间轴、总寿命消耗的过去值的时间轴、测量外壳温度和/或当前外壳温度的时间轴、有效纹波电流值的时间轴、当前有效纹波电流和时间轴以及用于估计有效纹波电流的变量的当前值。控制器可以以统计形式表示数据并向用户提供，例如，直方图，该直方图显示具有给定寿命消耗的时间段的数量或在出现时被认为不属于使用周期集的时间段的数量。此外，控制器可以向用户提供有关确定值的不确定度和在温度传感器读数上观察到的噪声的信息，并且可能还提供用于估计有效纹波电流的电流表和/或电压表的信息。除了指定使用周期外，用户还可以定义或更新估计有效纹波电流的模式和所需的信息。例如在一些实施例中，用户可以上传查找表，指定输入侧的相数和电源的输出模式。在一些实施例中，用户可以指定控制器是否应该通过分析电流或电压测量来确定纹波电流频率，或者控制器是否应该基于输入相数和输出模式来假定频谱。另外或作为进一步的实施例，用户可以上传当前装置中以及在使用该装置的环境中出现的纹波电流的频谱。与上传频谱不同，该信息可以简单地表示一个或多个校正因子，该校正因子将应用于测量或估计的特性，例如输入电流、输出电压或输出或输入功率，以产生有效纹波电流的估计。另外或作为进一步的实施例，用户可以上传或下载关于寿命被监测的一个或多个电解电容器的年限和总寿命消耗的信息。因此，用户可以在设备之间更换电容器，而不会丢失有关其剩余寿命的信息。

图7所示的电源除了大容量电容器72外，还包括整流器71、开关单元73、变压器74和输出电容器75。图7所示的电源通过两相76传输AC电流和电压来接收输入功率。AC电流由全桥整流器71整流。大容量电容器72在其第一端子上接地并通过第二端子连接到整流器71的输出线之一。开关单元73产生高频AC电流以由变压器74将其变换为预期的电压。变压器74次级侧的AC电压可以由另一个整流桥整流或直接用作输出77。图7单个二极管和输出电容器75被用作对变压器74的输出进行整流以产生DC输出电压。优选地，存在从输出侧到开关单元73的反馈，该反馈允许以合适的方式调整开关以适应连接到电源的负载的需要。在优选实施例中，该反馈也被控制器31用以估计有效纹波电流。

总之，需要注意的是，根据本发明的设备可用于所有使用电解电容器的装置中。如果有两个以上的电解电容器被设置为并联并相邻，则只能在任意两个相邻的电解电容器之间设置一个温度传感器，因为在这种配置中，它们的寿命估计将是相同的。

Claims (15)

1.一种用于估计一个或多个电解电容器的寿命消耗的设备，包括：

a)温度传感器，其通过被设置在如下位置与所述周围环境隔热：

i)在彼此并联连接的两个相等的电解电容器之间，或

ii)在电解电容器的外壳上并被隔热材料层覆盖，以及

b)控制器，其适于基于所述温度传感器的测量数据估计所述寿命消耗。

2.根据权利要求1所述的设备，包括：

a)用于测量输出或输入数据的仪表，所述输出或输入数据是受所述一个或多个电解电容器影响或影响所述一个或多个电解电容器的电压、功率和/或电流的特性，以及

b)其中所述控制器适于在其对所述一个或多个电解电容器的所述寿命消耗的估计中包括所测量的输出或输入数据。

3.一种装置，包括一个或多个电解电容器和根据权利要求1或2所述的设备。

4.根据权利要求3所述的装置，包括以下中的任意一个：

a)第一检测器，适于检测所述装置的输入电压、输入电流或输入功率的所述特性，

b)第二检测器，适于检测所述装置的输出电压、输出电流或输出功率的所述特性，

和/或，

c)电流表，适用于测量通过所述一个或多个电解电容器的电流，

其中所述控制器适于将所述第一检测器和所述第二检测器或所述电流表的测量包括在其对所述寿命消耗的估计中。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器通过考虑所述装置的输出模式、所述装置的输入上的相数和/或模式和/或波形、和给定或测量的输出功率值或给定或测量的电流值或给定或测量的输入电压来估计有效纹波电流，并估计其不确定度。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述控制器通过使用一组查找表中的一个来估计所述有效纹波电流；

a)其中根据所述装置的输出模式和所述装置的所述输入上的所述相数和/或所述模式和/或所述波形来选择待应用的所述查找表，以及

b)其中所述查找表返回所述有效纹波电流以及返回在以下条件时所述有效电流中的不确定度：

i)给定或测量的输出功率值，或

ii)给定或测量的电流值，或

iii)给定或测量的输入电压值。

7.根据权利要求3所述的装置，其中所述装置为电源，包括：

a)整流器，

b)大容量电容器，

c)变压器，

d)输出电容器，

e)其中所述大容量电容器包括所述一个或多个电解电容器，以及

f)其中利用根据权利要求1或2所述的设备估计所述大容量电容器的所述寿命消耗。

8.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器通过计算第一电容器类型依赖常数和第一和第二指数函数的乘积来估计所述一个或多个电解电容器的寿命，

a)其中所述第一指数函数的指数是由所述温度传感器测量的所述外壳的温度，而所述底数为与所述电容器类型无关的常数，并且

b)所述第二指数函数的指数是所述有效纹波电流的平方，而所述底数为第二电容器类型依赖常数。

9.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器估计所述一个或多个电解电容器在时间段内的寿命消耗与所述时间段在所述寿命上的商成比例，为在所述时间段内测量或假设在所述时间段出现的所述外壳的温度和所述有效纹波电流确定所述寿命，其中所述寿命消耗等于在所述时间段内所述时间段在所述寿命上的商。

10.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器考虑所述外壳的温度、所述有效纹波电流以及所述时间段确定所述寿命消耗的所述不确定度。

11.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器：

a)确定所述寿命消耗并确定其在常规时间段中的不确定度，

b)其中每个时间段由平均温度和平均有效纹波电流表示，所述平均温度和所述平均有效纹波电流是在所述时间段内获得的所有合适测量的优选平均值，以及

c)其中所述总寿命消耗是所有先前确定的寿命消耗的总和，并且确定并存储所述总寿命消耗。

12.根据权利要求11所述的装置，其中：

a)允许用户指定预期在未来重复的使用周期并且其中所述控制器在所述使用周期内在时间段中或连续地确定所述寿命消耗以及确定其不确定度，并且其中所述控制器通过对所述使用周期上所连续确定的寿命消耗进行积分或通过将所述使用周期的所有时间段的所述寿命消耗相加来确定所述使用周期寿命消耗，并且确定所述使用周期寿命消耗的所述不确定度，

b)其中所述控制器使用所述使用周期寿命消耗通过线性地推断所述总寿命消耗来确定初步预测寿命，

c)其中所述初步预测寿命是从所述电容器的所述寿命的开始到所述总寿命消耗的所述推断达到表示所述寿命的结束的值之间的持续时间，

d)其中所述控制器还包括时钟，所述时钟对所述一个或多个电解电容器的年限进行计数，

e)其中由所述控制器估计的所述剩余寿命为以下两个数字中的较小者：

i)所述初步预测寿命减去所述一个或多个电解电容器的当前年限，

ii)所述一个或多个电解电容器的最长年限减去所述一个或多个电解电容器的所述当前年限，

f)并且其中返回所述剩余寿命及其不确定度。

13.根据权利要求12所述的装置，其中：

a)所述控制器在其规范期间记录所述外壳的温度测量或所述寿命消耗以及所述使用周期的所述估计的有效纹波电流，并将这些记录的数据序列与在假定为所述使用周期的重复的时间产生的数据序列进行比较，以及

b)其中若所述控制器检测到所述记录的数据和所述测量的数据之间的偏差大于阈值，则所述控制器向所述用户发出信号，从而警告在所述剩余寿命估计中的质量损失，并且要求所述用户指定新的使用周期。

14.根据权利要求12所述的装置，其中定期更新所述初步预测寿命和/或所得剩余寿命的推断，使得通过推断考虑所述关于年限和总寿命消耗的最新可用数据。

15.根据权利要求11所述的装置，其中所述控制器包括接口并存储每个时间段的所述温度、所述有效纹波电流和所述寿命消耗，使得它们或从它们得出的统计数据可以通过所述接口导出。

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