動(dòng)力電池Y電容及其對(duì)整車漏電檢測(cè)的影響

梁豐收， 秦海洋, 談際剛, 馬愛國(guó)

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

動(dòng)力電池Y電容是指存在于電池正負(fù)極與電池包金屬外殼或者內(nèi)部液冷管路之間的結(jié)構(gòu)電容，是由電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理形成[1]。其主要分為2類：一類為金屬托盤固定的電池包，通過螺栓分別將電池模組與托盤，托盤與車輛進(jìn)行固定，電池包電極與電池包托盤間形成Y電容；另一類為循環(huán)液冷的電池包，電池電芯間裝有含冷卻液的金屬管路來實(shí)現(xiàn)恒溫控制，電池包電極與冷卻管路間形成Y電容[2]。而且，由于整車電池系統(tǒng)是通過電池包的串聯(lián)和并聯(lián)來給車輛供電，每個(gè)電池包的Y電容在動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)耦合疊加，進(jìn)一步增大了動(dòng)力電池對(duì)車輛的漏電流，從而對(duì)整車漏電檢測(cè)產(chǎn)生了影響。

1 動(dòng)力電池Y電容的測(cè)試

1.1 測(cè)量設(shè)備與操作

動(dòng)力電池Y電容的測(cè)量選用精度較高的LCR數(shù)字電橋，具體操作如下：

將設(shè)備接通電源后，選擇要測(cè)量的參數(shù)，即電容C，待儀器預(yù)熱10 min后即開始測(cè)量。分別將LCR數(shù)字電橋正極端(紅筆)夾在電池包正極或負(fù)極，LCR數(shù)字電橋負(fù)極端(黑筆)接在電池包托盤地或者電池包水冷管路進(jìn)出水口，然后待儀器數(shù)值顯示穩(wěn)定后記錄此時(shí)電容值[3]。測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 Y電容測(cè)量原理圖

1.2 動(dòng)力電池Y電容零部件測(cè)試與分析

對(duì)某車型的3種型號(hào)動(dòng)力電池包(Ⅰ型：20串1并；Ⅱ型：16串1并；Ⅲ型30串1并)Y電容進(jìn)行采樣測(cè)試與數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)包括電池包正極對(duì)液冷管路Y電容值和電池包負(fù)極對(duì)液冷管路Y電容值，如表1所示，從測(cè)得的Y電容數(shù)據(jù)中可以得出以下結(jié)論：

1) 3種類型液冷電池包Y電容數(shù)值接近。其中，第3種電池包Y電容值最大，平均值達(dá)到46 nF；其他2種電池包Y電容值平均值分別為35 nF和30 nF。

2) 電池包電芯節(jié)數(shù)越多，電池包Y電容值越大。

表1 3種型號(hào)電池包Y電容對(duì)比 nF

1.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)Y電容整車測(cè)試與分析

某車型的動(dòng)力電池由若干個(gè)電池包通過先并后串的方式組成2組可單獨(dú)供電的PACK，分別測(cè)量2個(gè)PACK存在的Y電容值[4]。測(cè)量前接好設(shè)備并戴上絕緣手套，將某PACK的正負(fù)極接插件從整車斷開，待設(shè)備預(yù)熱后方可開始測(cè)量，測(cè)量時(shí)及時(shí)記錄設(shè)備的穩(wěn)定讀數(shù)，數(shù)值如表2所示。

表2 車輛各PACK Y電容及電池系統(tǒng)總Y電容

對(duì)比數(shù)據(jù)可得：

1) 2組PACK的Y電容值幾乎相同，且各組正負(fù)極Y電容也基本相等。

2) 2組PACK的Y電容值之和即為整車動(dòng)力電池系統(tǒng)的Y電容。

2 Y電容對(duì)整車漏電檢測(cè)的影響

2.1 漏電傳感器檢測(cè)原理

某純電動(dòng)汽車的漏電檢測(cè)由漏電傳感器完成。如圖2所示，某漏電傳感器內(nèi)部包括激勵(lì)電源(U)、標(biāo)準(zhǔn)電阻(R1、R2)、檢測(cè)模塊(MCU)等元器件，通過CAN線與電池管理控制器通訊，確定檢測(cè)方式。其工作時(shí)會(huì)在高壓回路與地之間發(fā)送PWM方波電壓，并通過回檢高壓負(fù)極對(duì)車輛電壓及漏電傳感器內(nèi)部電流來計(jì)算高壓系統(tǒng)對(duì)車輛的絕緣電阻[5]。

圖2 某漏電傳感器檢測(cè)原理圖

2.2 Y電容對(duì)整車漏電檢測(cè)的影響測(cè)試

當(dāng)高壓回路與車輛之間存在Y電容時(shí)，漏電傳感器發(fā)出的交變電壓會(huì)存在一個(gè)給Y電容充電的過程。Y電容越大，漏電傳感器給此電容充電時(shí)間越長(zhǎng)，PWM方波的失真越嚴(yán)重，即基準(zhǔn)電壓很難在檢測(cè)周期內(nèi)達(dá)到實(shí)際穩(wěn)定值[6]，導(dǎo)致漏電傳感器計(jì)算得出的絕緣阻值小于實(shí)際阻值，進(jìn)而引發(fā)漏電誤報(bào)警后的車輛拋錨[7]。動(dòng)力電池受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置距離等特性的影響，成為純電動(dòng)汽車最主要的Y電容來源之一。

如圖3所示，車輛高壓回路不存在較大Y電容時(shí)，漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形為方波，漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓穩(wěn)定，所計(jì)算的絕緣阻值比較準(zhǔn)確。

圖3 漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形圖

當(dāng)動(dòng)力電池接入高壓回路后，絕緣檢測(cè)模塊檢測(cè)到的PWM方波受Y電容影響，但檢測(cè)到的電壓在檢測(cè)周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，對(duì)整車功能無影響。依據(jù)電容時(shí)間特性公式τ=R×C[8]，Y電容的增大將引起上電時(shí)間的延長(zhǎng)，波形如圖4所示。

圖4 接入電池后漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形圖

如圖5所示，某車型使用循環(huán)液冷電池，并開啟了所有高壓系統(tǒng)后，其檢測(cè)電壓呈三角波形狀且無法達(dá)到平臺(tái)期，致使計(jì)算整車絕緣阻值低于車輛實(shí)際絕緣阻值，可能會(huì)引起車輛上電故障或行駛中拋錨事故的發(fā)生。

圖5 整車上電后漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形圖

在一定范圍內(nèi)，隨著Y電容的增大，高壓系統(tǒng)容抗降低引起絕緣電阻值低，增加了漏電安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)束語

隨著電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電芯成分、結(jié)構(gòu)與液冷技術(shù)發(fā)展，其Y電容將呈現(xiàn)逐步增大、復(fù)雜多樣和難以治理等特點(diǎn)[9]。延長(zhǎng)漏電傳感器檢測(cè)周期可解決高壓系統(tǒng)Y電容存在對(duì)漏電檢測(cè)的影響，但由于實(shí)際漏電時(shí)檢測(cè)結(jié)果延遲較久，不利于進(jìn)行及時(shí)的車輛漏電報(bào)警和保護(hù)[8]。因此，電池制造商應(yīng)合理布置電壓高級(jí)與金屬托盤和液冷管路間的結(jié)構(gòu)，從根本上降低動(dòng)力電池Y電容，保障整車漏電檢測(cè)與防護(hù)功能的正常實(shí)現(xiàn)。