Y電容在電動(dòng)汽車高壓安全設(shè)計(jì)中的影響分析

摘 要：當(dāng)前電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，但高壓安全成為制約其進(jìn)一步普及的關(guān)鍵因素。Y 電容作為電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)中的重要元件，對高壓安全設(shè)計(jì)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(diǎn)失效工況下對觸電風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，基于研究結(jié)果提出了針對高電壓平臺(tái)的 Y 電容參數(shù)優(yōu)化建議，并對未來研究方向進(jìn)行了展望，旨在為電動(dòng)汽車高壓安全設(shè)計(jì)提供理論支持與實(shí)踐參考。

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

1 緒論

隨著全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度不斷提高，電動(dòng)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(dòng)汽車的發(fā)展過程中，高壓安全問題始終是重中之重。電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)通常包含電池組、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵部件，這些部件工作時(shí)會(huì)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(shí)也會(huì)影響車輛的穩(wěn)定運(yùn)行，阻礙電動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中都能保持穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，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(xiǎn)。因此，在高壓安全的設(shè)計(jì)中，需要特別關(guān)注Y電容的設(shè)計(jì)。

各個(gè)國家的電動(dòng)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(dòng)閾。

C1 以上到C2：心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)?。ǜ怕蔬_(dá)5%）。

C2以上到C3：心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)中等（概率達(dá)50%）。

C3以上：心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)大（概率大于50%）。

文章將從電擊防護(hù)的要求，Y電容導(dǎo)致電擊的機(jī)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(gè)方面進(jìn)行闡述。

2 電擊防護(hù)要求

2.1 觸電風(fēng)險(xiǎn)源分析

2.1.1 可觸摸部位的觸電風(fēng)險(xiǎn)

在電動(dòng)汽車整車層級，存在五個(gè)可觸摸到的部位具有觸電風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)對人員安全構(gòu)成威脅。如圖2所示。

2.1.2 電擊風(fēng)險(xiǎn)能量來源

高壓電池包并非觸電風(fēng)險(xiǎn)的能量來源，實(shí)際上，當(dāng)高壓系統(tǒng)出現(xiàn)失效情況時(shí)，高壓母線的電壓會(huì)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(huì)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(xiǎn)。

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(xiǎn)機(jī)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(shí)觸摸到高壓正極和高壓負(fù)極時(shí)，X電容中的殘余電量會(huì)在人體左右手之間形成回路，從而對人體造成電擊，此時(shí) Y電容不會(huì)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(shí)，Y電容中的電會(huì)流到金屬外殼。但得益于等電位連接設(shè)計(jì)，要求高壓部件金屬外殼和車身之間的電阻小于100mΩ，兩個(gè)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(hù)措施，能夠保護(hù)人體免受電擊，此時(shí)對人體的電擊風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)考慮其電擊風(fēng)險(xiǎn)。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(hù)的情況下，電流會(huì)從Y電容流經(jīng)人體，此時(shí)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(xiǎn)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(xiǎn)主要來源于 Y 電容。

2.2 電擊防護(hù)通用要求

電擊防護(hù)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(xiǎn)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(xiǎn)的帶電部分”。其通用要求包括基本防護(hù)、故障防護(hù)和附加防護(hù)（可選）?；痉雷o(hù)提供正常條件下的防護(hù)，故障防護(hù)用于單一故障條件下的防護(hù)，附加防護(hù)則在必要時(shí)作為補(bǔ)充措施 。

基本防護(hù)在實(shí)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(shí)，即涉及電氣間隙，此時(shí)需配備符合強(qiáng)度和防護(hù)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(hù)的核心是確?；痉雷o(hù)失效后，人體接觸可導(dǎo)電部分時(shí)不會(huì)面臨觸電風(fēng)險(xiǎn)，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(hù)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(jì)中采用雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣，可等效于同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本防護(hù)和故障防護(hù)。絕緣電阻檢測不屬于故障防護(hù)，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(hù)措施。

2.3 法律法規(guī)中對于人體電擊防護(hù)的要求

在中國，GB 18384是電動(dòng)汽車高壓安全領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對電動(dòng)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(dòng)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(tái)之間的總電容在其最大工作電壓時(shí)存儲(chǔ)的能量應(yīng)不大于 0.2J，以限制 Y 電容等儲(chǔ)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(dòng)汽車安全領(lǐng)域的重要參考。其中，ISO 6469-3規(guī)定了電動(dòng)汽車的安全要求，包括電擊防護(hù)、能量釋放控制、故障防護(hù)等方面。在電擊防護(hù)方面，要求采取有效的防護(hù)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(chǔ)和釋放進(jìn)行了嚴(yán)格限制，以減少潛在的安全風(fēng)險(xiǎn) 。

3 Y電容對電動(dòng)汽車高壓安全設(shè)計(jì)的潛在風(fēng)險(xiǎn)

3.1 單一故障條件下觸電風(fēng)險(xiǎn)

在評估電流對人體的影響時(shí)，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(huì)影響傷害程度，其中左手到腳的電流路徑最為危險(xiǎn)，因?yàn)樵撀窂搅鹘?jīng)心臟。心室纖維性顫動(dòng)、窒息和電休克是人體電擊致命的主要原因，而心室顫動(dòng)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(dòng)的短時(shí)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(shí)間，R為人體電阻。

電容的放電曲線屬于短時(shí)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(shí)間平分成5份，每一份所需時(shí)間為放電常數(shù)T（T=電容×電阻）。在3個(gè)放電常數(shù)時(shí)，放電量為95%，5個(gè)放電常數(shù)時(shí)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(shí)間為3T，即放至5%。

根據(jù)IEC 60479-1[7]和IEC 60479-2中的電流時(shí)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(jì)中，當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)失效時(shí)，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(chǔ)能量不超過0.2J的依據(jù)，確保在Y電容放電時(shí)，即使基礎(chǔ)防護(hù)失效，流經(jīng)人體的能量也在安全范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對人體的電擊防護(hù)。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(shí)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(shí)，電容容抗比未發(fā)生電壓變化時(shí)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(shí)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(shí)，檢測值才等于實(shí)際值。這就是絕緣電阻測試要求中強(qiáng)調(diào)待讀數(shù)穩(wěn)定的原因。同時(shí)，Y電容的容值越大，絕緣電阻檢測值穩(wěn)定所需時(shí)間越長，意味著從絕緣電阻失效到被檢測出來的時(shí)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(huì)變小，導(dǎo)致檢測到的絕緣電阻值小于實(shí)際值。

3.2.2 Y電容對絕緣電阻監(jiān)測的影響

電動(dòng)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(tái)之間的電阻，并不涉及高壓正負(fù)之間的電阻。實(shí)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(jì)的指標(biāo)。在絕緣設(shè)計(jì)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(jì)來實(shí)現(xiàn)。絕緣電阻用于驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證。

電容的主要作用是滿足電動(dòng)汽車電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際檢測到的絕緣電阻與期望的實(shí)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(shí)，才等于，即監(jiān)測值才是真實(shí)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(huì)使容抗減小，導(dǎo)致檢測值小于實(shí)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(shí)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(shí)間越長，在實(shí)際運(yùn)用中，從絕緣電阻失效到被檢測出來的時(shí)間也就越長。

4 針對高電壓平臺(tái)的Y電容參數(shù)優(yōu)化建議

隨著800V平臺(tái)的普及，Y電容0.2J的限制越來越不能滿足，因?yàn)?000V時(shí)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(hù)機(jī)理上分析，對人體的安全保護(hù)過于冗余。因此需要考慮在電流持續(xù)時(shí)間范圍的基礎(chǔ)上進(jìn)行放開電容耦合0.2J能量閾值要求，降低高電壓平臺(tái)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(shí)間曲線，時(shí)間為10ms以上。然而單點(diǎn)失效情況下Y電容對人體放電持續(xù)時(shí)間與放電常數(shù)τ有關(guān) 。根據(jù)IEC60479，心室顫動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)可通過人體電流和 3T持續(xù)時(shí)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(shí)間在10ms至4ms之間時(shí)，基于（10ms、200mA）和（4ms、500mA）兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，通過插值法可得到該段電流與持續(xù)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，可得到240-612V之間的C-V函數(shù)，進(jìn)一步計(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(xiǎn)，建立更加全面、準(zhǔn)確的安全評估模型，為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和使用提供更加科學(xué)的依據(jù) 。加強(qiáng)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(shí)監(jiān)測 Y 電容狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患的技術(shù)和設(shè)備，也是提高電動(dòng)汽車高壓安全性能的重要措施。

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