楊 濤，汪 旭，肖江林

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

鋁電解電容器作為電路板上的常用器件，具有能量存儲(chǔ)、信號(hào)耦合、濾波和交流旁路作用。鋁電解電容器對(duì)環(huán)境應(yīng)力非常敏感，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電路板的故障情況統(tǒng)計(jì)，與電阻器、晶體管等元器件比較，其故障率更高，被認(rèn)為是電路板上的壽命敏感器件。所以，從正向設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，預(yù)估其使用壽命有著重要的意義。但隨著鋁電解電容器工藝水平的提高，其耐久性壽命也在延長(zhǎng)，若完全按照手冊(cè)的試驗(yàn)條件進(jìn)行壽命試驗(yàn)，不僅試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)（例如某型號(hào)電容器，其產(chǎn)品手冊(cè)中耐久性時(shí)間為5 000 h，其驗(yàn)證性試驗(yàn)需要209 d），甚至趕不上產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，而且試驗(yàn)成本過(guò)高。這就需要采用加速試驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

目前，對(duì)鋁電解電容器的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與壽命預(yù)計(jì)已有較多研究。文獻(xiàn)［1］通過(guò)測(cè)量電解電容器內(nèi)部溫升的方式來(lái)預(yù)測(cè)電容器的使用壽命是否滿足整機(jī)產(chǎn)品的規(guī)格要求。文獻(xiàn)［2］基于等效串聯(lián)電阻（ESR）進(jìn)行研究，通過(guò)推算ESR的變化趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)電容器的壽命。文獻(xiàn)［3］以雙層電容器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩組高溫恒壓加速試驗(yàn)。文獻(xiàn)［4］分別分析了環(huán)境溫度與紋波電流對(duì)鋁電解電容器壽命的影響。文獻(xiàn)［5］研究了環(huán)境溫度和電壓與鋁電解電容器壽命的相互作用效應(yīng)。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文從退化機(jī)理出發(fā)，細(xì)化了加速退化試驗(yàn)的方法，明確了試驗(yàn)電路、預(yù)試驗(yàn)以及正式試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，并依據(jù)退化機(jī)理分析與試驗(yàn)結(jié)果提出了延長(zhǎng)鋁電解電容器壽命的正向設(shè)計(jì)方向；從狀態(tài)修的需求角度出發(fā)，提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋁電解電容器剩余壽命預(yù)測(cè)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法的預(yù)測(cè)誤差在3%以內(nèi)。

1 鋁電解電容器電參數(shù)退化機(jī)理

鋁電解電容器主要組成部分如下：陰極鋁箔、電解紙、電解液、陽(yáng)極鋁箔以及形成于陽(yáng)極鋁箔表面的電介質(zhì)的氧化鋁膜（圖1）。每個(gè)組成成分的不良變化都會(huì)影響鋁電解電容器的壽命，比如鋁箔表面的疵點(diǎn)數(shù)、電解液的氧化效率等，而電解液的作用就是不斷修補(bǔ)氧化鋁膜所需的氧離子。鋁電解電容器的電參數(shù)包括容值、損耗角正切、等效串聯(lián)電阻和漏電流等，本文主要研究容值和損耗角正切的退化機(jī)理，而這兩個(gè)參數(shù)與電解液狀態(tài)息息相關(guān)。

圖1 鋁電解電容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of aluminum electrolytic capacitor structure

在鋁電解電容器內(nèi)部，電解液與陽(yáng)極鋁箔、陰極鋁箔完全接觸情況下電容量才能被全部引出；一旦工作電解液減少，使部分陽(yáng)極鋁箔、陰極鋁箔沒(méi)有與電解液接觸，就會(huì)導(dǎo)致容值的下降。

鋁電解電容器的損耗角正切值可分為3部分：介質(zhì)損耗（介質(zhì)的漏電流所引起的電導(dǎo)損耗以及介質(zhì)極化引起的極化損耗等）、電解液損耗和金屬損耗（金屬極板和引線端的接觸電阻引起的損耗）。其中，介質(zhì)損耗和金屬損耗很小，因此鋁電解電容器的損耗角正切值主要由電解液損耗決定。隨著鋁電解電容器使用時(shí)間的增長(zhǎng)，電解液消耗量增加并變稠，引起其電阻率上升，導(dǎo)致電容器的損耗明顯增大。

2 影響鋁電解電容器壽命的因素

從鋁電解電容器的退化機(jī)理得知，在壽命試驗(yàn)以及使用過(guò)程中，電解液因修補(bǔ)氧化膜和蒸發(fā)而減少是引發(fā)鋁電解電容器失效的主要原因，而影響電解液減少和變稠速度的主要因素包括溫度和電應(yīng)力。

2.1 溫度應(yīng)力對(duì)鋁電解電容器壽命的影響

在鋁電解電容器工作過(guò)程中，正負(fù)電極會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，見(jiàn)式（1）。

鋁電解電容器的電參數(shù)性能與內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論，提高溫度對(duì)電化學(xué)反應(yīng)有一定的加速作用。Arrhenius方程描述了溫度與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系：

式中：R——反應(yīng)速度；A——非溫度相關(guān)常數(shù)；Ea——反應(yīng)活化能，eV；k——玻爾茲曼常數(shù)，約為8.62×10-5eV/K；T——熱力學(xué)溫度，K。

根據(jù)以上電化學(xué)反應(yīng)以及Arrhenius方程可以看到，溫度應(yīng)力對(duì)鋁電解電容器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)存在一定影響。由式（2）可知，電化學(xué)反應(yīng)速度之比是工作壽命之比的倒數(shù)，見(jiàn)式（3）。

式中：Lu——實(shí)際預(yù)測(cè)工作壽命，h；Lf——某工作條件下的壽命，h；R(Tu)——實(shí)際的反應(yīng)速度；R(Tf)——某工作條件下的反應(yīng)速度；Tu——實(shí)際工作溫度，K；Tf——某工作條件下的溫度，K。

2.2 電應(yīng)力對(duì)鋁電解電容器壽命的影響

鋁電解電容器工作時(shí)，通常施加額定或降額的電壓，從而保證在電場(chǎng)的作用下，電離子的正常流通，即保證電容器內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行。電應(yīng)力對(duì)壽命的影響可以采用逆冪律模型進(jìn)行描述，見(jiàn)式（4）。

式中：ξ——壽命；B——待定常數(shù)；c——與電壓加速老化有關(guān)的常數(shù)；V——工作電壓。

在不同工作電壓下，壽命的比值見(jiàn)式（5）。

式中：ξu——實(shí)際預(yù)測(cè)工作壽命，h；ξf——某工作條件下的壽命，h；Vu——實(shí)際工作電壓，V；Vf——某工作條件下的電壓，V。

對(duì)于小尺寸引線式電容器，工作電壓對(duì)該類型電容壽命的影響較小，可忽略不計(jì)，即c=0。

鋁電解電容器工作時(shí)，除了承受正常的直流電壓外，通常還伴隨著紋波電流的作用。由于等效串聯(lián)電阻的存在，紋波電流將導(dǎo)致電容器內(nèi)部中心位置的溫度升高，從而影響其使用壽命。鋁電解電容器紋波電流與溫升之間的關(guān)系見(jiàn)式（6）。

式中：ΔT——內(nèi)部升溫，℃；I——紋波電流，A；R——等效串聯(lián)電阻，Ω；A1——電容器的表面積，cm2；H——散熱系數(shù)，1.5×10-3～2.0×10-3W/（cm2×℃）。

3 鋁電解電容器加速退化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由鋁電解電容器電參數(shù)退化機(jī)理以及壽命影響因素分析可知，溫度、工作電壓、紋波電流都會(huì)影響鋁電解電容器的壽命。本次試驗(yàn)樣品為小尺寸引線式電容器，可以暫不考慮工作電壓對(duì)壽命細(xì)微的影響，且紋波電流的影響也可以歸結(jié)為溫升，故而對(duì)鋁電解電容器施加額定電壓，并將溫度作為加速應(yīng)力條件開(kāi)展壽命試驗(yàn)。在沒(méi)有紋波電流影響且處于密閉溫箱的條件下，可認(rèn)為核溫、殼溫、環(huán)境溫度三者近似相等。

3.1 試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

為了保證試驗(yàn)樣本數(shù)量，對(duì)同一型號(hào)的鋁電解電容器采用并聯(lián)的方式施加直流電壓，試驗(yàn)電路見(jiàn)圖2。其中L為電感器，C1～Cn和C′1～C′n為試驗(yàn)電容器，K1和K2為開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)K1閉合、K2斷開(kāi)時(shí)，電源給電容器充電；開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)、K2閉合時(shí)，電容器通過(guò)電阻器R放電。其中K1和K2不同時(shí)閉合。

圖2 鋁電解電容器加速退化試驗(yàn)電路圖Fig.2 Accelerated degradation test circuit of aluminum electrolytic capacitor

3.2 預(yù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

加速試驗(yàn)的前提是保證試驗(yàn)樣品的失效機(jī)理不發(fā)生改變。鋁電解電容器的電解液一般具有良好的高溫性能和穩(wěn)定性，但上限溫度不同的電容器，其工作電解液的配方也有所不同[6]。因此，若無(wú)法準(zhǔn)確獲取鋁電解電容器樣品型號(hào)的配方，便無(wú)法證明105℃的電容器在更高溫度下其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理無(wú)變化。所以本文采用預(yù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)手段去探究鋁電解電容器內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理不變時(shí)所能承受的溫度。

在預(yù)試驗(yàn)中，選取了5個(gè)同規(guī)格型號(hào)的鋁電解電容器樣品進(jìn)行高溫步進(jìn)試驗(yàn)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)溫度梯度后都對(duì)鋁電解電容器進(jìn)行一次外觀檢查與電性能參數(shù)測(cè)試，見(jiàn)圖3。在140℃時(shí)，鋁電解電容器被查出存在鼓包現(xiàn)象，故而正式試驗(yàn)的溫度上限在140℃的基礎(chǔ)上減少10℃，即設(shè)置試驗(yàn)時(shí)溫度不超過(guò)130℃。

圖3 預(yù)試驗(yàn)剖面Fig.3 Pre test profile

3.3 正式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正式試驗(yàn)選取了30個(gè)鋁電解電容器作為試驗(yàn)樣品，在額定直流電壓下，選取3個(gè)溫度梯度（110℃、120℃和130℃）進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，即每個(gè)溫度梯度有10個(gè)試驗(yàn)樣品。

3.3.1 試驗(yàn)剖面

選取恒定溫度［7］分別為110℃、120℃和130℃，試驗(yàn)剖面見(jiàn)圖4。試驗(yàn)中，每隔140 h將高低溫箱調(diào)節(jié)至室溫；靜置（24±4）h后，測(cè)試每一個(gè)樣品參數(shù)（電容值、損耗角正切）。若試驗(yàn)中途有鋁電解電容器出現(xiàn)漏液、破損及鼓包等現(xiàn)象，則記錄并剔除該鋁電解電容器；當(dāng)所有試驗(yàn)樣品均達(dá)到故障判據(jù)門限值時(shí)，則試驗(yàn)停止。

圖4 恒定溫度加速退化試驗(yàn)剖面Fig.4 Accelerated degradation test profile at constant temperature

3.3.2 故障判據(jù)

試驗(yàn)中每間隔140 h測(cè)試一次樣品參數(shù)，先進(jìn)行外觀檢查，并將容量C和損耗角正切作為主要的判據(jù)，若其中之一不合格，便視為故障。依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了3個(gè)判別條件：

（1）外觀檢測(cè)，出現(xiàn)電容器漏液、破損及鼓包等故障的樣本數(shù)量應(yīng)不超過(guò)樣本總量的10%；

（2）容值的減少量不超過(guò)初始容值的20%；

（3）損耗角正切值不超過(guò)初始值的200%。

4 鋁電解電容器壽命預(yù)測(cè)

基于加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)鋁電解電容器使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)剩余壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行探討。

4.1 使用壽命預(yù)測(cè)

通過(guò)鋁電解電容器加速退化試驗(yàn)，可以得到電容值與損耗角正切的加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因各數(shù)據(jù)的處理方法具有通用性，故而本文以16 V/2 200μF/105℃規(guī)格鋁電解電容器為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與壽命預(yù)計(jì)研究。

4.1.1 數(shù)據(jù)處理［8］

每個(gè)型號(hào)的電容器在一個(gè)溫度梯度下有10個(gè)試驗(yàn)樣本，每個(gè)試驗(yàn)樣本因測(cè)試間隔的原因有數(shù)個(gè)容量數(shù)據(jù)和數(shù)個(gè)損耗角正切數(shù)據(jù)。采用16 V/2 200μF規(guī)格電容器在120℃工況下進(jìn)行試驗(yàn)，每隔140 h測(cè)量常溫下電容值，其部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電容值部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄Tab.1 Partial data recording of capacitance

繪制3個(gè)溫度條件下的容量退化曲線，見(jiàn)圖5。由圖可以看出，電容量基本呈線性退化趨勢(shì)，退化速率（曲線斜率）隨溫度有一定增長(zhǎng)，但沒(méi)有出現(xiàn)跳變、驟降等現(xiàn)象，從而在一定程度上間接說(shuō)明溫度只加快了反應(yīng)速率，沒(méi)有改變鋁電解電容器的反應(yīng)機(jī)理，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果合理。經(jīng)實(shí)測(cè)，損耗角正切值同樣基本符合線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，故而對(duì)容量數(shù)據(jù)和損耗角正切數(shù)據(jù)分別進(jìn)行最小二乘估計(jì)，可以得到其線性擬合曲線方程。

圖5 不同溫度下16 V/2 200μF電容器容值退化曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of capacitance degradation curves of 16 V/2 200μF capacitor at different temperatures

本文將電容量初始測(cè)量值的80%和損耗角正切初始測(cè)量值的200%代入擬合后的方程，分別得到電容量和損耗角正切到達(dá)故障判據(jù)時(shí)的擬合時(shí)間，即偽壽命值。表2是16 V/2 200μF規(guī)格電容器在120℃工況下到達(dá)故障判據(jù)時(shí)的部分偽壽命值。

表2 16 V/2 200μF電容器在120℃下部分偽壽命值Tab.2 Partial pseudo life values of the 16 V/2 200μF aluminum electrolytic capacitor at 120℃

從表2可以看出，由電容量推算的偽壽命值普遍小于由損耗角正切推算的偽壽命值。本試驗(yàn)采用電容量進(jìn)行壽命預(yù)計(jì)。根據(jù)Arrhenius方程以及反應(yīng)速度與工作壽命成反比的理論，可推導(dǎo)出壽命模型，見(jiàn)式（7）。

式中：L——電容器的名義壽命。

對(duì)式（7）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，則壽命值的對(duì)數(shù)ln(L)是絕對(duì)溫度的倒數(shù)1/T的線性函數(shù)（圖6）。通過(guò)ln(L)與1/T的關(guān)系進(jìn)行線性參數(shù)擬合，可以確定反應(yīng)活化能Ea。

圖6 ln(L)與1/T的關(guān)系示意圖Fig.6 Schematic diagram of the relationship between ln(L)and 1/T

計(jì)算每個(gè)鋁電解電容器樣品的偽壽命值，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)壽命數(shù)據(jù)分布，發(fā)現(xiàn)其基本符合正態(tài)分布，故而取各型號(hào)電容器偽壽命值的均值為該型號(hào)電容器的名義壽命。依照?qǐng)D6對(duì)不同溫度條件下的名義壽命的對(duì)數(shù)ln(L)進(jìn)行線性擬合，則得到16 V/2 200μF電容器的反應(yīng)活化能Ea1=0.719 1 eV。

4.1.2 壽命預(yù)計(jì)

依據(jù)式（3）和16 V/2 200μF規(guī)格電容器的反應(yīng)活化能Ea1，可以預(yù)計(jì)該鋁電解電容器的使用壽命：

式中：Ls——預(yù)計(jì)的使用壽命；Lf——加速壽命試驗(yàn)中120℃條件下的名義壽命，1 292 h；Ts——工作條件下的核溫。

由式（8）可以得到實(shí)際使用核溫與使用年限之間的關(guān)系，見(jiàn)圖7?？梢钥吹?，溫度對(duì)鋁電解電容器的使用壽命影響很大。假設(shè)工作時(shí)環(huán)境溫度為45℃，紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升為15℃，即核溫Ts=60℃，根據(jù)式（8），則使用壽命為59 088 h，近似為12年（按照每天運(yùn)行16 h，每年運(yùn)行300 d）；若核溫為75℃，則可以工作約4年。

圖7 鋁電解電容器使用壽命預(yù)計(jì)公式的圖形化表達(dá)Fig.7 Graphical expression of the life expectancy formula for aluminum electrolytic capacitor

基于本試驗(yàn)的壽命預(yù)計(jì)，考慮影響電容器壽命的主要因素是溫度引起的電解液的減少，而沒(méi)有涉及實(shí)際工況的其他復(fù)雜環(huán)境（例如：電容器的封口材料老化導(dǎo)致的壽命縮短；長(zhǎng)時(shí)間高濕環(huán)境下，電容器可能會(huì)吸收潮氣或電極被氧化，從而導(dǎo)致電容器損壞等）。本文從正向設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過(guò)退化機(jī)理分析與加速試驗(yàn)，給出延長(zhǎng)使用壽命的設(shè)計(jì)方向：

（1）通過(guò)增加散熱裝置，如散熱片、風(fēng)冷設(shè)備，來(lái)降低周圍環(huán)境溫度；

（2）通過(guò)降低紋波電流有效值的大小，如控制紋波電流的頻率和幅值，來(lái)減小電容器的內(nèi)部溫升，最終達(dá)到降低核溫從而延長(zhǎng)使用壽命的目的。

4.2 剩余壽命預(yù)測(cè)探討

從狀態(tài)修的需求角度來(lái)看，能夠直接獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的退化數(shù)據(jù)，依此對(duì)電容器的剩余壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)是最為理想的狀態(tài)，但通常需要將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)數(shù)據(jù)算法相結(jié)合。為此，本文以鋁電解電容器為研究對(duì)象，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，在監(jiān)測(cè)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)困難的情況下，利用本文加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壽命預(yù)測(cè)方法的有效性，并歸納了剩余壽命評(píng)估流程。

4.2.1 加速因子

加速因子也可稱為環(huán)境因子，它體現(xiàn)了加速試驗(yàn)中得到的壽命信息與實(shí)際使用條件下壽命信息之間的折算規(guī)律，可以表示為不同環(huán)境下壽命的比值，見(jiàn)式（9）。

式中：K——加速因子；t i——實(shí)際的使用壽命；t j——加速試驗(yàn)時(shí)間。

根據(jù)本文加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)的使用壽命，加速因子為K=59088/1292=45.73，即試驗(yàn)間隔140 h的參數(shù)退化量約等于在實(shí)際使用條件下6 402 h的參數(shù)退化量。所以，確定了加速因子后，只要根據(jù)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)參數(shù)退化趨勢(shì)，就能對(duì)實(shí)際使用條件下的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)剩余壽命預(yù)測(cè)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)大量的輸入輸出模式映射關(guān)系，具有很強(qiáng)的非線性逼近能力［9］和泛化能力，其優(yōu)點(diǎn)是不需要具體的數(shù)學(xué)模型，僅通過(guò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)便能夠進(jìn)行十分精確的預(yù)測(cè)。

用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鋁電解電容器剩余壽命預(yù)測(cè)的方法如下：

（1）選取網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入和輸出。本文選取了8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的退化數(shù)據(jù)作為輸入，選取1個(gè)時(shí)間點(diǎn)的退化數(shù)據(jù)作為輸出，并進(jìn)行歸一化處理。

（2）網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練［10］。本文創(chuàng)建了一個(gè)新的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，其將S型正切函數(shù)和純線性函數(shù)作為激活函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)選取負(fù)梯度下降動(dòng)量BP算法函數(shù)和動(dòng)量及自適應(yīng)lrBP的梯度訓(xùn)練遞減函數(shù)；設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的最大學(xué)習(xí)迭代次數(shù)為2 000次，學(xué)習(xí)精度為0.000 1。

（3）選取10個(gè)電容器的8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的退化數(shù)據(jù)作為輸入，將數(shù)據(jù)歸一化后輸入已訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到第九個(gè)時(shí)間點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，進(jìn)行反歸一化處理后對(duì)比實(shí)際的加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制如圖8所示的對(duì)比圖。其中“*”為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)用直線進(jìn)行連接，直線的拐點(diǎn)即為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)?？梢钥吹?，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

圖8 鋁電解電容器預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.8 Comparison between predicted data and test data of aluminum electrolytic capacitor

本文選取了130℃溫度下16 V/2 200μF規(guī)格的10個(gè)電容器部分的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的退化量、最小二乘法線性擬合的預(yù)測(cè)值與實(shí)際試驗(yàn)退化量進(jìn)行誤差對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表3。BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在3%以內(nèi)，而通過(guò)最小二乘線性擬合的預(yù)測(cè)值誤差在6%左右。通過(guò)對(duì)比，證明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)的方法更優(yōu)。

表3 鋁電解電容器預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析Tab.3 Error between predicted data and test data of aluminum electrolytic capacitor

4.2.3 剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估流程

剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估流程見(jiàn)圖9。當(dāng)獲得在線監(jiān)測(cè)的退化量時(shí)，可以直接采用4.2.2節(jié)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壽命預(yù)測(cè)方法對(duì)電容器剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)獲取在線監(jiān)測(cè)的退化量困難時(shí)，則可以通過(guò)加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加速因子的外推，從而預(yù)計(jì)工作條件下的退化量，再進(jìn)行剩余壽命評(píng)估。這里，加速因子外推與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)可以交換順序，因?yàn)锽P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，不會(huì)因?yàn)榧铀僖蜃拥谋稊?shù)而影響預(yù)測(cè)結(jié)果。值得注意的是，本文是通過(guò)已有的加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的加速因子，在工程使用中，加速因子的確定也同樣需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖9 鋁電解電容器剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估流程Fig.9 Remaining life prediction evaluation process for aluminum electrolytic capacitor

5 結(jié)語(yǔ)

在工程上，鋁電解電容器通常被認(rèn)為是電路板可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，而該薄弱環(huán)節(jié)的壽命往往代表著電路板的壽命。本文從工程實(shí)際出發(fā)，為解決電路板級(jí)鋁電解電容器壽命評(píng)估時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了鋁電解電容器加速退化試驗(yàn)，并給出了電容器的壽命預(yù)測(cè)公式。文中從狀態(tài)修的需求角度出發(fā)，基于加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在壽命預(yù)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，即預(yù)測(cè)誤差在3%以內(nèi)；并給出了剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估流程，為后續(xù)電路板級(jí)電容器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了有力支撐，對(duì)工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。