高壓系統(tǒng)安規(guī)Y電容及寄生電容應(yīng)用研究

梁豐收，朱嘯宇，薛偉光，徐 勇，武云龍

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

能源是社會(huì)飛速發(fā)展的基石。在人類文明不斷進(jìn)步的過程中，節(jié)能環(huán)保這個(gè)核心價(jià)值觀也越來越被全世界所重視，這種綠色理念也影響著我們的交通和出行方式。新能源汽車在世界的大舞臺(tái)中扮演著越來越重要的角色，世界各國也先后發(fā)布了燃油車禁售的法規(guī)，電動(dòng)汽車將取代燃油汽車成為世界人民的主流交通工具。

然而關(guān)于電動(dòng)汽車，最受人們關(guān)注的重點(diǎn)依舊是安全性，這也是本文主題為Y電容的原因所在。Y電容在電氣安全中主要涉及到電磁兼容與高壓安全這兩個(gè)方面，本文將對(duì)Y電容進(jìn)行簡介，并通過對(duì)某電動(dòng)客車的Y電容測試及原理分析，提出優(yōu)化方案，以此提升車輛的安全性能。

1 安規(guī)電容

安規(guī)電容是開關(guān)電源的主要元器件，它的安裝和選用對(duì)開關(guān)電源以及電子產(chǎn)品的安全性和電磁兼容性起到很重要的作用。

根據(jù)IEC 60384-14-2005《電子設(shè)備用的固定電容器第14-2部分：空白詳細(xì)規(guī)范抑制電磁干擾和連接電源用電容器僅安全試驗(yàn)》，可將安規(guī)電容分為X電容及Y電容兩類［1］。一般在開關(guān)電源的電源接入端增加抑制EMI傳導(dǎo)干擾的X電容和Y電容。

1.1 X電容

X電容是指跨接在輸入線兩端之間的電容器，它適用于當(dāng)該電容失效時(shí)不會(huì)導(dǎo)致電擊、不危及人身安全場合。在電磁兼容方面，采用在信號(hào)線和信號(hào)地線之間連接旁路電容 (X電容)的方法進(jìn)行差模濾波。

1.2 Y電容

Y電容是指跨接于火線和地線 (L-G)之間以及在零線和地線 (N-G)之間的電容器，它適用于電容失效時(shí)會(huì)導(dǎo)致電擊、危及人身安全的場合［1］。由此可見，在安全方面Y電容比X電容更為重要。在電磁兼容方面，采用在被濾波導(dǎo)線與共模電壓參考地之間連接旁路電容 (Y電容)的方法進(jìn)行共模濾波。電路如圖1所示。

圖1 X電容與Y電容的電路原理［2］

1.3 Y電容在電動(dòng)客車中的存在形式

Y電容在電動(dòng)客車中主要有兩種存在形式。

1)人為主動(dòng)設(shè)計(jì)的安規(guī)電容器。在設(shè)計(jì)開發(fā)及電路整改中經(jīng)常使用，屬于人為控制的期望變量。在某型電動(dòng)車的電器中，如多合一控制器、車載空調(diào)等高壓設(shè)備，為了保證零部件及整車的EMC性能，均在電器內(nèi)部增設(shè)了安規(guī)Y電容用以濾波。

2)電器及整車由于自身結(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電器金屬殼體之間形成的結(jié)構(gòu)電容 (如電機(jī)繞組到殼體的分布電容)等。在整車中，作為車身地的車身骨架與相鄰的高壓電器及線纜容易產(chǎn)生寄生電容，這是硬件的硬特性。寄生電容將在空間形成雜散放電電流，其作用類似于電容的充放電效應(yīng)，導(dǎo)致高壓系統(tǒng)與車身地間耦合現(xiàn)象嚴(yán)重。

從原理上來說，電容的功能都是一致的，然而被動(dòng)的寄生電容由于是設(shè)計(jì)之外的非期望變量，往往會(huì)引發(fā)不利的影響，本文中涉及的Y電容主要是指接地的寄生電容。

2 電動(dòng)客車中Y電容的作用及限值要求

2.1 影響人體觸電安全的接觸電流

Y電容與接觸電流的大小有著休戚相關(guān)的聯(lián)系。接觸電流是指人或動(dòng)物在接觸電子產(chǎn)品時(shí)流過身體的電流。當(dāng)電子產(chǎn)品通電后，該電子產(chǎn)品中Y電容會(huì)將電子組件所產(chǎn)生的共模騷擾及共模電流通過地線旁路到地下，減少了對(duì)電路及其他電器的干擾及對(duì)人體的傷害［1］。

正常情況下，對(duì)于金屬外殼的電子產(chǎn)品，由于接地導(dǎo)體的阻抗要遠(yuǎn)小于人體的阻抗，在設(shè)備中由Y電容形成的電流會(huì)通過接地導(dǎo)體直接流入大地。當(dāng)接地線未接好或未接時(shí)，電器外殼與地之間會(huì)存在較大電勢差，外殼上積累的電荷無處釋放，此時(shí)人體接觸電子產(chǎn)品的外殼就相當(dāng)于在電器與地之間提供接觸電流的泄放路徑，接觸電流會(huì)主要通過人體流入大地。如果接觸電流偏大，就會(huì)對(duì)人體造成傷害。是否有接地Y電容的簡化原理如圖2所示。

圖2 電容是否接地的電路原理

2.2 電動(dòng)客車中的漏電流效應(yīng)

同樣由于電容的放電效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致在車身地中產(chǎn)生漏電流的情況，若漏電流較大，則會(huì)影響接入車身地的其他設(shè)備，對(duì)電動(dòng)客車的可靠性、穩(wěn)定性、安全性、電磁兼容性均有較大影響，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)客車中的高低壓系統(tǒng)因容性耦合造成的漏電流效應(yīng)

例如某電動(dòng)車型在充電時(shí)檢測到漏電流為8.8 mA，超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求的3.5 mA，車輛在充電時(shí)由于漏電流過大會(huì)造成“跳槍”的情況；低壓信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，造成信號(hào)誤報(bào)、誤動(dòng)作等現(xiàn)象。因此我們需要對(duì)電動(dòng)客車的漏電流大小進(jìn)行控制。

2.3 改善電動(dòng)客車EMC性能

在抑制電磁干擾時(shí)，電容器的作用是將干擾旁路掉，選用的電容器對(duì)干擾信號(hào)具有很低的阻抗。從理想電容的公式分析，當(dāng)電容容值一定時(shí)，信號(hào)頻率越高，回路阻抗越低，電容的阻抗與電容容值C以及電壓頻率f之間的關(guān)系見公式 (1)：

說明電容易于濾除高頻的干擾成分。由于電容“隔直通交”的特性，濾除交流干擾信號(hào)，保留直流有用信號(hào)通過負(fù)載，濾波簡化原理如圖4所示。

但是在實(shí)際使用中，如果選用的電容容值越大，則諧振頻率越低，公式 (2)如下：

圖4 電容濾波電路原理圖

這意味著高容值電容對(duì)高頻干擾的濾波效果差。

所以通常在開關(guān)電源的電源接入端放置1～10 μF的電容來濾除低頻干擾信號(hào)；在開關(guān)電源的電源與地線之間放置0.01～0.1 μF的電容來濾除高頻干擾信號(hào)。

2.4 電動(dòng)客車Y電容的限值要求

綜上可知，Y電容的總電容值必須受到限制，從而達(dá)到控制在某額定頻率及額定電壓作用下，減小流過它的接觸電流的大小和降低對(duì)電子產(chǎn)品EMC性能影響的目的。

從另一方面來說，電容容值越大，雖然安全性能涉及的接觸電流越大，但電磁兼容性能涉及的抗干擾度越好。所以，Y電容容值選擇必須兼顧這兩方面的需求，再根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境中的產(chǎn)品功能需要選取一個(gè)適用值使安全性能和電磁性能都能得到滿足。筆者在這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，Y電容并不是改善EMC性能的唯一手段，所以以上兩者并不沖突。

在電磁兼容性的實(shí)際測試的結(jié)果反饋中可知，為了有效濾除產(chǎn)品通過傳導(dǎo)的方式影響電網(wǎng)的噪聲騷擾，GJB151規(guī)定Y電容的容量應(yīng)不大于0.1 μF。如果為了更好地抑制產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾，選用的Y電容總?cè)葜狄话愣疾怀^4700pF［2］。此前在國際上，大眾轎車的經(jīng)驗(yàn)值為整車Y電容小于0.18 μF，但目前客車行業(yè)此項(xiàng)具體要求尚未出臺(tái)。

在《GB18384電動(dòng)汽車 安全要求》第3部分“人員觸電防護(hù)”中“6.3.3電容耦合”這一節(jié)，對(duì)Y電容的大小有相應(yīng)要求。

1)對(duì)于直流電，任何帶電的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)所儲(chǔ)存的能量應(yīng)小于0.2 J：

2)對(duì)于交流電，用GB4943.1的方法測量，流過人體交流電不應(yīng)超過55 mmAA。

根據(jù)電容“隔直通交”的特性,，當(dāng)交流電通過電容時(shí)，,就會(huì)通過電容產(chǎn)生一個(gè)電流。。根據(jù)電路的歐姆定律，,電流與電路中的電壓UU和電路等效阻抗ZZ關(guān)系見公式 ((44))：：

根據(jù)公式 (1)和公式 (4)可以推導(dǎo)出流過電容的電流I的計(jì)算公式，見公式 (5)：

根據(jù)公式 ((55))可以看出，,如果選用的YY電容容值偏大就會(huì)直接導(dǎo)致接觸電流偏大，,二者之間是正比例關(guān)系。同時(shí)也可以根據(jù)公式 ((33))與公式 ((55))，,推算出對(duì)零部件與整車的YY電容限值要求。

根據(jù)公式 (1)和公式 (4)可以推導(dǎo)出流過電容的電流I的計(jì)算公式,見公式 (5)：

某型電動(dòng)客車漏電流檢測較大，出現(xiàn)充電“跳槍”現(xiàn)象，同時(shí)也存在安全隱患。因漏電流與Y電容成正比，所以需要對(duì)Y電容容值進(jìn)行降低，將漏電流控制在要求限值之內(nèi)。下文將從車輛Y電容測試方法、理論分析、優(yōu)化方案3個(gè)方面進(jìn)行介紹。

某型電動(dòng)客車Y電容測試主要有2種方案。

1)車輛上電時(shí)，利用示波器測量車輛對(duì)地的共模電壓，通過漏電傳感器激勵(lì)電源發(fā)出的正負(fù)向切換電壓，等效為對(duì)整車與車身地之間的Y電容進(jìn)行充電，形成電壓方波。漏電傳感器檢測原理如圖5所示。

根據(jù)電容的充電時(shí)間來利用公式推算Y電容，由V=U×exp(-t/RC)可通過特殊值代入換算得出電容數(shù)值。

該測試方法用于整車Y電容測試，也可通過控制變量法對(duì)比某高壓零部件狀況，但由于測試方法受操作人員主觀影響較大，所以測試精度較不穩(wěn)定，小容值不易測出具體值。并且當(dāng)時(shí)間常數(shù) (rc)較大時(shí)，由于漏電傳感器的檢測周期不足以將Y電容充滿，會(huì)導(dǎo)致波形從正弦方波變?yōu)殇忼X尖波 (如下例測試波形)，這種波形通過公式推導(dǎo)出的Y電容值會(huì)比實(shí)際數(shù)值偏小很多，故而充放電法相對(duì)于Y電容測試定量而言更適于定性。

2)在斷電工況下，利用LCR數(shù)字電橋直接測量Y電容。

LCR電橋精度較高，適用于測量零部件Y電容數(shù)值。但由于設(shè)備的放電檢測原理，不能承受高壓工況，因此無法在車輛高壓上電情況下測試。由于設(shè)備精度高、靈敏度高，受″溫漂″影響較大，因此需提前開機(jī)預(yù)熱，并開啟熱補(bǔ)償功能。根據(jù)受試設(shè)備的參數(shù) (R、C)范圍選取LCR電橋的參數(shù)值及測試的串并聯(lián)方式，待示數(shù)穩(wěn)定不再跳動(dòng)時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。檢測原理圖如圖6所示。

3 電動(dòng)客車Y電容的測試及優(yōu)化

某型電動(dòng)客車漏電流檢測較大,出現(xiàn)充電“跳槍”現(xiàn)象,同時(shí)也存在安全隱患。因漏電流與Y電容成正比,所以需要對(duì)Y電容容值進(jìn)行降低,將漏電流控制在要求限值之內(nèi)。下文將從車輛Y電容測試方法、理論分析、優(yōu)化方案3個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3.1 電動(dòng)客車Y電容的測試方案

某型電動(dòng)客車Y電容測試主要有2種方案。

1)車輛上電時(shí),利用示波器測量車輛對(duì)地的共模電壓,通過漏電傳感器激勵(lì)電源發(fā)出的正負(fù)向切換電壓,等效為對(duì)整車與車身地之間的Y電容進(jìn)行充電,形成電壓方波。漏電傳感器檢測原理如圖5所示。

根據(jù)電容的充電時(shí)間來利用公式推算Y電容,由V=U×exp(-t/RC)可通過特殊值代入換算得出電容數(shù)值。

該測試方法用于整車Y電容測試,也可通過控制變量法對(duì)比某高壓零部件狀況,但由于測試方法受操作人員主觀影響較大,所以測試精度較不穩(wěn)定,小容值不易測出具體值。并且當(dāng)時(shí)間常數(shù) (rc)較大時(shí),由于漏電傳感器的檢測周期不足以將Y電容充滿,會(huì)導(dǎo)致波形從正弦方波變?yōu)殇忼X尖波 (如下例測試波形),這種波形通過公式推導(dǎo)出的Y電容值會(huì)比實(shí)際數(shù)值偏小很多,故而充放電法相對(duì)于Y電容測試定量而言更適于定性。

2)在斷電工況下,利用LCR數(shù)字電橋直接測量Y電容。

LCR電橋精度較高,適用于測量零部件Y電容數(shù)值。但由于設(shè)備的放電檢測原理,不能承受高壓工況,因此無法在車輛高壓上電情況下測試。由于設(shè)備精度高、靈敏度高,受″溫漂″影響較大,因此需提前開機(jī)預(yù)熱,并開啟熱補(bǔ)償功能。根據(jù)受試設(shè)備的參數(shù) (R、C)范圍選取LCR電橋的參數(shù)值及測試的串并聯(lián)方式,待示數(shù)穩(wěn)定不再跳動(dòng)時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。檢測原理圖如圖6所示。

圖5 漏電傳感器檢測原理圖

圖6 LCR電橋平衡檢測原理

3.1.1 電容充放電法測量某型電動(dòng)客車Y電容

在對(duì)某型電動(dòng)客車進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現(xiàn)整車Y電容值偏大，導(dǎo)致電壓波形為鋸齒狀尖波，如圖7所示。在經(jīng)過各零部件排查后發(fā)現(xiàn)為空調(diào)Y電容過大，斷開空調(diào)后整車的測試波形恢復(fù)為典型正弦波。經(jīng)拆解分析，發(fā)現(xiàn)空調(diào)內(nèi)部壓縮機(jī)與車身地進(jìn)行搭鐵連接，導(dǎo)致壓縮機(jī)的高額寄生電容成為Y電容。將搭鐵去除后整車Y電容值恢復(fù)正常。

3.1.1 電容充放電法測量某型電動(dòng)客車Y電容

在對(duì)某型電動(dòng)客車進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現(xiàn)整車Y電容值偏大,導(dǎo)致電壓波形為鋸齒狀尖波,如圖7所示。在經(jīng)過各零部件排查后發(fā)現(xiàn)為空調(diào)Y電容過大,斷開空調(diào)后整車的測試波形恢復(fù)為典型正弦波。經(jīng)拆解分析,發(fā)現(xiàn)空調(diào)內(nèi)部壓縮機(jī)與車身地進(jìn)行搭鐵連接,導(dǎo)致壓縮機(jī)的高額寄生電容成為Y電容。將搭鐵去除后整車Y電容值恢復(fù)正常。

3.1.2 LCR電橋測量某型電動(dòng)客車Y電容

圖7 模型電動(dòng)客車整改前（上圖）后（下圖）共模電壓波形

在某型電動(dòng)客車加裝冷卻液之前,用LCR電橋?qū)ζ潆姵匕M(jìn)行Y電容測量,此時(shí)電池包Y電容為幾十納法。但在某型電動(dòng)客車加裝冷卻液之后,用電橋再對(duì)其電池包進(jìn)行Y電

3.1.2 LCR電橋測量某型電動(dòng)客車Y電容

在某型電動(dòng)客車加裝冷卻液之前，用LCR電橋?qū)ζ潆姵匕M(jìn)行Y電容測量，此時(shí)電池包Y電容為幾十納法。但在某型電動(dòng)客車加裝冷卻液之后，用電橋再對(duì)其電池包進(jìn)行Y電容測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Y電容值呈倍數(shù)增長。

3.2 電動(dòng)客車Y電容數(shù)值分析

通過上面的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入冷卻液之后，某型電動(dòng)客車的電池包Y電容數(shù)值大幅上升，可以判斷冷卻液是導(dǎo)致其Y電容增大的直接或間接因素。

該電池包并未設(shè)計(jì)接地，也未設(shè)計(jì)接入安規(guī)Y電容，此時(shí)所說的Y電容為設(shè)備與地之間存在的寄生電容。通過分析電池包結(jié)構(gòu)可知，電池內(nèi)主要的寄生電容來源為電芯與電芯層間布置的U型散熱鋁管間存在的寄生電容。

然而，該寄生電容成為Y電容組成的前提條件是接地。電池包內(nèi)水管在與電池包外車身中的水管之間，是由膠管連接，因此兩者之間是電氣隔絕的。但加入冷卻液之后，由于冷卻液具有一定的導(dǎo)電性，使電池包內(nèi)水管與包外水管電氣連接，此時(shí)車身中的水箱及水管在固定時(shí)與車身骨架相接，這樣一來便通過冷卻液形成了一條由電池包內(nèi)水管至車身地的通路，使寄生電容接地形成Y電容。簡化原理如圖8所示。

圖8 車輛電池包示意圖及加裝冷卻液前后電容簡化原理圖

3.3 電動(dòng)客車Y電容優(yōu)化方案

針對(duì)上述原理分析，現(xiàn)對(duì)電池包Y電容提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化方案。

1)更改產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

金屬極板間電容計(jì)算公式如下：

由公式 (6)可知，減小兩金屬板的正對(duì)面積，加大板間距，減小極板間介質(zhì)介電常數(shù)都會(huì)使電容容量下降。然而由于散熱管散熱性能的要求，其面積與間距均不宜變動(dòng)，所以可通過更換散熱管材質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)良好的絕緣材料，來降低介電常數(shù)，達(dá)到降低寄生電容的作用。該方案的不足之處就在于工藝難度跟成本均有提升。同時(shí)在散熱管與電芯層之間鋪設(shè)適當(dāng)厚度的高導(dǎo)熱性、高絕緣性墊材 (如環(huán)氧樹脂灌封膠)，在提升整體熱容的同時(shí)，減小寄生電容介質(zhì)的介電常數(shù)。

2)更換絕緣性更好的冷卻液。通過使散熱管與車身地之間絕緣，斷開電容耦合路徑，使寄生電容無法并入Y電容。

3)水冷系統(tǒng)隔離。原理同上，對(duì)水冷系統(tǒng)中所有與車身地的直接或間接搭接點(diǎn) (如固定螺栓)均進(jìn)行隔離處理，使水冷系統(tǒng)與車身地隔絕。該方案不足之處在于水管未接地，可能由于電荷積累而造成ESD安全隱患 (如水管與金屬面發(fā)生“打火”現(xiàn)象)，同時(shí)對(duì)人體也可能造成一定的觸電危險(xiǎn)，需要增設(shè)泄放手段。

在以上方案中，后兩個(gè)方案所需的整改難度較小，更易于實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)，后兩個(gè)方案驗(yàn)證有效。

在實(shí)際情況中，由于不存在理想電容和做到絕對(duì)絕緣，且整車中始終存在寄生電容能通過容性耦合接地，所以Y電容無法被徹底消除。采用隔離措施，可以理解為在寄生電容后再串聯(lián)一個(gè)與地之間的寄生電容，電容串聯(lián)使總?cè)葜底冃。灰部梢岳斫鉃樵诶硐腚娙葜蟠?lián)一個(gè)大電阻，通過把電阻盡可能地增大使整體等效電容的充放電效應(yīng)減弱，從而在檢測儀器上顯示電容的數(shù)值有所減小。電動(dòng)客車寄生Y電容實(shí)際原理簡化圖如圖9所示。

通過實(shí)車驗(yàn)證，筆者發(fā)現(xiàn)寄生電容接地點(diǎn)的數(shù)量與位置都會(huì)影響到等效Y電容值的大小，原理如圖9，接地點(diǎn)越少則寄生電容串聯(lián)總阻值越大，等效Y電容充放電效應(yīng)也就越弱。

圖9 電動(dòng)客車Y電容實(shí)際模型簡化圖

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)Y電容進(jìn)行簡單介紹，分析了電動(dòng)客車中Y電容的作用及造成的影響，并對(duì)實(shí)車案例進(jìn)行了分析及提出優(yōu)化方案。無論是對(duì)于人體安全還是車輛電氣性能，Y電容都起著十分重要的作用，需要在初期設(shè)計(jì)階段就特別重視，若引發(fā)售后問題，整改需投入的人力物力過大。各產(chǎn)品尤其以高壓產(chǎn)品為主的產(chǎn)品工程師，需在產(chǎn)品全生命周期對(duì)Y電容參數(shù)進(jìn)行管控。在后續(xù)工作中提升Y電容測試方法的精度和制定產(chǎn)品相應(yīng)限值標(biāo)準(zhǔn)都十分重要。