Y電容對電動汽車電氣安全的影響分析

宋芳 張宇鵬 張天強

（1. 中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：電動汽車 Y電容 安全 充電

1 前言

近年來，隨著電動汽車產銷量的快速增長，汽車動力系統已經進入以電動化為主的新發展時期。經過汽車及相關行業的技術發展，電動汽車逐漸克服技術、性能、成本困難，正在逐步接近傳統汽車水平，但在發展過程中，電動汽車安全問題越來越凸顯。從安全角度出發，在設計之初就能識別并規避安全隱患，是電動汽車持續發展的先決條件[1]。

電動汽車的安全問題與其特有的高壓電氣系統有關，電動汽車上安裝了動力電池、電機、DC/DC等高壓部件,具有高電壓、大電流的高壓回路,在其全生命周期內都存在一定的電氣安全失效風險，如觸電、短路著火等電動汽車特有的安全隱患。本文之所以對Y電容展開研究與分析，是因為Y電容對電動汽車電氣安全的許多方面都帶來了一定的影響，分析、明確其影響因素與影響原因對提升電動汽車的安全具有非常重要的意義。

2 Y電容概述

2.1 Y電容在電動汽車上的存在形式

電動汽車上的Y 電容有2 種存在形式：一種是人為主動設計的安規電容，布置于正/負極與電平臺之間，用于改善部件及整車的EMC性能，一般成對出現；另外一種存在形式是部件及整車由于自身結構特性被動形成的寄生電容，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構電容，可能造成非預期的負面影響[2]。

無論是寄生電容還是電路板上的安規Y電容，都會使得高壓系統與電平臺之間產生耦合現象，在正/負極對電平臺發生電壓變化時存在充放電電流。在充放電電流大于一定限額時，會影響整車電氣安全。

2.2 電動汽車相關標準對Y電容的設計要求

Y電容的要求主要體現在以下3個標準中：

2.2.1 國家標準對電動汽車安全要求

在GB 18384—2020《電動汽車安全要求》[3]中，對Y電容提出了明確要求，該法規是強制性執行的，必須在設計上予以滿足，具體要求如下：

“電容耦合應至少滿足以下要求之一：

（a）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不大于0.2 J，0.2 J為對B級電壓電路正極側Y電容或負極側Y 電容最大存儲電能的要求。此外，若有B級電壓電路相互隔離，則0.2 J為單獨對各相互隔離的電路的要求；

（b）B 級電壓電路至少有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能承受不低于10 kPa 的壓強，不發生明顯的塑性變形。”

2.2.2 國家標準對電動汽車碰撞后安全要求

在GB/T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》[4]中，對Y 電容也提出了要求，該標準雖然是推薦性標準，但也需要按要求來執行，具體要求如下：

“儲存在Y-電容器里的能量（TEy1，TEy2）也應該少于0.2 J。應通過高壓母線和電平臺電壓V1和V2以及制造商規定的Y電容器里的電容（Cy1，Cy2）根據公式來計算該值。

2.2.3 充電設施行業標準對Y電容的要求

目前充電設施行業標準NB/T 33001—2018[5]中，對充電設施的Y電容提出以下要求，可以作為車端設計的參考，具體要求如下：

充電機直流輸出正、負極與地之間的電容耦合由Y電容器和寄生電容產生，用于實現電磁兼容。為防止人員觸電危險，對于額定輸出電壓不大于500 V 的充電機，其每個充電接口直流輸出正、負極與地之間的總電容均不應大于0.4 μF；對于額定輸出電壓大于500 V的充電機，應滿足下述條件之一：

（a）充電機與電動汽車動力蓄電池連接在一起的直流正、負極與地之間的總電容在其最大工作電壓時所存儲的能力均不應大于0.2 J；

（b）充電機直流輸出回路采用雙重絕緣或加強絕緣措施。

從3 個標準中可以看出，目前各標準中對Y 電容的要求都是對系統及整車提出的要求，沒有對總成的具體要求。

3 Y電容對電動汽車的電氣安全影響分析

3.1 Y電容對整車電氣安全的影響

3.1.1 Y電容對車輛發生單點失效工況下的觸電影響

Y 電容由于布置在正/負極與電平臺之間，在車輛正常使用工況下，如果車輛發生單點失效故障時，比如單極發生絕緣失效或者IPXXB 失效，且人一手觸摸到失效點一手觸摸電平臺時，Y電容變成了回路中的電源，對人體放電，如圖1所示[1]。在多項國內外標準中，通過人體的安全能量都是0.2 J。如果Y 電容總能量超過了0.2 J，就大幅度增加了駕乘人員的觸電風險。

圖1 單點失效時Y電容可能造成的觸電風險分析

基于以上分析，如果沒有將Y電容控制在安全能量以下，在高壓系統發生單點失效的情況下，可能造成人員觸電事故。解決這個問題一般有2 種方法,一個是高壓系統單邊Y電容的總能量之和控制在0.2 J以下,另一個是避免高壓系統單點失效的發生。因此在GB 18384—2020中，對整車提出了每個互相隔離的子系統都應該保證其正極/負極對電平臺的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的壓強不發生塑性變形的要求[3]。其中,回路中Y電容的最大能量計算公式如下:

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

由于第2 種方法需要較高的成本且可靠性不高，一般主機廠采取第1種方法來進行設計防止觸電事故的發生。目前GB 18384—2020[3]中的Y電容能量測試方法為計算Y電容的設計值的能量之和，未將寄生電容計算在其中。但Y 電容的重要性實際上比高壓安全中一些其它設計措施如絕緣監測及電位均衡更加重要，在主機廠進行產品設計時必須考慮寄生Y電容的影響。因此，除了進行簡單的設計值計算外，也需要依賴Y電容的測試來保障0.2 J能量要求的滿足。

3.1.2 Y電容對車輛絕緣電阻的影響

Y電容的加入導致高壓系統與電平臺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對電平臺的絕緣性能[6]。整車的絕緣電阻的測試值是高壓系統原有絕緣電阻與Y電容阻抗并聯的關系。

當高壓系統正/負極對電平臺電壓發生變化時，正極與電平臺之間的Y 電容和負極與電平臺之間的Y電容會因為這個電壓的變化，產生充電或者放電電流。又或者整車存在正/負極對電平臺之間發出脈沖信號的部件（如低頻注入法絕緣監測裝置），由于Y電容被反復充放電，會在正/負極與電平臺之間出現電流。根據歐姆定律，電流與電路中電壓U和電路等效阻抗Z的關系如下：

電容阻抗與電容容值C以及電壓頻率f之間的關系如下：

則流過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系，如果Y 電容的容值越大，在Y 電容被充放電時的充放電電流會越大，整車的絕緣電阻會越小，甚至會導致整車絕緣電阻不符合標準法規要求。

3.1.3 Y電容對絕緣監測裝置的影響

絕緣監測裝置在整車中起到實時監測高壓系統絕緣電阻的作用，可以在車輛發生單點絕緣失效時提示駕乘人員，從而避免觸電事故的發生，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量方法是電壓比較法和低頻注入法，這2種方法都會受到Y電容的影響，具體分析如下：

（1）Y電容對低頻注入法絕緣監測裝置的影響

低頻注入法基本原理如圖2 所示，對高壓系統與電平臺之間注入一個低頻方波信號，通過測量采樣電阻Rm上的電壓間接計算得到高壓系統與電平臺之間的漏電流來實現對絕緣電阻的監測。

圖2 低頻注入絕緣監測等效電路

但由于正/負極與電平臺之間除了高壓系統的絕緣電阻之外,還存在Y電容,低頻注入法絕緣監測裝置實際檢測到的絕緣電阻值是高壓系統實際絕緣電阻Ri與Y 電容Cy之間的并聯值[6]。在3.1.2 章節提及過，當低頻注入法絕緣監測裝置工作時，相當于在給Y電容進行充放電，此時Y 電容阻抗很小，會使得測量值被拉低，從某種意義上來看此時高壓系統絕緣電阻也確實被Y電容所拉低了。當Cy被充滿時，阻抗接近于無窮大，此時測量值與高壓系統原有絕緣電阻Ri一致，緣監測裝置測量得到的整車絕緣電阻基本沒有受到Y電容的影響。

（2）Y電容對電壓比較法絕緣監測裝置的影響

電壓比較法的絕緣監測裝置原理如圖3 所示，絕緣監測裝置中的2個開關會交替吸合斷開，檢測模塊通過對比正/負極對電平臺電壓在開關斷開與吸合前后的差值來進行絕緣電阻的測量與計算。在開關切換時，會導致正/負極對電平臺電壓的突然變化，Y 電容的存在會減緩這種變化的尖峰，在電壓完全平穩前Y電容處于被充電或者放電狀態。與前面所提及的情況一樣，在Y 電容被充放電時，Y 電容阻抗很小，從而導致高壓系統的絕緣電阻測量值大幅度降低。Y電容越大，絕緣降低的周期就越長。

圖3 電壓比較法絕緣監測等效電路

綜上，2 種絕緣監測方法都會直接或者間接造成Y電容的充放電，從而造成整車絕緣電阻的測量值在Y電容被充放電時候出現大幅度的下降，如果想要避免這種情況，一方面可以通過控制Y電容的容值來避免對絕緣電阻測量值的影響程度，另一方面可以通過調整測量周期避免檢測到Y 電容在充放電時的系統絕緣電阻。

3.2 Y電容對充電系統電氣安全的影響

3.2.1 Y電容對充電系統的觸電安全的影響

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，相對更為復雜，下面進行單獨的分析：

（1）安全能量的重新分配

對充電回路的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 電容和充電設施的Y 電容能量的總和，不是僅僅對車輛端充電回路的要求。這也就是說，對于高壓系統上互相隔離的子系統，如果該系統是充電系統，那么其Y 電容的設計要特殊進行計算，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的最高電壓，在通過充電電壓確認Y 電容限值后，還需要將其分配給汽車和充電樁，相比非充電狀態下的情況，對車端Y電容的要求更加嚴格了。充電樁端的參數，可以參考NB/T 33001—2018[5]中的內容。

（2）超出安全能量時的觸電風險

以交流充電為例，若充電回路的Y 電容能量超過安全能量限值，當充電設施出現充電槍及充電線纜出現IPXXB 失效，也就是人可以直接觸摸到高壓帶電部分的時候，人如果站在地上觸摸到了IPXXB失效的部分，此時充電回路是接地的，形成了如圖4所示的觸電回路。Y 電容中的能量會直接作用于人體，從而造成人員觸電情況。此時，絕緣監測是無法監測到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直接相連的部分，會直接造成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，因此不再進行單獨的分析。

3.2.2 Y電容對樁端及車端絕緣監測裝置的影響

直流充電樁內部集成有絕緣監測裝置,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行充電回路的絕緣監測。當充電回路的Y 電容較大時，在充電過程中同樣會出現測量值比充電回路原有絕緣電阻低，甚至達到失效報警值的情況，從而影響充電流程。

在充電過程中電容對車端絕緣監測的影響與前面章節分析一致，此處不再贅述。

3.2.3 Y 電容對高電壓大功率充電方式電動汽車的影響

對于采用高電壓大功率充電方式的電動汽車來說，依據公式(1)，一旦提高電壓平臺，因為電壓的影響是被平方的，充電回路Y電容的容值就需要控制在更小的范圍內，以避免前面分析過的安全隱患。

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導致充電過程中人員觸電、絕緣監測誤判等問題，影響充電過程中人員的安全與充電操作使用。因此，在進行充電回路的設計時，需要充分考慮到充電電壓對充電回路中Y 電容能量的幾何級影響及充電樁端Y電容的影響，在保證車輛EMC的前提下對充電回路內各高壓部件的Y 電容進行合理的分配與設計。

4 結束語

本文從電動汽車正常使用工況及充電工況詳細分析了Y電容對電動汽車觸電風險、絕緣電阻與絕緣監測精度等方面的影響。

為了減少Y 電容對電動汽車造成的各項安全隱患，主機廠應在設計階段針對Y電容的設計進行EMC與電氣安全的平衡把控，把整車高壓系統包括充電回路的Y 電容及其寄生電容的能量控制在合理范圍內。另外，由于Y 電容的大小在整車的生命周期內，受車輛運行工況與環境濕度等影響會產生一定的變化，因此，在車輛設計開發階段應重視Y 電容的整車計算與充分的測試驗證。