Y電容在電動汽車高壓安全設(shè)計中的影響分析

摘 要：當(dāng)前電動汽車行業(yè)快速發(fā)展，但高壓安全成為制約其進一步普及的關(guān)鍵因素。Y 電容作為電動汽車高壓系統(tǒng)中的重要元件，對高壓安全設(shè)計有著多方面的影響。文章深入剖析了 Y 電容的工作原理、特性，探討其在單點失效工況下對觸電風(fēng)險的影響，以及對整車絕緣電阻及絕緣監(jiān)測測量精度的作用。同時，基于研究結(jié)果提出了針對高電壓平臺的 Y 電容參數(shù)優(yōu)化建議，并對未來研究方向進行了展望，旨在為電動汽車高壓安全設(shè)計提供理論支持與實踐參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車 高壓安全 Y電容 觸電風(fēng)險 絕緣電阻監(jiān)測

1 緒論

隨著全球?qū)τ诃h(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度不斷提高，電動汽車市場呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢，銷量和滲透率不斷提升，中國已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場。在電動汽車的發(fā)展過程中，高壓安全問題始終是重中之重。電動汽車的高壓系統(tǒng)通常包含電池組、電機控制器、驅(qū)動電機等關(guān)鍵部件，這些部件工作時會產(chǎn)生數(shù)百伏的高壓。一旦高壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障或漏電等情況，將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡，同時也會影響車輛的穩(wěn)定運行，阻礙電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展。因此，確保高壓系統(tǒng)的安全性對于電動汽車的推廣和應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。

為了確保電動汽車在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中都能保持穩(wěn)定運行，Y電容在提高整車的電磁兼容性中起到了不可或缺的作用。當(dāng)發(fā)生絕緣失效時，即使高壓回路斷開，Y電容的殘余電量仍對人體有電擊風(fēng)險。因此，在高壓安全的設(shè)計中，需要特別關(guān)注Y電容的設(shè)計。

各個國家的電動汽車安全法律法規(guī)幾乎都有對于Y電容的要求。例如，中國的GB 18384[1]和國際的ISO 6469-3[2]中就明確了電容耦合的要求，整車Y電容的能量不能超過0.2J。2024年新發(fā)布的ISO 5474-3[3]中要求，整車Y電容的能量不能超過IEC 60479-2[4]中規(guī)定的C1曲線。

C1以下：無心室顫動閾。

C1 以上到C2：心室纖維性顫動危險小（概率達(dá)5%）。

C2以上到C3：心室纖維性顫動危險中等（概率達(dá)50%）。

C3以上：心室纖維性顫動危險大（概率大于50%）。

文章將從電擊防護的要求，Y電容導(dǎo)致電擊的機制，Y電容對于絕緣電阻的影響，對Y電容的參數(shù)優(yōu)化建議幾個方面進行闡述。

2 電擊防護要求

2.1 觸電風(fēng)險源分析

2.1.1 可觸摸部位的觸電風(fēng)險

在電動汽車整車層級，存在五個可觸摸到的部位具有觸電風(fēng)險，分別為車身、充電插座、高壓維修開關(guān)、高壓接插件、可觸碰到的低壓接插件。這些部位在車輛正常使用、維修以及事故救援等場景下，都有可能被人員接觸到，一旦存在漏電情況，就會對人員安全構(gòu)成威脅。如圖2所示。

2.1.2 電擊風(fēng)險能量來源

高壓電池包并非觸電風(fēng)險的能量來源，實際上，當(dāng)高壓系統(tǒng)出現(xiàn)失效情況時，高壓母線的電壓會迅速切斷。然而，由于高壓母線正負(fù)之間的 X 電容以及高壓母線和地之間的 Y 電容具有電容特性，即便高壓母線斷開，其中仍會殘留電量。在單一故障失效條件下，這些殘余電量便可能對人體造成電擊風(fēng)險。

X 電容布置在高壓母線正負(fù)之間，總?cè)葜禐閹装?μF，其作用主要是抑制差模干擾；Y 電容布置在高壓母線和車身之間，容值比 X 電容小很多，主要用于抑制共模干擾。

2.1.3 電容導(dǎo)致的電擊風(fēng)險機制

對于充電插座、高壓接插件和高壓維修開關(guān)，當(dāng)人體同時觸摸到高壓正極和高壓負(fù)極時，X電容中的殘余電量會在人體左右手之間形成回路，從而對人體造成電擊，此時 Y電容不會產(chǎn)生影響。

當(dāng)高壓部分和金屬外殼之間的基本絕緣失效時，Y電容中的電會流到金屬外殼。但得益于等電位連接設(shè)計，要求高壓部件金屬外殼和車身之間的電阻小于100mΩ，兩個相鄰高壓部件之間的連接電阻小于200mΩ。在這種情況下，等電位連接作為故障防護措施，能夠保護人體免受電擊，此時對人體的電擊風(fēng)險來自Y電容，X電容不起作用。

對于可觸碰到的低壓接插件，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并未重點考慮其電擊風(fēng)險。當(dāng)高壓部分和低壓部分之間的基礎(chǔ)絕緣失效，人體又恰巧觸碰到低壓接插件，在沒有故障防護的情況下，電流會從Y電容流經(jīng)人體，此時X電容不起作用。

綜上所述，充電插座、高壓接插件和高壓維修開關(guān)的觸電風(fēng)險主要來源于X電容，而車身和可觸碰到的低壓接插件的觸電風(fēng)險主要來源于 Y 電容。

2.2 電擊防護通用要求

電擊防護指在正常條件或單一故障條件下，確保如IEC 61140[5]中所述“危險的帶電部分不應(yīng)是可觸及的，而可觸及的可導(dǎo)電部分不應(yīng)是危險的帶電部分”。其通用要求包括基本防護、故障防護和附加防護（可選）。基本防護提供正常條件下的防護，故障防護用于單一故障條件下的防護，附加防護則在必要時作為補充措施 。

基本防護在實際應(yīng)用中主要體現(xiàn)為基本絕緣，可采用固體絕緣或空氣作為絕緣介質(zhì)。當(dāng)以空氣為絕緣時，即涉及電氣間隙，此時需配備符合強度和防護等級要求的外殼，外殼材質(zhì)可為導(dǎo)電的金屬或非導(dǎo)電的塑料。

故障防護的核心是確保基本防護失效后，人體接觸可導(dǎo)電部分時不會面臨觸電風(fēng)險，即流經(jīng)人體的電壓、電流和能量低于安全閾值。常見的故障防護措施有金屬殼的等電位連接（接地）、限制電壓、限制電流和能量等。

若設(shè)計中采用雙重絕緣或加強絕緣，可等效于同時實現(xiàn)基本防護和故障防護。絕緣電阻檢測不屬于故障防護，因其從檢測到發(fā)出警告、切斷回路需至少10s，而電流對人體傷害在ms級別，故將其歸為附加防護措施。

2.3 法律法規(guī)中對于人體電擊防護的要求

在中國，GB 18384是電動汽車高壓安全領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對電動汽車的電氣安全和功能安全做出了全面且細(xì)致的規(guī)定，旨在確保電動汽車在各種工況下都能滿足安全要求。在電氣安全方面，標(biāo)準(zhǔn)對絕緣電阻、電容耦合、接地等關(guān)鍵指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求。規(guī)定在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻應(yīng)不小于 100Ω/V，交流電路應(yīng)不小于 500Ω/V，以保證高壓系統(tǒng)與車身之間的良好絕緣性能，防止漏電事故的發(fā)生 。對于電容耦合，要求 B 級電壓電路中，任何 B 級電壓帶電部件和電平臺之間的總電容在其最大工作電壓時存儲的能量應(yīng)不大于 0.2J，以限制 Y 電容等儲能元件在故障情況下對人體的潛在危害。

國際上，ISO 6469系列標(biāo)準(zhǔn)是電動汽車安全領(lǐng)域的重要參考。其中，ISO 6469-3規(guī)定了電動汽車的安全要求，包括電擊防護、能量釋放控制、故障防護等方面。在電擊防護方面，要求采取有效的防護措施，防止人員直接接觸高壓帶電部件；在能量釋放控制方面，對高壓系統(tǒng)的能量存儲和釋放進行了嚴(yán)格限制，以減少潛在的安全風(fēng)險 。

3 Y電容對電動汽車高壓安全設(shè)計的潛在風(fēng)險

3.1 單一故障條件下觸電風(fēng)險

在評估電流對人體的影響時，需考慮最惡劣情況，通常采用500Ω的人體電阻值。電流流經(jīng)人體的順序會影響傷害程度，其中左手到腳的電流路徑最為危險，因為該路徑流經(jīng)心臟。心室纖維性顫動、窒息和電休克是人體電擊致命的主要原因，而心室顫動的引發(fā)取決于比致顫能量Fe（引起一定概率的心室纖維性顫動的短時單向脈沖電流最小I2t值）。流經(jīng)人體的能量E=Fe×R=I2t×R，其中I為流經(jīng)人體的電流，t為電流持續(xù)時間，R為人體電阻。

電容的放電曲線屬于短時單向單脈電流，其電永遠(yuǎn)放不完，但通常將放至0.7%的總時間平分成5份，每一份所需時間為放電常數(shù)T（T=電容×電阻）。在3個放電常數(shù)時，放電量為95%，5個放電常數(shù)時放電量為 99.3%，一般認(rèn)為電容全部放完電為5T。在標(biāo)準(zhǔn)中，通常使用的電容放電時間為3T，即放至5%。

根據(jù)IEC 60479-1[7]和IEC 60479-2中的電流時間曲線，不同區(qū)域的電流對人體產(chǎn)生的生理效應(yīng)不同。在高壓安全設(shè)計中，當(dāng)發(fā)生單點失效時，期望的是電流處于DC-2區(qū)域，即對人體沒有有害的電氣生理效應(yīng)。在DC-2區(qū)域的上限，流經(jīng)人體電流為 200mA，持續(xù)10ms，得出能量E=0.2J。這就是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定Y電容存儲能量不超過0.2J的依據(jù)，確保在Y電容放電時，即使基礎(chǔ)防護失效，流經(jīng)人體的能量也在安全范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對人體的電擊防護。如圖3為來自Y電容的能量流經(jīng)人體的示意圖。

3.2 對絕緣電阻監(jiān)測的影響

3.2.1 絕緣電阻監(jiān)測的原理

絕緣電阻監(jiān)測的主要方法包括電橋法和低頻電壓注入法。電橋法又分為平衡電橋法和不平衡電橋法，其中不平衡電橋法為國標(biāo)法（GB 18384中要求的絕緣電阻測試方法）。

在電橋法中，無論是平衡還是不平衡電橋法，都需要周期性切換開關(guān)來實現(xiàn)檢測功能。在開關(guān)切換過程中，高壓母線兩側(cè)電阻發(fā)生變化，引起電壓變化，從而使電容產(chǎn)生充放電過程，出現(xiàn)頻率 f。此時，電容容抗比未發(fā)生電壓變化時變小。根據(jù)公式（1）

在電容充放電過程中，檢測到的絕緣電阻值小于實際的絕緣電阻值。只有當(dāng)充放電過程結(jié)束，電容恢復(fù)至阻抗無限大時，檢測值才等于實際值。這就是絕緣電阻測試要求中強調(diào)待讀數(shù)穩(wěn)定的原因。同時，Y電容的容值越大，絕緣電阻檢測值穩(wěn)定所需時間越長，意味著從絕緣電阻失效到被檢測出來的時間也越長。

低頻信號注入法雖未使用切換開關(guān)，但直接注入了頻率（即使是低頻）。在檢測過程中，電容的阻抗會變小，導(dǎo)致檢測到的絕緣電阻值小于實際值。

3.2.2 Y電容對絕緣電阻監(jiān)測的影響

電動汽車的絕緣電阻要求，無論是整車級別還是高壓零部件級別，主要是指高壓正/負(fù)分別對車身或者電平臺之間的電阻，并不涉及高壓正負(fù)之間的電阻。實際上，高壓正/負(fù)和車身之間并非存在真正的物理電阻，而是用于衡量絕緣設(shè)計的指標(biāo)。在絕緣設(shè)計中，采用基礎(chǔ)絕緣加接地的方式，其中基礎(chǔ)絕緣主要通過電氣間隙設(shè)計來實現(xiàn)。絕緣電阻用于驗證正常工作條件下的絕緣性能，而極端條件下的絕緣性能則需借助工頻耐壓和沖擊耐壓測試進行驗證。

電容的主要作用是滿足電動汽車電磁兼容（EMC）設(shè)計需求，它分別布置在高壓正/負(fù)與車身之間，與高壓正/負(fù)和車身之間的絕緣電阻呈并聯(lián)關(guān)系。電阻具有阻抗特性，電容則有類似的容抗特性。容抗的計算公式為（2）

其中為頻率，為Y電容的容值。根據(jù)公式可知，容抗與頻率和容值成反比，這也解釋了電容“通交流，隔直流；通高頻，阻低頻”的特性。

在絕緣電阻監(jiān)測中，實際檢測到的絕緣電阻與期望的實際絕緣電阻存在差異。由于Y電容的并聯(lián)作用，使得，只有當(dāng)頻率=0時，才等于，即監(jiān)測值才是真實值。

由于Y電容與絕緣電阻并聯(lián)，現(xiàn)有絕緣電阻監(jiān)測方案在檢測過程中會使容抗減小，導(dǎo)致檢測值小于實際值，從而影響監(jiān)測精度。

Y電容的容值大小對絕緣電阻監(jiān)測時間也有顯著影響。Y電容容值越大，絕緣電阻檢測值穩(wěn)定所需時間越長，在實際運用中，從絕緣電阻失效到被檢測出來的時間也就越長。

4 針對高電壓平臺的Y電容參數(shù)優(yōu)化建議

隨著800V平臺的普及，Y電容0.2J的限制越來越不能滿足，因為1000V時對應(yīng)的總電容要求僅為0.4μF，在整車EMC上難度較大。并且0.2J的限制在人體的電擊防護機理上分析，對人體的安全保護過于冗余。因此需要考慮在電流持續(xù)時間范圍的基礎(chǔ)上進行放開電容耦合0.2J能量閾值要求，降低高電壓平臺車型的開發(fā)難度。

目前電氣安全的法律法規(guī)中電容耦合要求0.2J是基于IEC 60479-1中的電流時間曲線，時間為10ms以上。然而單點失效情況下Y電容對人體放電持續(xù)時間與放電常數(shù)τ有關(guān) 。根據(jù)IEC60479，心室顫動風(fēng)險可通過人體電流和 3T持續(xù)時間來評估，目前整車Y電容可在10ms內(nèi)完成放電，因此可以參考IEC 60479-2中的C1曲線。

在持續(xù)時間在10ms至4ms之間時，基于（10ms、200mA）和（4ms、500mA）兩個點的數(shù)值，通過插值法可得到該段電流與持續(xù)時間的函數(shù)關(guān)系，可得到240-612V之間的C-V函數(shù)，進一步計算EC。

以1000V為例，以往的0.2J的電容耦合要求，Y電容的容值只有0.4μF，如果以C1曲線為限制，Y電容的容值可以放寬到1.38 μF。這樣既能保證安全，又可以滿足EMC的性能要求。

5 結(jié)語

在電動汽車高壓安全領(lǐng)域，建立更加完善的 Y 電容安全評估體系是未來研究的重要方向。目前的安全評估主要基于一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可能無法完全涵蓋 Y 電容在各種復(fù)雜工況下的安全性能 。未來的研究可以通過大量的實驗和仿真，深入分析 Y 電容在不同工況下的性能變化和潛在風(fēng)險，建立更加全面、準(zhǔn)確的安全評估模型，為電動汽車的設(shè)計和使用提供更加科學(xué)的依據(jù) 。加強對 Y 電容故障診斷和預(yù)警技術(shù)的研究，開發(fā)出能夠?qū)崟r監(jiān)測 Y 電容狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)故障隱患的技術(shù)和設(shè)備，也是提高電動汽車高壓安全性能的重要措施。

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