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高压系统安规Y电容及寄生电容应用研究
2020-04-02 15:00:50· 来源：电动学堂
作者单位：比亚迪汽车工业有限公司DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2019.02.004关于电动汽车，最受人们关注的重点依旧是安全性，这也是本文主题为Y电容的原因所在｡Y电
作者单位：比亚迪汽车工业有限公司
DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2019.02.004
关于电动汽车，最受人们关注的重点依旧是安全性，这也是本文主题为Y电容的原因所在｡Y电容在电气安全中主要涉及到电磁兼容与高压安全这两个方面，本文将对Y电容进行简介，并通过对某电动客车的Y电容测试及原理分析，提出优化方案，以此提升车辆的安全性能｡
1 安规电容
安规电容是开关电源的主要元器件，它的安装和选用对开关电源以及电子产品的安全性和电磁兼容性起到很重要的作用｡
根据IEC 60384-14-2005《电子设备用的固定电容器第14-2部分：空白详细规范抑制电磁干扰和连接电源用电容器仅安全试验》，可将安规电容分为X电容及Y电容两类｡一般在开关电源的电源接入端增加抑制EMI传导干扰的X电容和Y电容｡
1.1 X电容
X电容是指跨接在输入线两端之间的电容器，它适用于当该电容失效时不会导致电击､不危及人身安全场合｡在电磁兼容方面，采用在信号线和信号地线之间连接旁路电容(X电容) 的方法进行差模滤波｡
1.2 Y电容
Y电容是指跨接于火线和地线(L-G) 之间以及在零线和地线(N-G) 之间的电容器，它适用于电容失效时会导致电击､危及人身安全的场合｡由此可见，在安全方面Y电容比X电容更为重要｡在电磁兼容方面，采用在被滤波导线与共模电压参考地之间连接旁路电容(Y电容) 的方法进行共模滤波｡电路如图1所示｡
1.3 Y电容在电动客车中的存在形式
Y电容在电动客车中主要有两种存在形式｡
1) 人为主动设计的安规电容器｡在设计开发及电路整改中经常使用，属于人为控制的期望变量｡在某型电动车的电器中，如多合一控制器､车载空调等高压设备，为了保证零部件及整车的EMC性能，均在电器内部增设了安规Y电容用以滤波｡
2) 电器及整车由于自身结构特性被动形成的寄生电容，包括线缆与接地屏蔽层之间形成的杂散电容以及电器金属壳体之间形成的结构电容(如电机绕组到壳体的分布电容) 等｡在整车中，作为车身地的车身骨架与相邻的高压电器及线缆容易产生寄生电容，这是硬件的硬特性｡寄生电容将在空间形成杂散放电电流，其作用类似于电容的充放电效应，导致高压系统与车身地间耦合现象严重｡从原理上来说，电容的功能都是一致的，然而被动的寄生电容由于是设计之外的非期望变量，往往会引发不利的影响，本文中涉及的Y电容主要是指接地的寄生电容｡
2 电动客车中Y电容的作用及限值要求
2.1 影响人体触电安全的接触电流
Y电容与接触电流的大小有着休戚相关的联系｡接触电流是指人或动物在接触电子产品时流过身体的电流｡当电子产品通电后，该电子产品中Y电容会将电子组件所产生的共模骚扰及共模电流通过地线旁路到地下，减少了对电路及其他电器的干扰及对人体的伤害｡
正常情况下，对于金属外壳的电子产品，由于接地导体的阻抗要远小于人体的阻抗，在设备中由Y电容形成的电流会通过接地导体直接流入大地｡当接地线未接好或未接时，电器外壳与地之间会存在较大电势差，外壳上积累的电荷无处释放，此时人体接触电子产品的外壳就相当于在电器与地之间提供接触电流的泄放路径，接触电流会主要通过人体流入大地｡如果接触电流偏大，就会对人体造成伤害｡是否有接地Y电容的简化原理如图2所示｡
2.2 电动客车中的漏电流效应
同样由于电容的放电效应，会导致在车身地中产生漏电流的情况，若漏电流较大，则会影响接入车身地的其他设备，对电动客车的可靠性､稳定性､安全性､电磁兼容性均有较大影响，如图3所示｡
例如某电动车型在充电时检测到漏电流为8.8 mA，超过标准限值要求的3.5 mA，车辆在充电时由于漏电流过大会造成“跳枪”的情况;低压信号受到严重干扰，造成信号误报､误动作等现象｡因此我们需要对电动客车的漏电流大小进行控制｡
2.3 改善电动客车EMC性能
在抑制电磁干扰时，电容器的作用是将干扰旁路掉，选用的电容器对干扰信号具有很低的阻抗｡从理想电容的公式分析，当电容容值一定时，信号频率越高，回路阻抗越低，电容的阻抗与电容容值C以及电压频率f 之间的关系见公式(1)：
说明电容易于滤除高频的干扰成分｡由于电容“隔直通交”的特性，滤除交流干扰信号，保留直流有用信号通过负载，滤波简化原理如图4所示｡
但是在实际使用中，如果选用的电容容值越大，则谐振频率越低，公式(2) 如下：
这意味着高容值电容对高频干扰的滤波效果差｡
所以通常在开关电源的电源接入端放置1~10 μF的电容来滤除低频干扰信号;在开关电源的电源与地线之间放置0.01~0.1 μF的电容来滤除高频干扰信号｡
2.4 电动客车Y电容的限值要求
综上可知，Y电容的总电容值必须受到限制，从而达到控制在某额定频率及额定电压作用下，减小流过它的接触电流的大小和降低对电子产品EMC性能影响的目的｡
从另一方面来说，电容容值越大，虽然安全性能涉及的接触电流越大，但电磁兼容性能涉及的抗干扰度越好｡所以，Y电容容值选择必须兼顾这两方面的需求，再根据实际使用环境中的产品功能需要选取一个适用值使安全性能和电磁性能都能得到满足｡笔者在这里需要强调一点，Y电容并不是改善EMC性能的唯一手段，所以以上两者并不冲突｡
在电磁兼容性的实际测试的结果反馈中可知，为了有效滤除产品通过传导的方式影响电网的噪声骚扰，GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1 μF｡如果为了更好地抑制产品的传导骚扰，选用的Y电容总容值一般都不超过4 700 pF｡此前在国际上，大众轿车的经验值为整车Y电容小于0.18 μF，但目前客车行业此项具体要求尚未出台｡
在《GB18384电动汽车安全要求》第3部分“人员触电防护”中“6.3.3电容耦合”这一节，对Y电容的大小有相应要求｡
1) 对于直流电，任何带电的B级电压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时所储存的能量应小于0.2 J：
2) 对于交流电，用GB4943.1的方法测量，流过人体交流电不应超过5 mA｡
根据电容“隔直通交”的特性，当交流电通过电容时，就会通过电容产生一个电流｡根据电路的欧姆定律，电流与电路中的电压U和电路等效阻抗Z关系见公式(4)：
根据公式(1) 和公式(4) 可以推导出流过电容的电流I的计算公式，见公式(5)：
根据公式(5) 可以看出，如果选用的Y电容容值偏大就会直接导致接触电流偏大，二者之间是正比例关系｡同时也可以根据公式(3) 与公式(5)，推算出对零部件与整车的Y电容限值要求｡
3 电动客车Y电容的测试及优化
某型电动客车漏电流检测较大，出现充电“跳枪”现象，同时也存在安全隐患｡因漏电流与Y电容成正比，所以需要对Y电容容值进行降低，将漏电流控制在要求限值之内｡下文将从车辆Y电容测试方法､理论分析､优化方案3个方面进行介绍｡
3.1 电动客车Y电容的测试方案
某型电动客车Y电容测试主要有2种方案｡
1) 车辆上电时，利用示波器测量车辆对地的共模电压，通过漏电传感器激励电源发出的正负向切换电压，等效为对整车与车身地之间的Y电容进行充电，形成电压方波｡漏电传感器检测原理如图5所示｡
根据电容的充电时间来利用公式推算Y电容，由V=U×exp(-t / RC)可通过特殊值代入换算得出电容数值｡
该测试方法用于整车Y电容测试，也可通过控制变量法对比某高压零部件状况，但由于测试方法受操作人员主观影响较大，所以测试精度较不稳定，小容值不易测出具体值｡并且当时间常数(rc) 较大时，由于漏电传感器的检测周期不足以将Y电容充满，会导致波形从正弦方波变为锯齿尖波(如下例测试波形)，这种波形通过公式推导出的Y电容值会比实际数值偏小很多，故而充放电法相对于Y电容测试定量而言更适于定性｡
2) 在断电工况下，利用LCR数字电桥直接测量Y电容｡
LCR电桥精度较高，适用于测量零部件Y电容数值｡但由于设备的放电检测原理，不能承受高压工况，因此无法在车辆高压上电情况下测试｡由于设备精度高､灵敏度高，受" 温漂" 影响较大，因此需提前开机预热，并开启热补偿功能｡根据受试设备的参数(R､C) 范围选取LCR电桥的参数值及测试的串并联方式，待示数稳定不再跳动时进行读数｡检测原理图如图6所示｡
3.1.1 电容充放电法测量某型电动客车Y电容
在对某型电动客车进行测试时发现整车Y电容值偏大，导致电压波形为锯齿状尖波，如图7所示｡在经过各零部件排查后发现为空调Y电容过大，断开空调后整车的测试波形恢复为典型正弦波｡经拆解分析，发现空调内部压缩机与车身地进行搭铁连接，导致压缩机的高额寄生电容成为Y电容｡将搭铁去除后整车Y电容值恢复正常｡
3.1.2 LCR电桥测量某型电动客车Y电容
在某型电动客车加装冷却液之前，用LCR电桥对其电池包进行Y电容测量，此时电池包Y电容为几十纳法｡但在某型电动客车加装冷却液之后，用电桥再对其电池包进行Y电容测量，结果发现Y电容值呈倍数增长｡
3.2 电动客车Y电容数值分析
通过上面的测试结果发现，加入冷却液之后，某型电动客车的电池包Y电容数值大幅上升，可以判断冷却液是导致其Y电容增大的直接或间接因素｡
该电池包并未设计接地，也未设计接入安规Y电容，此时所说的Y电容为设备与地之间存在的寄生电容｡通过分析电池包结构可知，电池内主要的寄生电容来源为电芯与电芯层间布置的U型散热铝管间存在的寄生电容｡
然而，该寄生电容成为Y电容组成的前提条件是接地｡电池包内水管在与电池包外车身中的水管之间，是由胶管连接，因此两者之间是电气隔绝的｡但加入冷却液之后，由于冷却液具有一定的导电性，使电池包内水管与包外水管电气连接，此时车身中的水箱及水管在固定时与车身骨架相接，这样一来便通过冷却液形成了一条由电池包内水管至车身地的通路，使寄生电容接地形成Y电容｡简化原理如图8所示｡
3.3 电动客车Y电容优化方案
针对上述原理分析，现对电池包Y电容提出以下几点优化方案｡
1) 更改产品内部结构｡
金属极板间电容计算公式如下：
由公式(6) 可知，减小两金属板的正对面积，加大板间距，减小极板间介质介电常数都会使电容容量下降｡然而由于散热管散热性能的要求，其面积与间距均不宜变动，所以可通过更换散热管材质为导热系数良好的绝缘材料，来降低介电常数，达到降低寄生电容的作用｡该方案的不足之处就在于工艺难度跟成本均有提升｡同时在散热管与电芯层之间铺设适当厚度的高导热性､高绝缘性垫材(如环氧树脂灌封胶)，在提升整体热容的同时，减小寄生电容介质的介电常数｡
2) 更换绝缘性更好的冷却液｡通过使散热管与车身地之间绝缘，断开电容耦合路径，使寄生电容无法并入Y电容｡
3) 水冷系统隔离｡原理同上，对水冷系统中所有与车身地的直接或间接搭接点(如固定螺栓) 均进行隔离处理，使水冷系统与车身地隔绝｡该方案不足之处在于水管未接地，可能由于电荷积累而造成ESD安全隐患(如水管与金属面发生“打火”现象)，同时对人体也可能造成一定的触电危险，需要增设泄放手段｡
在以上方案中，后两个方案所需的整改难度较小，更易于实现｡通过实验，后两个方案验证有效｡
在实际情况中，由于不存在理想电容和做到绝对绝缘，且整车中始终存在寄生电容能通过容性耦合接地，所以Y电容无法被彻底消除｡采用隔离措施，可以理解为在寄生电容后再串联一个与地之间的寄生电容，电容串联使总容值变小;也可以理解为在理想电容之后串联一个大电阻，通过把电阻尽可能地增大使整体等效电容的充放电效应减弱，从而在检测仪器上显示电容的数值有所减小｡电动客车寄生Y电容实际原理简化图如图9所示｡
通过实车验证，笔者发现寄生电容接地点的数量与位置都会影响到等效Y电容值的大小，原理如图9，接地点越少则寄生电容串联总阻值越大，等效Y电容充放电效应也就越弱｡
4 结束语
本文通过对Y电容进行简单介绍，分析了电动客车中Y电容的作用及造成的影响，并对实车案例进行了分析及提出优化方案｡无论是对于人体安全还是车辆电气性能，Y电容都起着十分重要的作用，需要在初期设计阶段就特别重视，若引发售后问题，整改需投入的人力物力过大｡各产品尤其以高压产品为主的产品工程师，需在产品全生命周期对Y电容参数进行管控｡在后续工作中提升Y电容测试方法的精度和制定产品相应限值标准都十分重要｡
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