Y電容對(duì)電動(dòng)汽車電氣安全的影響分析

宋芳 張宇鵬 張?zhí)鞆?qiáng)

（1. 中國(guó)第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春130013；2. 汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：電動(dòng)汽車 Y電容 安全 充電

1 前言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量的快速增長(zhǎng)，汽車動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入以電動(dòng)化為主的新發(fā)展時(shí)期。經(jīng)過(guò)汽車及相關(guān)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)汽車逐漸克服技術(shù)、性能、成本困難，正在逐步接近傳統(tǒng)汽車水平，但在發(fā)展過(guò)程中，電動(dòng)汽車安全問(wèn)題越來(lái)越凸顯。從安全角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)之初就能識(shí)別并規(guī)避安全隱患，是電動(dòng)汽車持續(xù)發(fā)展的先決條件[1]。

電動(dòng)汽車的安全問(wèn)題與其特有的高壓電氣系統(tǒng)有關(guān)，電動(dòng)汽車上安裝了動(dòng)力電池、電機(jī)、DC/DC等高壓部件,具有高電壓、大電流的高壓回路,在其全生命周期內(nèi)都存在一定的電氣安全失效風(fēng)險(xiǎn)，如觸電、短路著火等電動(dòng)汽車特有的安全隱患。本文之所以對(duì)Y電容展開研究與分析，是因?yàn)閅電容對(duì)電動(dòng)汽車電氣安全的許多方面都帶來(lái)了一定的影響，分析、明確其影響因素與影響原因?qū)μ嵘妱?dòng)汽車的安全具有非常重要的意義。

2 Y電容概述

2.1 Y電容在電動(dòng)汽車上的存在形式

電動(dòng)汽車上的Y 電容有2 種存在形式：一種是人為主動(dòng)設(shè)計(jì)的安規(guī)電容，布置于正/負(fù)極與電平臺(tái)之間，用于改善部件及整車的EMC性能，一般成對(duì)出現(xiàn)；另外一種存在形式是部件及整車由于自身結(jié)構(gòu)特性被動(dòng)形成的寄生電容，包括線纜與接地屏蔽層之間形成的雜散電容以及部件金屬殼體之間形成的結(jié)構(gòu)電容，可能造成非預(yù)期的負(fù)面影響[2]。

無(wú)論是寄生電容還是電路板上的安規(guī)Y電容，都會(huì)使得高壓系統(tǒng)與電平臺(tái)之間產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，在正/負(fù)極對(duì)電平臺(tái)發(fā)生電壓變化時(shí)存在充放電電流。在充放電電流大于一定限額時(shí)，會(huì)影響整車電氣安全。

2.2 電動(dòng)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y電容的設(shè)計(jì)要求

Y電容的要求主要體現(xiàn)在以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中：

2.2.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車安全要求

在GB 18384—2020《電動(dòng)汽車安全要求》[3]中，對(duì)Y電容提出了明確要求，該法規(guī)是強(qiáng)制性執(zhí)行的，必須在設(shè)計(jì)上予以滿足，具體要求如下：

“電容耦合應(yīng)至少滿足以下要求之一：

（a）B級(jí)電壓電路中，任何B級(jí)電壓帶電部件和電平臺(tái)之間的總電容在其最大工作電壓時(shí)存儲(chǔ)的能量應(yīng)不大于0.2 J，0.2 J為對(duì)B級(jí)電壓電路正極側(cè)Y電容或負(fù)極側(cè)Y 電容最大存儲(chǔ)電能的要求。此外，若有B級(jí)電壓電路相互隔離，則0.2 J為單獨(dú)對(duì)各相互隔離的電路的要求；

（b）B 級(jí)電壓電路至少有2 層絕緣層、遮欄或外殼，或布置在外殼里或遮欄后，且這些外殼或遮欄應(yīng)能承受不低于10 kPa 的壓強(qiáng)，不發(fā)生明顯的塑性變形。”

2.2.2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車碰撞后安全要求

在GB/T 31498—2015《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》[4]中，對(duì)Y 電容也提出了要求，該標(biāo)準(zhǔn)雖然是推薦性標(biāo)準(zhǔn)，但也需要按要求來(lái)執(zhí)行，具體要求如下：

“儲(chǔ)存在Y-電容器里的能量（TEy1，TEy2）也應(yīng)該少于0.2 J。應(yīng)通過(guò)高壓母線和電平臺(tái)電壓V1和V2以及制造商規(guī)定的Y電容器里的電容（Cy1，Cy2）根據(jù)公式來(lái)計(jì)算該值。

2.2.3 充電設(shè)施行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Y電容的要求

目前充電設(shè)施行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33001—2018[5]中，對(duì)充電設(shè)施的Y電容提出以下要求，可以作為車端設(shè)計(jì)的參考，具體要求如下：

充電機(jī)直流輸出正、負(fù)極與地之間的電容耦合由Y電容器和寄生電容產(chǎn)生，用于實(shí)現(xiàn)電磁兼容。為防止人員觸電危險(xiǎn)，對(duì)于額定輸出電壓不大于500 V 的充電機(jī)，其每個(gè)充電接口直流輸出正、負(fù)極與地之間的總電容均不應(yīng)大于0.4 μF；對(duì)于額定輸出電壓大于500 V的充電機(jī)，應(yīng)滿足下述條件之一：

（a）充電機(jī)與電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池連接在一起的直流正、負(fù)極與地之間的總電容在其最大工作電壓時(shí)所存儲(chǔ)的能力均不應(yīng)大于0.2 J；

（b）充電機(jī)直流輸出回路采用雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣措施。

從3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，目前各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Y 電容的要求都是對(duì)系統(tǒng)及整車提出的要求，沒有對(duì)總成的具體要求。

3 Y電容對(duì)電動(dòng)汽車的電氣安全影響分析

3.1 Y電容對(duì)整車電氣安全的影響

3.1.1 Y電容對(duì)車輛發(fā)生單點(diǎn)失效工況下的觸電影響

Y 電容由于布置在正/負(fù)極與電平臺(tái)之間，在車輛正常使用工況下，如果車輛發(fā)生單點(diǎn)失效故障時(shí)，比如單極發(fā)生絕緣失效或者IPXXB 失效，且人一手觸摸到失效點(diǎn)一手觸摸電平臺(tái)時(shí)，Y電容變成了回路中的電源，對(duì)人體放電，如圖1所示[1]。在多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)人體的安全能量都是0.2 J。如果Y 電容總能量超過(guò)了0.2 J，就大幅度增加了駕乘人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 單點(diǎn)失效時(shí)Y電容可能造成的觸電風(fēng)險(xiǎn)分析

基于以上分析，如果沒有將Y電容控制在安全能量以下，在高壓系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)失效的情況下，可能造成人員觸電事故。解決這個(gè)問(wèn)題一般有2 種方法,一個(gè)是高壓系統(tǒng)單邊Y電容的總能量之和控制在0.2 J以下,另一個(gè)是避免高壓系統(tǒng)單點(diǎn)失效的發(fā)生。因此在GB 18384—2020中，對(duì)整車提出了每個(gè)互相隔離的子系統(tǒng)都應(yīng)該保證其正極/負(fù)極對(duì)電平臺(tái)的Y電容總能量之和小于0.2 J，或者該回路有2層絕緣層或外殼，或外殼能承受10 kPa的壓強(qiáng)不發(fā)生塑性變形的要求[3]。其中,回路中Y電容的最大能量計(jì)算公式如下:

除此外，如果Y 電容能量超過(guò)0.2 J，還需要依據(jù)GB/T 31498—2015《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》[4]增加碰撞后能量泄放的設(shè)計(jì)。

由于第2 種方法需要較高的成本且可靠性不高，一般主機(jī)廠采取第1種方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)防止觸電事故的發(fā)生。目前GB 18384—2020[3]中的Y電容能量測(cè)試方法為計(jì)算Y電容的設(shè)計(jì)值的能量之和，未將寄生電容計(jì)算在其中。但Y 電容的重要性實(shí)際上比高壓安全中一些其它設(shè)計(jì)措施如絕緣監(jiān)測(cè)及電位均衡更加重要，在主機(jī)廠進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮寄生Y電容的影響。因此，除了進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)值計(jì)算外，也需要依賴Y電容的測(cè)試來(lái)保障0.2 J能量要求的滿足。

3.1.2 Y電容對(duì)車輛絕緣電阻的影響

Y電容的加入導(dǎo)致高壓系統(tǒng)與電平臺(tái)之間增加了一條電氣通道，此通道的存在必然降低高壓系統(tǒng)對(duì)電平臺(tái)的絕緣性能[6]。整車的絕緣電阻的測(cè)試值是高壓系統(tǒng)原有絕緣電阻與Y電容阻抗并聯(lián)的關(guān)系。

當(dāng)高壓系統(tǒng)正/負(fù)極對(duì)電平臺(tái)電壓發(fā)生變化時(shí)，正極與電平臺(tái)之間的Y 電容和負(fù)極與電平臺(tái)之間的Y電容會(huì)因?yàn)檫@個(gè)電壓的變化，產(chǎn)生充電或者放電電流。又或者整車存在正/負(fù)極對(duì)電平臺(tái)之間發(fā)出脈沖信號(hào)的部件（如低頻注入法絕緣監(jiān)測(cè)裝置），由于Y電容被反復(fù)充放電，會(huì)在正/負(fù)極與電平臺(tái)之間出現(xiàn)電流。根據(jù)歐姆定律，電流與電路中電壓U和電路等效阻抗Z的關(guān)系如下：

電容阻抗與電容容值C以及電壓頻率f之間的關(guān)系如下：

則流過(guò)Y電容的電流為：

由公式可知，該電流與Y電容容值成正比，Y電容容值越大，電流越大。由于絕緣電阻與漏電流成反比關(guān)系，如果Y 電容的容值越大，在Y 電容被充放電時(shí)的充放電電流會(huì)越大，整車的絕緣電阻會(huì)越小，甚至?xí)?dǎo)致整車絕緣電阻不符合標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。

3.1.3 Y電容對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的影響

絕緣監(jiān)測(cè)裝置在整車中起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)絕緣電阻的作用，可以在車輛發(fā)生單點(diǎn)絕緣失效時(shí)提示駕乘人員，從而避免觸電事故的發(fā)生，在整車電氣安全中起到重要的作用。目前主流的車載絕緣電阻測(cè)量方法是電壓比較法和低頻注入法，這2種方法都會(huì)受到Y(jié)電容的影響，具體分析如下：

（1）Y電容對(duì)低頻注入法絕緣監(jiān)測(cè)裝置的影響

低頻注入法基本原理如圖2 所示，對(duì)高壓系統(tǒng)與電平臺(tái)之間注入一個(gè)低頻方波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量采樣電阻Rm上的電壓間接計(jì)算得到高壓系統(tǒng)與電平臺(tái)之間的漏電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣電阻的監(jiān)測(cè)。

圖2 低頻注入絕緣監(jiān)測(cè)等效電路

但由于正/負(fù)極與電平臺(tái)之間除了高壓系統(tǒng)的絕緣電阻之外,還存在Y電容,低頻注入法絕緣監(jiān)測(cè)裝置實(shí)際檢測(cè)到的絕緣電阻值是高壓系統(tǒng)實(shí)際絕緣電阻Ri與Y 電容Cy之間的并聯(lián)值[6]。在3.1.2 章節(jié)提及過(guò)，當(dāng)?shù)皖l注入法絕緣監(jiān)測(cè)裝置工作時(shí)，相當(dāng)于在給Y電容進(jìn)行充放電，此時(shí)Y 電容阻抗很小，會(huì)使得測(cè)量值被拉低，從某種意義上來(lái)看此時(shí)高壓系統(tǒng)絕緣電阻也確實(shí)被Y電容所拉低了。當(dāng)Cy被充滿時(shí)，阻抗接近于無(wú)窮大，此時(shí)測(cè)量值與高壓系統(tǒng)原有絕緣電阻Ri一致，緣監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量得到的整車絕緣電阻基本沒有受到Y(jié)電容的影響。

（2）Y電容對(duì)電壓比較法絕緣監(jiān)測(cè)裝置的影響

電壓比較法的絕緣監(jiān)測(cè)裝置原理如圖3 所示，絕緣監(jiān)測(cè)裝置中的2個(gè)開關(guān)會(huì)交替吸合斷開，檢測(cè)模塊通過(guò)對(duì)比正/負(fù)極對(duì)電平臺(tái)電壓在開關(guān)斷開與吸合前后的差值來(lái)進(jìn)行絕緣電阻的測(cè)量與計(jì)算。在開關(guān)切換時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正/負(fù)極對(duì)電平臺(tái)電壓的突然變化，Y 電容的存在會(huì)減緩這種變化的尖峰，在電壓完全平穩(wěn)前Y電容處于被充電或者放電狀態(tài)。與前面所提及的情況一樣，在Y 電容被充放電時(shí)，Y 電容阻抗很小，從而導(dǎo)致高壓系統(tǒng)的絕緣電阻測(cè)量值大幅度降低。Y電容越大，絕緣降低的周期就越長(zhǎng)。

圖3 電壓比較法絕緣監(jiān)測(cè)等效電路

綜上，2 種絕緣監(jiān)測(cè)方法都會(huì)直接或者間接造成Y電容的充放電，從而造成整車絕緣電阻的測(cè)量值在Y電容被充放電時(shí)候出現(xiàn)大幅度的下降，如果想要避免這種情況，一方面可以通過(guò)控制Y電容的容值來(lái)避免對(duì)絕緣電阻測(cè)量值的影響程度，另一方面可以通過(guò)調(diào)整測(cè)量周期避免檢測(cè)到Y(jié) 電容在充放電時(shí)的系統(tǒng)絕緣電阻。

3.2 Y電容對(duì)充電系統(tǒng)電氣安全的影響

3.2.1 Y電容對(duì)充電系統(tǒng)的觸電安全的影響

Y電容在充電工況下的影響與整車正常使用工況下的分析有原理上的相似，但由于增加了充電樁的參與，相對(duì)更為復(fù)雜，下面進(jìn)行單獨(dú)的分析：

（1）安全能量的重新分配

對(duì)充電回路的Y 電容的最大能量要求仍然是0.2 J,但是需要明確的是，充電回路的Y 電容的能量是由汽車上的Y 電容和充電設(shè)施的Y 電容能量的總和，不是僅僅對(duì)車輛端充電回路的要求。這也就是說(shuō)，對(duì)于高壓系統(tǒng)上互相隔離的子系統(tǒng)，如果該系統(tǒng)是充電系統(tǒng)，那么其Y 電容的設(shè)計(jì)要特殊進(jìn)行計(jì)算，要將0.2 J 的能量限值分配給車上的充電回路及充電設(shè)施。公式仍與上面分析的一致：

另外需要注意的是此處的電壓是充電時(shí)的最高電壓，在通過(guò)充電電壓確認(rèn)Y 電容限值后，還需要將其分配給汽車和充電樁，相比非充電狀態(tài)下的情況，對(duì)車端Y電容的要求更加嚴(yán)格了。充電樁端的參數(shù)，可以參考NB/T 33001—2018[5]中的內(nèi)容。

（2）超出安全能量時(shí)的觸電風(fēng)險(xiǎn)

以交流充電為例，若充電回路的Y 電容能量超過(guò)安全能量限值，當(dāng)充電設(shè)施出現(xiàn)充電槍及充電線纜出現(xiàn)IPXXB 失效，也就是人可以直接觸摸到高壓帶電部分的時(shí)候，人如果站在地上觸摸到了IPXXB失效的部分，此時(shí)充電回路是接地的，形成了如圖4所示的觸電回路。Y 電容中的能量會(huì)直接作用于人體，從而造成人員觸電情況。此時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)是無(wú)法監(jiān)測(cè)到IPXXB 的失效的，除非IPXXB 失效的部分被接地了。

圖4 充電樁破損觸電分析

如果IPXXB 失效的部分是充電樁與電網(wǎng)直接相連的部分，會(huì)直接造成380 V直接單極觸電，不被Y電容的大小所影響，因此不在本文的研究范圍。

直流充電樁IPXXB 失效的情況由于與交流充電樁的情況類似，因此不再進(jìn)行單獨(dú)的分析。

3.2.2 Y電容對(duì)樁端及車端絕緣監(jiān)測(cè)裝置的影響

直流充電樁內(nèi)部集成有絕緣監(jiān)測(cè)裝置,一般也是采用低頻注入法與電壓比較法2種方法在充電開始前進(jìn)行充電回路的絕緣監(jiān)測(cè)。當(dāng)充電回路的Y 電容較大時(shí)，在充電過(guò)程中同樣會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值比充電回路原有絕緣電阻低，甚至達(dá)到失效報(bào)警值的情況，從而影響充電流程。

在充電過(guò)程中電容對(duì)車端絕緣監(jiān)測(cè)的影響與前面章節(jié)分析一致，此處不再贅述。

3.2.3 Y 電容對(duì)高電壓大功率充電方式電動(dòng)汽車的影響

對(duì)于采用高電壓大功率充電方式的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，依據(jù)公式(1)，一旦提高電壓平臺(tái)，因?yàn)殡妷旱挠绊懯潜黄椒降模潆娀芈穀電容的容值就需要控制在更小的范圍內(nèi)，以避免前面分析過(guò)的安全隱患。

綜上，Y 電容的容值與其所攜帶的能量在沒有合理控制的情況下可能會(huì)導(dǎo)致充電過(guò)程中人員觸電、絕緣監(jiān)測(cè)誤判等問(wèn)題，影響充電過(guò)程中人員的安全與充電操作使用。因此，在進(jìn)行充電回路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到充電電壓對(duì)充電回路中Y 電容能量的幾何級(jí)影響及充電樁端Y電容的影響，在保證車輛EMC的前提下對(duì)充電回路內(nèi)各高壓部件的Y 電容進(jìn)行合理的分配與設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從電動(dòng)汽車正常使用工況及充電工況詳細(xì)分析了Y電容對(duì)電動(dòng)汽車觸電風(fēng)險(xiǎn)、絕緣電阻與絕緣監(jiān)測(cè)精度等方面的影響。

為了減少Y 電容對(duì)電動(dòng)汽車造成的各項(xiàng)安全隱患，主機(jī)廠應(yīng)在設(shè)計(jì)階段針對(duì)Y電容的設(shè)計(jì)進(jìn)行EMC與電氣安全的平衡把控，把整車高壓系統(tǒng)包括充電回路的Y 電容及其寄生電容的能量控制在合理范圍內(nèi)。另外，由于Y 電容的大小在整車的生命周期內(nèi)，受車輛運(yùn)行工況與環(huán)境濕度等影響會(huì)產(chǎn)生一定的變化，因此，在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)階段應(yīng)重視Y 電容的整車計(jì)算與充分的測(cè)試驗(yàn)證。