Y电容对电动汽车电气安全的影响分析

宋芳 张宇鹏 张天强

（1. 中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院，长春130013；2. 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）

主题词：电动汽车 Y电容 安全 充电

1 前言

近年来，随着电动汽车产销量的快速增长，汽车动力系统已经进入以电动化为主的新发展时期。经过汽车及相关行业的技术发展，电动汽车逐渐克服技术、性能、成本困难，正在逐步接近传统汽车水平，但在发展过程中，电动汽车安全问题越来越凸显。从安全角度出发，在设计之初就能识别并规避安全隐患，是电动汽车持续发展的先决条件[1]。

电动汽车的安全问题与其特有的高压电气系统有关，电动汽车上安装了动力电池、电机、DC/DC等高压部件,具有高电压、大电流的高压回路,在其全生命周期内都存在一定的电气安全失效风险，如触电、短路着火等电动汽车特有的安全隐患。本文之所以对Y电容展开研究与分析，是因为Y电容对电动汽车电气安全的许多方面都带来了一定的影响，分析、明确其影响因素与影响原因对提升电动汽车的安全具有非常重要的意义。

2 Y电容概述

2.1 Y电容在电动汽车上的存在形式

电动汽车上的Y 电容有2 种存在形式：一种是人为主动设计的安规电容，布置于正/负极与电平台之间，用于改善部件及整车的EMC性能，一般成对出现；另外一种存在形式是部件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部件金属壳体之间形成的结构电容，可能造成非预期的负面影响[2]。

无论是寄生电容还是电路板上的安规Y电容，都会使得高压系统与电平台之间产生耦合现象，在正/负极对电平台发生电压变化时存在充放电电流。在充放电电流大于一定限额时，会影响整车电气安全。

2.2 电动汽车相关标准对Y电容的设计要求

Y电容的要求主要体现在以下3个标准中：

2.2.1 国家标准对电动汽车安全要求

在GB 18384—2020《电动汽车安全要求》[3]中，对Y电容提出了明确要求，该法规是强制性执行的，必须在设计上予以满足，具体要求如下：

“电容耦合应至少满足以下要求之一：

（a）B级电压电路中，任何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存储的能量应不大于0.2 J，0.2 J为对B级电压电路正极侧Y电容或负极侧Y 电容最大存储电能的要求。此外，若有B级电压电路相互隔离，则0.2 J为单独对各相互隔离的电路的要求；

（b）B 级电压电路至少有2 层绝缘层、遮栏或外壳，或布置在外壳里或遮栏后，且这些外壳或遮栏应能承受不低于10 kPa 的压强，不发生明显的塑性变形。”

2.2.2 国家标准对电动汽车碰撞后安全要求

在GB/T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》[4]中，对Y 电容也提出了要求，该标准虽然是推荐性标准，但也需要按要求来执行，具体要求如下：

“储存在Y-电容器里的能量（TEy1，TEy2）也应该少于0.2 J。应通过高压母线和电平台电压V1和V2以及制造商规定的Y电容器里的电容（Cy1，Cy2）根据公式来计算该值。

2.2.3 充电设施行业标准对Y电容的要求

目前充电设施行业标准NB/T 33001—2018[5]中，对充电设施的Y电容提出以下要求，可以作为车端设计的参考，具体要求如下：

充电机直流输出正、负极与地之间的电容耦合由Y电容器和寄生电容产生，用于实现电磁兼容。为防止人员触电危险，对于额定输出电压不大于500 V 的充电机，其每个充电接口直流输出正、负极与地之间的总电容均不应大于0.4 μF；对于额定输出电压大于500 V的充电机，应满足下述条件之一：

（a）充电机与电动汽车动力蓄电池连接在一起的直流正、负极与地之间的总电容在其最大工作电压时所存储的能力均不应大于0.2 J；

（b）充电机直流输出回路采用双重绝缘或加强绝缘措施。

从3 个标准中可以看出，目前各标准中对Y 电容的要求都是对系统及整车提出的要求，没有对总成的具体要求。

3 Y电容对电动汽车的电气安全影响分析

3.1 Y电容对整车电气安全的影响

3.1.1 Y电容对车辆发生单点失效工况下的触电影响

Y 电容由于布置在正/负极与电平台之间，在车辆正常使用工况下，如果车辆发生单点失效故障时，比如单极发生绝缘失效或者IPXXB 失效，且人一手触摸到失效点一手触摸电平台时，Y电容变成了回路中的电源，对人体放电，如图1所示[1]。在多项国内外标准中，通过人体的安全能量都是0.2 J。如果Y 电容总能量超过了0.2 J，就大幅度增加了驾乘人员的触电风险。

图1 单点失效时Y电容可能造成的触电风险分析

基于以上分析，如果没有将Y电容控制在安全能量以下，在高压系统发生单点失效的情况下，可能造成人员触电事故。解决这个问题一般有2 种方法,一个是高压系统单边Y电容的总能量之和控制在0.2 J以下,另一个是避免高压系统单点失效的发生。因此在GB 18384—2020中，对整车提出了每个互相隔离的子系统都应该保证其正极/负极对电平台的Y电容总能量之和小于0.2 J，或者该回路有2层绝缘层或外壳，或外壳能承受10 kPa的压强不发生塑性变形的要求[3]。其中,回路中Y电容的最大能量计算公式如下:

除此外，如果Y 电容能量超过0.2 J，还需要依据GB/T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》[4]增加碰撞后能量泄放的设计。

由于第2 种方法需要较高的成本且可靠性不高，一般主机厂采取第1种方法来进行设计防止触电事故的发生。目前GB 18384—2020[3]中的Y电容能量测试方法为计算Y电容的设计值的能量之和，未将寄生电容计算在其中。但Y 电容的重要性实际上比高压安全中一些其它设计措施如绝缘监测及电位均衡更加重要，在主机厂进行产品设计时必须考虑寄生Y电容的影响。因此，除了进行简单的设计值计算外，也需要依赖Y电容的测试来保障0.2 J能量要求的满足。

3.1.2 Y电容对车辆绝缘电阻的影响

Y电容的加入导致高压系统与电平台之间增加了一条电气通道，此通道的存在必然降低高压系统对电平台的绝缘性能[6]。整车的绝缘电阻的测试值是高压系统原有绝缘电阻与Y电容阻抗并联的关系。

当高压系统正/负极对电平台电压发生变化时，正极与电平台之间的Y 电容和负极与电平台之间的Y电容会因为这个电压的变化，产生充电或者放电电流。又或者整车存在正/负极对电平台之间发出脉冲信号的部件（如低频注入法绝缘监测装置），由于Y电容被反复充放电，会在正/负极与电平台之间出现电流。根据欧姆定律，电流与电路中电压U和电路等效阻抗Z的关系如下：

电容阻抗与电容容值C以及电压频率f之间的关系如下：

则流过Y电容的电流为：

由公式可知，该电流与Y电容容值成正比，Y电容容值越大，电流越大。由于绝缘电阻与漏电流成反比关系，如果Y 电容的容值越大，在Y 电容被充放电时的充放电电流会越大，整车的绝缘电阻会越小，甚至会导致整车绝缘电阻不符合标准法规要求。

3.1.3 Y电容对绝缘监测装置的影响

绝缘监测装置在整车中起到实时监测高压系统绝缘电阻的作用，可以在车辆发生单点绝缘失效时提示驾乘人员，从而避免触电事故的发生，在整车电气安全中起到重要的作用。目前主流的车载绝缘电阻测量方法是电压比较法和低频注入法，这2种方法都会受到Y电容的影响，具体分析如下：

（1）Y电容对低频注入法绝缘监测装置的影响

低频注入法基本原理如图2 所示，对高压系统与电平台之间注入一个低频方波信号，通过测量采样电阻Rm上的电压间接计算得到高压系统与电平台之间的漏电流来实现对绝缘电阻的监测。

图2 低频注入绝缘监测等效电路

但由于正/负极与电平台之间除了高压系统的绝缘电阻之外,还存在Y电容,低频注入法绝缘监测装置实际检测到的绝缘电阻值是高压系统实际绝缘电阻Ri与Y 电容Cy之间的并联值[6]。在3.1.2 章节提及过，当低频注入法绝缘监测装置工作时，相当于在给Y电容进行充放电，此时Y 电容阻抗很小，会使得测量值被拉低，从某种意义上来看此时高压系统绝缘电阻也确实被Y电容所拉低了。当Cy被充满时，阻抗接近于无穷大，此时测量值与高压系统原有绝缘电阻Ri一致，缘监测装置测量得到的整车绝缘电阻基本没有受到Y电容的影响。

（2）Y电容对电压比较法绝缘监测装置的影响

电压比较法的绝缘监测装置原理如图3 所示，绝缘监测装置中的2个开关会交替吸合断开，检测模块通过对比正/负极对电平台电压在开关断开与吸合前后的差值来进行绝缘电阻的测量与计算。在开关切换时，会导致正/负极对电平台电压的突然变化，Y 电容的存在会减缓这种变化的尖峰，在电压完全平稳前Y电容处于被充电或者放电状态。与前面所提及的情况一样，在Y 电容被充放电时，Y 电容阻抗很小，从而导致高压系统的绝缘电阻测量值大幅度降低。Y电容越大，绝缘降低的周期就越长。

图3 电压比较法绝缘监测等效电路

综上，2 种绝缘监测方法都会直接或者间接造成Y电容的充放电，从而造成整车绝缘电阻的测量值在Y电容被充放电时候出现大幅度的下降，如果想要避免这种情况，一方面可以通过控制Y电容的容值来避免对绝缘电阻测量值的影响程度，另一方面可以通过调整测量周期避免检测到Y 电容在充放电时的系统绝缘电阻。

3.2 Y电容对充电系统电气安全的影响

3.2.1 Y电容对充电系统的触电安全的影响

Y电容在充电工况下的影响与整车正常使用工况下的分析有原理上的相似，但由于增加了充电桩的参与，相对更为复杂，下面进行单独的分析：

（1）安全能量的重新分配

对充电回路的Y 电容的最大能量要求仍然是0.2 J,但是需要明确的是，充电回路的Y 电容的能量是由汽车上的Y 电容和充电设施的Y 电容能量的总和，不是仅仅对车辆端充电回路的要求。这也就是说，对于高压系统上互相隔离的子系统，如果该系统是充电系统，那么其Y 电容的设计要特殊进行计算，要将0.2 J 的能量限值分配给车上的充电回路及充电设施。公式仍与上面分析的一致：

另外需要注意的是此处的电压是充电时的最高电压，在通过充电电压确认Y 电容限值后，还需要将其分配给汽车和充电桩，相比非充电状态下的情况，对车端Y电容的要求更加严格了。充电桩端的参数，可以参考NB/T 33001—2018[5]中的内容。

（2）超出安全能量时的触电风险

以交流充电为例，若充电回路的Y 电容能量超过安全能量限值，当充电设施出现充电枪及充电线缆出现IPXXB 失效，也就是人可以直接触摸到高压带电部分的时候，人如果站在地上触摸到了IPXXB失效的部分，此时充电回路是接地的，形成了如图4所示的触电回路。Y 电容中的能量会直接作用于人体，从而造成人员触电情况。此时，绝缘监测是无法监测到IPXXB 的失效的，除非IPXXB 失效的部分被接地了。

图4 充电桩破损触电分析

如果IPXXB 失效的部分是充电桩与电网直接相连的部分，会直接造成380 V直接单极触电，不被Y电容的大小所影响，因此不在本文的研究范围。

直流充电桩IPXXB 失效的情况由于与交流充电桩的情况类似，因此不再进行单独的分析。

3.2.2 Y电容对桩端及车端绝缘监测装置的影响

直流充电桩内部集成有绝缘监测装置,一般也是采用低频注入法与电压比较法2种方法在充电开始前进行充电回路的绝缘监测。当充电回路的Y 电容较大时，在充电过程中同样会出现测量值比充电回路原有绝缘电阻低，甚至达到失效报警值的情况，从而影响充电流程。

在充电过程中电容对车端绝缘监测的影响与前面章节分析一致，此处不再赘述。

3.2.3 Y 电容对高电压大功率充电方式电动汽车的影响

对于采用高电压大功率充电方式的电动汽车来说，依据公式(1)，一旦提高电压平台，因为电压的影响是被平方的，充电回路Y电容的容值就需要控制在更小的范围内，以避免前面分析过的安全隐患。

综上，Y 电容的容值与其所携带的能量在没有合理控制的情况下可能会导致充电过程中人员触电、绝缘监测误判等问题，影响充电过程中人员的安全与充电操作使用。因此，在进行充电回路的设计时，需要充分考虑到充电电压对充电回路中Y 电容能量的几何级影响及充电桩端Y电容的影响，在保证车辆EMC的前提下对充电回路内各高压部件的Y 电容进行合理的分配与设计。

4 结束语

本文从电动汽车正常使用工况及充电工况详细分析了Y电容对电动汽车触电风险、绝缘电阻与绝缘监测精度等方面的影响。

为了减少Y 电容对电动汽车造成的各项安全隐患，主机厂应在设计阶段针对Y电容的设计进行EMC与电气安全的平衡把控，把整车高压系统包括充电回路的Y 电容及其寄生电容的能量控制在合理范围内。另外，由于Y 电容的大小在整车的生命周期内，受车辆运行工况与环境湿度等影响会产生一定的变化，因此，在车辆设计开发阶段应重视Y 电容的整车计算与充分的测试验证。