動力電池寄生Y電容測試方法

顧廣東，楊金文，婁本杰，劉鳳丹，王國慶

（1.威睿電動汽車技術 （寧波）有限公司，浙江 寧波 315336；2.吉利汽車研究院 （寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

因社會發展對環境要求越來越高，新能源汽車成為世界汽車工業競爭的一個新焦點。現階段是新能源汽車發展的關鍵階段，必須把安全作為最關鍵的指標，把提高新能源汽車安全性放在最重要的位置［1］。Y電容作為跨接在電力線與搭鐵之間的電容，其容值的大小會影響到高壓系統的安全，其安全性不容忽視。針對Y電容的防護通常情況下是使用電容耦合的方式，當系統中的Y電容過大時，當高壓系統內發生單點失效的情況下，就容易發生觸電事故；當Y電容值過小時，無論濾波還是信號傳遞都不會發揮應有的作用，因此Y電容的數值須在設計保護和測試過程中確認。

1 寄生Y電容

寄生Y電容是電池包由于其自身結構特性被動形成的寄生電容，主要是在電極與電池包外殼之間，受電池包結構設計影響。圖1為電池包寄生Y電容簡易示意圖。

圖1 電池包寄生Y電容示意圖

其中，Cb為電池包自身電容，容值極大。Cy+、Cy-為電池包寄生電容，一般為nF級別。

寄生Y電容過大，其存儲的能量可能會對其他零部件或人類造成損傷，因此需要控制寄生Y電容的容值［2］。

《GB/T 18384-2020電動汽車安全要求》第5部分5.1.1.4電容耦合要求提出，電容耦合的能量不能大于0.2J。

可通過測量寄生Y電容大小來確定Y電容值是否超出了允許范圍，從而推動設計人員改善寄生Y電容［3-4］。

2 動力電池寄生Y電容的測試方法

2.1 測試思路

1）對電容施加固定頻率的交流電壓，然后測量充放電電流來計算電容值，如下面公式［5］：

式中：U（AC）——交流電壓幅值；f——交流電壓頻率。

以這種方法測量電容值的設備有：LCR數字電橋、數字萬用表。另外對于電池包產品也可以用耐壓測試儀對電極與外殼施加交流電壓，通過耐壓測試儀測得的漏電流計算Y電容值。

2）通過電容的充放電能量來計算電容值，公式如下：

式中：U0、Ue——充放電曲線的開始、結束電壓。而E的計算：

在模型的化學計量學處理方法的選擇方面，分別比對了n階導數、是否使用矢量歸一化法、smoothing 值“9/13/17/21/25”的選擇，經比對，最終發現：在使用 “一階導數+矢量歸一化+平滑點數17”（first derivative+Vector Normalization+Smoothing Point 17）作為NIR光譜的預處理方法時，可以使模型較好地識別雷公藤樣本，并使其它藥材與雷公藤的最大一致性指數值區別更大。由“一階導數+矢量歸一化+平滑點數17”處理后的雷公藤木質部模型驗證結果，如圖6所示。

式中：U（t）——充放電電壓曲線函數。

由于電池包產品自身帶電，故設計放電回路獲取放電曲線比較適合。

下面分別采用LCR數字電橋、數字萬用表、耐壓測試儀及放電回路測試某型號電池包Y電容，對比測試結果差異。

2.2 LCR數字電橋測試Y電容

LCR測試儀正極 （紅表筆）連接電池包正極或負極，LCR測試儀負極 （黑表筆）連接電池包出水口，設定測試頻率為1kHz。圖2為LCR數字電橋測量電池包寄生Y電容示意圖。

圖2 LCR數字電橋測量電池包寄生Y電容示意圖

測量出的電池包正極對殼與電池包負極對殼的寄生Y電容值分別為：34.58nF和34.43nF。此測試結果實際都為Cy+與Cy-并聯再與Cb串聯的綜合值，非分別為Cy+、Cy-的值。下同。

對于集成了電池管理系統的電池包，測量寄生Y電容前需要閉合主回路繼電器及屏蔽絕緣檢測功能。

2.3 數字萬用表測試寄生Y電容

使用高精度萬用表直接測量電池包的寄生Y電容，本工作中采用的是福祿克18B+型號萬用表，1.5~40.00nF電容擋位下，其分辨率為0.01nF，精度為 （2%+5nF）。萬用表正極（紅表筆）連接電池包正極或負極，萬用表負極 （黑表筆）連接電池包出水口。圖3為萬用表直接測量電池包寄生Y電容示意圖。

圖3 萬用表直接測量電池包寄生Y電容示意圖

測量出的電池包正極對殼與電池包負極對殼的寄生Y電容值分別為：30.89nF，31.09nF。

2.4 耐壓測試儀測試寄生Y電容

設置耐壓測試儀AC輸出模式，設置電壓與頻率如表1所示。測試后耐壓測試儀顯示漏電流值。通過公式 （1）、公式（2）、公式 （3）得出表1測試結果。

耐壓測試儀的使用要考慮樣品的耐壓能力，設置合適的輸出電壓，以免打壞樣品。

圖4 漏電流法測試寄生Y電容示意圖

表1 漏電流法測試結果

2.5 泄放電阻法測試寄生Y電容

需要準備圖5虛線范圍內的測試工裝及示波器設備 （帶高壓差分探頭）。

Rs+與Rs-為平衡電阻，其選擇不使回路總電阻低于500Ω/V即可，這里選擇1MΩ。Rdischarge為泄放電阻，一般選擇為平衡電阻的十分之一，即100kΩ。Ri為高壓差分探頭正負探頭之間電阻，根據探頭規格書，Ri為10MΩ。

圖5 泄放電阻法測試示意圖

其中，Riso+為電池包正極絕緣電阻；Riso-為電池包負極絕緣電阻；Rs+為電池包正極平衡電阻；Rs-為電池包負極平衡電阻；Ri為高壓差分探頭正負探頭之間的電阻；Rdischarge為泄放電阻。

首先通過絕緣電阻設備測試電池包正負極對外殼絕緣電阻值，并通過下面公式 （6）計算回路總電阻R=82979Ω。

當開關閉合，泄放電阻Rdischarge接入，電池包寄生Y電容放電，通過示波器捕捉到放電曲線，如圖6所示。

將示波器數據導出，通過公式 （5），計算得出放電能量E=0.278mJ。

U0與Ue可從示波器波形上獲得。通過公式 （4）計算出寄生Y電容值為35.30nF。

圖6 測試捕獲的放電曲線

3 結果分析

以上4個測試方法結果十分相近。

1）LCR數字電橋交流電壓輸出頻率高，輸出電流高，數據采樣能力高，其測試結果更貼近電池包實際寄生Y電容值。在使用時要注意檢查電池包絕緣狀況是否良好，若電池包絕緣異常則易損壞LCR數字電橋。

使用LCR對不同容值的電容進行測試，使用測試頻率為1kHz，從圖7可以看出，對于不同的電容，LCR會自動調整測試輸出的電壓和電流值，將對應的電壓值和電流值通過式（3）可以算出電容值，是符合LCR的測試結果的。圖7為純電容測量時LCR的參數及測試結果。

圖7 純電容測量時LCR的參數及測試結果

2）數字萬用表測量電容是最方便的辦法，一般實驗室都能找到便攜式的數字萬用表。從圖8中可以看出，在測量8μF時，其電壓范圍為0.6~1.2V，測試頻率約為15Hz；在測量22nF時，其電壓范圍為0.6~1.2V，測試頻率約為575Hz，說明萬用表在進行電容測量時是使用固定電壓而調整其輸出頻率的方式來進行電容值的測量，其輸出能力有限，在測量電容時其輸出的電壓波形易發生畸變，測試精確度低于LCR數字電橋。

3）耐壓測試儀適用于耐壓能力較高的電池包，測試結果需要人工計算。

圖8 使用萬用表測量不同容值電容時輸出的電壓圖像

4）泄放電阻法測試時，放電曲線的人為選擇 （如U0與Ue值選擇，放電時長選擇）和處理都會影響到寄生Y電容值的計算。此方法更適用于電池包絕緣能力較差，寄生Y電容有放電回路時的情況。此時使用LCR數字電橋或數字萬用表都有可能使設備損壞。

4 結束語

隨著新能源汽車的發展，高壓零部件越來越多，寄生Y電容的控制及測量顯得尤為重要，但國內目前還沒有電容測量的標準方法。以上4種測量方法已驗證其可行性，且產品不局限于電池包，可以為新能源汽車開發者或測試單位提供借鑒。