新能源汽车维修专题-16|igbt|交流电|信号|新能源汽车|母线|法拉第|电容|维修专题

前两节课，我们学习了一个比较复杂的部件——IGBT，它是实现电机控制器（MCU）逆变功能的核心装置。其实，在电机控制器里面，还有一个貌似简单但也很重要的部件，那就是所谓的“母线电容”，这节课我们就来盘一下它。

在早期的课程当中，给大家普及过电压、电流、电阻、交直流这些基础电学知识，但是好像遗漏了一个东西，那就是电容，所以这节课我们先来补习一下这方面的内容。

什么是电容？电容就是电路里只存电、不导电的蓄电小容器，它既能充电储能，需要时又能瞬间放电，能保障电路稳定、有序工作。说到电容的结构，其实十分简单，核心就由三部分组成：两块相互平行的金属极板，以及夹在极板中间的绝缘介质，常见介质有陶瓷、塑料、云母等。绝缘介质的作用是用来隔绝两块极板，避免金属板直接导通短路，这也是电容能够储存电荷的核心机理。电容容量大小，主要取决于极板面积、介质厚度和介质材质，极板越大、介质越薄，电容的储电能力就越强。

电容

电容的工作过程，就是电荷的储存与释放。当电容被接入直流电路时，电源会向它的两个极板输送电荷，连接电源正极的极板聚集正电荷，连接电源负极的则聚集负电荷，电荷被绝缘介质阻隔无法中和，以电场形式把电能储存起来，这就是充电。当电容两端电压与电源电压持平后，充电停止，电路不再有电流。如果将充了电的电容去接通负载，极板上的电荷会快速释放，形成放电电流。而电容接入交流电时，电压方向不断交替变化，电容会持续反复充放电，让电路形成持续电流，这便是电容“隔直通交”的核心原理。

电容在电路连接中的示意图

在电子电路中，电容的作用十分关键。一是滤波稳压，抹平电压波动，让电源输出平稳电流，保护设备不会被电压冲击导致损坏；二是能利用储能快速放电，可瞬间释放大电流，满足相机闪光灯、设备启动的瞬时供电需求；三是信号耦合与隔离，传递交流信号、隔断直流电，避免电路互相干扰；四是延时定时，搭配电阻通过缓慢充电的特性，实现灯光延时熄灭等功能。

电容的单位和计算方法

电容的标准单位为法拉，符号为F，这是为纪念著名的物理学家法拉第而命名，没错，就是那个被称为“交流电之父”的法拉第，贾跃亭买下的那家汽车公司用的也是这个名字。这个法拉（F）是怎么计算得来的呢？我们来看一下电容的核心定义公式：C=Q/U，其中C代表电容容量（单位F），Q代表极板储存的电荷量（单位库仑C），U代表电容两端的电压（单位伏特V），1法拉=1库仑/伏特。这也很好理解，给电容加载固定电压，它能存的电荷越多，表明电容容量就越大。提醒大家注意，法拉是一个极大的单位，现实中几乎没有1法拉的电容，因此日常电路普遍使用微法（μF）、皮法（pF）等小单位，换算关系为：1F=10⁶μF，1μF=10⁶pF。通常大的电解电容多为微法级别，用于储能稳压；小的贴片、瓷片电容多为皮法级别，用于滤波和信号处理。

交流电之父-法拉第

好了，讲完了电容相关的基础知识，我们来看看，电机控制器里面这个所谓的“母线电容”到底是什么样子的？它具体又有什么作用呢？

拆开分解电机控制器，里面都会有一个接近方形的黑色塑封部件，它就是“母线电容”，体积确实比那些大大小小或圆或扁的普通电容要大多了，所以也有人叫它“超级电容”。这个电容的容量究竟有多大呢？具体参数都会标注在它的外壳上，看一下就知道了。普通家用车大概是120-300μF，大巴、重卡、物流车这样的商用车电机功率较大，电容的容量就要加大到600-1800μF，比普通电容要大多了。

电机控制器中的母线电容

这个“母线电容”到底有什么作用呢？咱们看一下线路图，这个电容是并联在高压直流的正负极母线上面，具体有以下功能。首先，它能抑制开关电压尖峰，保护功率器件。因为电池与功率模块之间的高压线束存在寄生电感，IGBT、SiC这些元器件高频通断时，电感会产生瞬时高压尖峰，极易击穿功率芯片，母线电容紧贴功率模块直流端安装，可快速吸收电感释放的能量，钳位母线电压，避免器件过压损坏。其次，在车辆急加速、爬坡时，电机需要瞬间输出峰值大电流，动力电池受线束内阻、电芯响应速度限制，无法瞬时供给足额电流，这时候母线电容可瞬间释放储能，补足瞬时大电流需求，保障动力输出平稳强劲。

再有，它还能缓冲制动回馈能量，车辆减速制动时电机切换为发电状态，会产生大量瞬时回馈电流，电池无法快速吸纳骤增的电能，母线电容先临时储存回馈电能，再平缓回充至动力电池，减小电流冲击，延缓电池老化。此外，它还能滤除母线高频纹波，稳定直流电压，功率器件高频斩波会在直流母线上产生交流纹波，纹波会造成电机抖动、噪音增大、扭矩控制精度下降。母线电容具备低等效阻抗特性，可就地滤除高频交流分量，输出平稳纯净的直流电压。再有，它还能隔离高频开关的干扰，优化整车的EMC（电磁兼容性、降辐射抗干扰）性能，如果没有这个母线电容，逆变器产生的高频噪声会顺着高压线缆传导至电池包、车载充电机、空调等其他高压部件。母线电容形成本地高频滤波回路，将开关干扰约束在电机控制器内部，降低整车高压系统电磁干扰，避免车载电器误报故障。

母线电容工作线路示意图

“母线电容”有这么多重要功能，大家知道就好，不需要深入研究。作为维修人员，只需要知道这个玩意要是坏了，车会有什么症状？该怎么检修？“母线电容”出现问题，通常分为三种不同程度的故障状态，如果它只是老化容量衰减，车辆急加速、爬坡时易发生动力抖动，电机异响，动能回收也时有时无，仪表会频繁弹出动力受限故障，车机、雷达也易受电磁干扰异常。当电容鼓包局部损坏后，行驶中途动力会突然降功率，起步顿挫严重，电控温度快速升高并触发高温保护。若电容已击穿短路，车辆除了无法预充上电，还极易熔断高压保险，连带烧毁 IGBT、SiC 功率模块，极端情况下电容会持续发热，存在起火隐患。所以，无论出现哪种症状，都需要抓紧检修。

新能源汽车的母线电容

下面来看一下具体的检修方法。首先是要用诊断仪来读取故障码，如果报母线电压波动、直流过压、回馈异常、电控过温故障，我们就要怀疑，是不是这个“母线电容”有问题了。然后要做的是外观检查，我们将整车完全下电之后，拆开电机控制器直接观察电容，如果发现它已有鼓包、漏液、发黑、烧灼痕迹，就可直接判定损坏，果断将其更换掉就行。当然，鉴别电容好坏最靠谱的方法，还是要通过仪器来测量。

电容的测量方法

怎么测量呢？最简便的方法是直接用万用表来测它的容量，测之前一定要注意，需要把电容短接放电，避免残留电荷烧坏仪表，也防止大电容的存电导致触电。测量时将万用表调至电容档位，两支表笔不分正负，直接对接电容两极，仪表会自动检测并显示电容的实际容量。如果测出来的容量值严重偏小、归零或显示无穷大，说明电容已老化、击穿或断路了。

但是大家要注意，就算测出来的容量值显示正常，也不能判定这个电容一定是好的，因为存在虽然电容的容量值貌似正常但等效内阻（ESR）偏大的情况，这也会严重影响电容的性能，属于较难发现的隐性故障。针对这种情况，最好采用LCR数字电桥来测量它的等效内阻，这个设备的测量原理就有点像我们测蓄电池的内阻一样。