Diagnóstico de falha e previsão de vida útil de capacitores eletrolíticos de alumínio para barramento de conversores CA/CC/CA em veículos elétricos

Abstract

Essa dissertação apresenta a análise, desenvolvimento, comparação teórica e validação via simulação e experimentação de dois métodos para estimação de vida útil para capacitores eletrolíticos utilizados em conversores CA/CC/CA para Veículos Elétricos (VEs). Visando desenvolver um sistema observador, que possa ser implementado sem a necessidade de modificações no sistema de modulação ou controle do conversor, diversos métodos foram revisados na literatura e comparados. Desses, dois trabalhos se destacaram com a possibilidade de não ser necessário modificação no sistema de modulação ou controle do conversor, sendo um utilizando uma derivação da Transformada Discreta de Fourier e outro uma variação recursiva do Método dos Mínimos Quadrados, que permitem a obtenção dos parâmetros de Resistência Série Equivalente (Equivalent Series Resistance - ESR) e capacitância (C), necessários para implementação dos algoritmos de predição do estado do componente. O processo de aplicação de ambos os métodos requer uma variação de tensão no capacitor de magnitude suficiente para ser detectada por circuitos integrados de precisão e processados por um Processador Digital de Sinal (Digital Signal Processing - DSP). Para tanto, uma modificação do circuito convencional do sistema de carregamento do VE é proposta, onde é sugerido um bypass que conecta o inversor do VE no conversor retificador, usando como entrada a rede elétrica para produzir a variação de tensão requerida no barramento, permitindo a análise dos parâmetros do capacitor. Antes de dar início ao funcionamento do sistema na totalidade, o capacitor é retirado do inversor e inserido em uma câmara fechada onde equações relacionando temperatura, ESR e C são obtidas com o auxílio de um medidor de impedância externo, visando construir o perfil atual do componente. Quando o sistema inversor/retificador está em operação, o DSP é conectado e os métodos são iniciados para se obter e estimar a vida útil do capacitor usando os parâmetros de ESR e C, considerando as equações baseadas em temperatura obtidas anteriormente. Após um longo período de análise e obtenção de dados, os parâmetros são inseridos em algoritmos de extrapolação cuja função é prever o momento de falha do componente, predizendo a duração da vida útil e o momento em que deve ser substituído. Por fim, simulações são apresentadas e um protótipo é montado na bancada do laboratório para comprovar e validar via resultados experimentais os métodos estudados.

Abstract: This dissertation presents the analysis, development, theoretical comparison and validation through simulation and experimentation of two methods for lifetime estimation of electrolytic capacitors used in AC/DC/AC converters for Electric Vehicles (EVs). With the objective of developing an observer system that can be implemented without the need for modifications to the converter's modulation or control system, several methods were reviewed in the literature and compared. Of these, two stood out as having the possibility of not requiring modification to the modulation or control system of the converter, one using a derivative of the Discrete Fourier Transform and the other a recursive variation of the Least Squares Method, which allow for the obtaining of the parameters of Equivalent Series Resistance (ESR) and capacitance (C), necessary for the implementation of component state prediction algorithms. The process of applying both methods requires a voltage variation on the capacitor of sufficient magnitude to be detected by precision integrated circuits and processed by a Digital Signal Processing (DSP). To this end, a modification of the conventional EV charging system circuit is proposed, where a bypass is suggested that connects the EV inverter to the rectifier converter, using the electric grid as input to produce the required voltage variation on the bus, allowing for the analysis of the capacitor parameters. Before the system as a whole starts to operate, the capacitor is removed from the inverter and inserted into a closed chamber where equations relating temperature, ESR and C are obtained with the help of an external impedance meter, with the aim of building the current profile of the component. When the inverter/rectifier system is in operation, the DSP is connected and the methods are started to obtain and estimate the lifetime of the capacitor using the ESR and C parameters, taking into consideration the temperature-based equations obtained previously. After a long period of analysis and data collection, the parameters are inserted into extrapolation algorithms that have the function of predicting the moment of component failure, predicting the duration of the lifetime and the moment it should be replaced. Finally, simulations are presented and a prototype is assembled on the laboratory bench to verify and validate the studied methods through experimental results.