母線電容的定義

在電機(jī)控制器中，電池包的直流電作為輸入電源，需要通過直流母線與電機(jī)控制器連接，該方式叫DC－LINK或者直流支撐，其中的電容我們稱之為母線電容或者支撐電容或者DC－Link電容。由于電機(jī)控制器從電池包得到有效值或者峰值很高的脈沖電流的同時(shí)，會(huì)在直流支撐上產(chǎn)生很高的脈沖電壓使得電機(jī)控制器難以承受，所以需要選擇母線電容來連接。

母線電容的作用

母線電容的作用：

1、平滑母線電壓，使電機(jī)控制器的母線電壓在IGBT開關(guān)的時(shí)仍比較平滑；

2、降低電機(jī)控制器IGBT端到動(dòng)力電池端線路的電感參數(shù)，削弱母線的尖峰電壓；

3、吸收電機(jī)控制器母線端的高脈沖電流；

4、防止母線端電壓的過充和瞬時(shí)電壓對(duì)電機(jī)控制器的影響。

母線電容的變遷

母線電容由最開始的電解電容變遷到現(xiàn)在普遍使用的薄膜電容，但電解電容并沒有完全消失不用，在MOS管作為功率器件的低速車或者物流車的控制器上仍然采用多個(gè)電解電容并聯(lián)使用。

豐田Prius 第一代電控就是采用的電解電容，采用的三個(gè)松下電解電容器，規(guī)格為：450V／2700uF，豐田Prius在第二代電控系統(tǒng)中采用了定州薄膜電容，為松下的薄膜電容，但具體的參數(shù)在圖片上看不清楚，就不做介紹。

圖1第一代Prius 電解電容

圖2第二代Prius 薄膜電容

圖3國(guó)內(nèi)一家商用車早期電解電容

圖4國(guó)內(nèi)一家商用車早期薄膜電容

圖5現(xiàn)在控制器常用定制電容

電解電容與薄膜電容的對(duì)比

1、電解電容的優(yōu)點(diǎn)是容量比薄膜電容大；

2、薄膜電容相對(duì)于電解電容優(yōu)勢(shì)；

3、薄膜電容具有更良好的溫度和頻率特性；

4、薄膜電容沒有極性，能夠承受反向電壓；

5、薄膜電容額定電壓高，不需要串聯(lián)平衡電阻；

6、薄膜電容采用干式設(shè)計(jì)，沒有電解液泄露的危險(xiǎn)，沒有酸污染；

7、薄膜電容更低的ESR，更強(qiáng)的耐紋波電流的能力；

8、薄膜電容更強(qiáng)的抗脈沖電壓能力；

9、薄膜電容更長(zhǎng)的壽命；

10、薄膜電容更加靈活的外形設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同的需求進(jìn)行定制。

圖6電解電容與薄膜電容參數(shù)對(duì)比

母線電容電壓的選擇

電機(jī)控制母線電壓除了正常的紋波電壓的波動(dòng)，還包括IGBT動(dòng)作時(shí)電流激烈的變化產(chǎn)生尖峰電壓和電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)，薄膜電容在使用中允許有1．2倍額定電壓值的脈沖，理論上可以選擇額定電壓較低的薄膜電容。

如現(xiàn)在的320V的電機(jī)控制器系統(tǒng)一般選用500VDC的薄膜電容，540V的電機(jī)控制器系統(tǒng)選用900V或者1000V的薄膜電容。

母線電容容量的計(jì)算

在新能源電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的應(yīng)用中，母線電容是以IGBT的載波頻率來完成充放電，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，IGBT導(dǎo)通時(shí)由電池組和電容器同時(shí)為電機(jī)提供能量，IGBT關(guān)斷時(shí)，電池組向母線電容充電。

我們假設(shè)電機(jī)控制器的最大輸出功率為P，電機(jī)控制器的的電路為典型的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，母線所提供的能量約為：

W＝P／（2f）

其中：

f：IGBT的開關(guān)頻率。

母線電容一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)釋放的能量為：

Q＝1／2＊C（U＋Δu）2－1／2＊C（U－Δu）2＝2＊C＊U＊Δu

其中：

U：直流母線電壓；

Δu：母線紋波電壓；

在極端情況下：Q＝W，進(jìn)一步計(jì)算可得：

C＝P／（4＊f＊U＊Δu），

一般的，直流母線電壓的脈動(dòng)率為5％，

即紋波電壓值：

Δu＝U＊2．5％

綜上可得：

Cmax＝P／（4＊f＊U＊U＊2．5％）

Cmax值是建立在最極端的情況下，實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為IGBT開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)候，母線電容提供W／2的能量，即Q＝W／2

結(jié)合前面的計(jì)算公式可得：

Cmin＝ P／（8＊f＊U＊U＊2．5％）

以上計(jì)算我們僅供設(shè)計(jì)參考，在實(shí)際應(yīng)用中更多的電機(jī)控制器的母線電容容量的選取接近Cmin的值或者小于Cmin，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)自己不同的成本和體積綜合考慮。

母線電容紋波電流的計(jì)算

紋波電流是指流經(jīng)母線電容的交流分量，電機(jī)控制器的輸出電流為三相正弦基波電流與高頻諧波電流的疊加，兩者均會(huì)在直流母線側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)的紋波電流。

紋波電流計(jì)算公式為：

其中：

為母線紋波電流

M為調(diào)制比。