纯电动汽车逆变器直流支撑电容器状态监测研究

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直流支撑(DC-link)电容器是逆变器中的关键器件之一,它能平衡变流器中输入源和输出负载之间的瞬时功率差,从而最大限度的减小直流环节的电压变化、滤除纹波。电动汽车电驱动系统中的DC-link电容器承受着更为严峻的工况和更为复杂多变的应力,它的性能退化容易导致逆变器输入端承受的功率载荷增加,甚至破坏系统运行可靠性以及安全性。电动汽车的快速发展,对其配套的电驱动系统及器件的可靠性提出了更高的要求。研究DC-link电容器的状态监测,有助于优化电动汽车电控系统的控制策略,降低功率器件和电驱动系统的电热应力,从而提高电控系统的稳定性乃至电动汽车运行可靠性。本文针对纯电动汽车(Battery Electric Vehicle,BEV)双闭环电驱动系统,研究不同工况下DC-link电容器的状态监测方法。首先,建立金属薄膜电容器简化等效电路,进行电容器参数的频率特性试验;分析薄膜电容器在工况下的失效模式,并确定电容器状态监测的参数对象和目标区域;基于金属薄膜电容器的物理结构进行热特性分析,研究热分布规律,进行热稳定性试验验证理论结果。其次,在MATLAB中搭建SVPWM控制的双闭环电驱动系统。基于该模型,设计电流重构法监测DC-link电容器,通过三相输出电流获取直流侧电流,并仿真验证理论结果;设计基于遗传因子最小二乘法的DC-link电容器状态监测方案。仿真结果表明:基于遗传因子的最小二乘法监测结果优于递推最小二乘法。再次,针对电容器的BP神经网络状态监测方法,本文提出基于遗传算法的BP神经网络优化算法和基于粒子群算法的BP神经网络优化算法,仿真对比优化算法的效果;设计基于工况的DC-link电容器在线监测的试验方案。试验结果分析表明:基于粒子群算法的BP神经网络能获得更精确的在线监测结果。最后,进行逆变器开路故障下DC-Link电容器的状态监测。分析逆变器常见开路故障类型及对应的三相电流特征;分析各种故障模式下DC-link电容器纹波电流在时域和频域上的变化特征;通过MATLAB仿真验证了理论的正确性。结果表明:同侧桥臂功率管同时开路对纹波电流的时域影响最大,同相上下桥臂的功率管同时开路对纹波电流的频域影响最为显著。电容器最大监测误差小于3%。
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