动力电池寄生Y电容测试方法

2021-06-04顾广东杨金文娄本杰刘凤丹王国庆

汽车电器 2021年5期

顾广东，杨金文，娄本杰，刘凤丹，王国庆

（1.威睿电动汽车技术（宁波）有限公司，浙江宁波 315336；2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江宁波 315336）

因社会发展对环境要求越来越高，新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。现阶段是新能源汽车发展的关键阶段，必须把安全作为最关键的指标，把提高新能源汽车安全性放在最重要的位置［1］。Y电容作为跨接在电力线与搭铁之间的电容，其容值的大小会影响到高压系统的安全，其安全性不容忽视。针对Y电容的防护通常情况下是使用电容耦合的方式，当系统中的Y电容过大时，当高压系统内发生单点失效的情况下，就容易发生触电事故；当Y电容值过小时，无论滤波还是信号传递都不会发挥应有的作用，因此Y电容的数值须在设计保护和测试过程中确认。

1 寄生Y电容

寄生Y电容是电池包由于其自身结构特性被动形成的寄生电容，主要是在电极与电池包外壳之间，受电池包结构设计影响。图1为电池包寄生Y电容简易示意图。

图1 电池包寄生Y电容示意图

其中，Cb为电池包自身电容，容值极大。Cy+、Cy-为电池包寄生电容，一般为nF级别。

寄生Y电容过大，其存储的能量可能会对其他零部件或人类造成损伤，因此需要控制寄生Y电容的容值［2］。

《GB/T 18384-2020电动汽车安全要求》第5部分5.1.1.4电容耦合要求提出，电容耦合的能量不能大于0.2J。

可通过测量寄生Y电容大小来确定Y电容值是否超出了允许范围，从而推动设计人员改善寄生Y电容［3-4］。

2 动力电池寄生Y电容的测试方法

2.1 测试思路

1）对电容施加固定频率的交流电压，然后测量充放电电流来计算电容值，如下面公式［5］：

式中：U（AC）——交流电压幅值；f——交流电压频率。

以这种方法测量电容值的设备有：LCR数字电桥、数字万用表。另外对于电池包产品也可以用耐压测试仪对电极与外壳施加交流电压，通过耐压测试仪测得的漏电流计算Y电容值。

2）通过电容的充放电能量来计算电容值，公式如下：

式中：U0、Ue——充放电曲线的开始、结束电压。而E的计算：

在模型的化学计量学处理方法的选择方面，分别比对了n阶导数、是否使用矢量归一化法、smoothing 值“9/13/17/21/25”的选择，经比对，最终发现：在使用 “一阶导数+矢量归一化+平滑点数17”（first derivative+Vector Normalization+Smoothing Point 17）作为NIR光谱的预处理方法时，可以使模型较好地识别雷公藤样本，并使其它药材与雷公藤的最大一致性指数值区别更大。由“一阶导数+矢量归一化+平滑点数17”处理后的雷公藤木质部模型验证结果，如图6所示。

式中：U（t）——充放电电压曲线函数。

由于电池包产品自身带电，故设计放电回路获取放电曲线比较适合。

下面分别采用LCR数字电桥、数字万用表、耐压测试仪及放电回路测试某型号电池包Y电容，对比测试结果差异。

2.2 LCR数字电桥测试Y电容

LCR测试仪正极（红表笔）连接电池包正极或负极，LCR测试仪负极（黑表笔）连接电池包出水口，设定测试频率为1kHz。图2为LCR数字电桥测量电池包寄生Y电容示意图。

图2 LCR数字电桥测量电池包寄生Y电容示意图

测量出的电池包正极对壳与电池包负极对壳的寄生Y电容值分别为：34.58nF和34.43nF。此测试结果实际都为Cy+与Cy-并联再与Cb串联的综合值，非分别为Cy+、Cy-的值。下同。

对于集成了电池管理系统的电池包，测量寄生Y电容前需要闭合主回路继电器及屏蔽绝缘检测功能。

2.3 数字万用表测试寄生Y电容

使用高精度万用表直接测量电池包的寄生Y电容，本工作中采用的是福禄克18B+型号万用表，1.5~40.00nF电容挡位下，其分辨率为0.01nF，精度为（2%+5nF）。万用表正极（红表笔）连接电池包正极或负极，万用表负极（黑表笔）连接电池包出水口。图3为万用表直接测量电池包寄生Y电容示意图。

图3 万用表直接测量电池包寄生Y电容示意图

测量出的电池包正极对壳与电池包负极对壳的寄生Y电容值分别为：30.89nF，31.09nF。

2.4 耐压测试仪测试寄生Y电容

设置耐压测试仪AC输出模式，设置电压与频率如表1所示。测试后耐压测试仪显示漏电流值。通过公式（1）、公式（2）、公式（3）得出表1测试结果。

耐压测试仪的使用要考虑样品的耐压能力，设置合适的输出电压，以免打坏样品。

图4 漏电流法测试寄生Y电容示意图

表1 漏电流法测试结果

2.5 泄放电阻法测试寄生Y电容

需要准备图5虚线范围内的测试工装及示波器设备（带高压差分探头）。

Rs+与Rs-为平衡电阻，其选择不使回路总电阻低于500Ω/V即可，这里选择1MΩ。Rdischarge为泄放电阻，一般选择为平衡电阻的十分之一，即100kΩ。Ri为高压差分探头正负探头之间电阻，根据探头规格书，Ri为10MΩ。

图5 泄放电阻法测试示意图

其中，Riso+为电池包正极绝缘电阻；Riso-为电池包负极绝缘电阻；Rs+为电池包正极平衡电阻；Rs-为电池包负极平衡电阻；Ri为高压差分探头正负探头之间的电阻；Rdischarge为泄放电阻。

首先通过绝缘电阻设备测试电池包正负极对外壳绝缘电阻值，并通过下面公式（6）计算回路总电阻R=82979Ω。

当开关闭合，泄放电阻Rdischarge接入，电池包寄生Y电容放电，通过示波器捕捉到放电曲线，如图6所示。

将示波器数据导出，通过公式（5），计算得出放电能量E=0.278mJ。

U0与Ue可从示波器波形上获得。通过公式（4）计算出寄生Y电容值为35.30nF。

图6 测试捕获的放电曲线

3 结果分析

以上4个测试方法结果十分相近。

1）LCR数字电桥交流电压输出频率高，输出电流高，数据采样能力高，其测试结果更贴近电池包实际寄生Y电容值。在使用时要注意检查电池包绝缘状况是否良好，若电池包绝缘异常则易损坏LCR数字电桥。

使用LCR对不同容值的电容进行测试，使用测试频率为1kHz，从图7可以看出，对于不同的电容，LCR会自动调整测试输出的电压和电流值，将对应的电压值和电流值通过式（3）可以算出电容值，是符合LCR的测试结果的。图7为纯电容测量时LCR的参数及测试结果。

图7 纯电容测量时LCR的参数及测试结果

2）数字万用表测量电容是最方便的办法，一般实验室都能找到便携式的数字万用表。从图8中可以看出，在测量8μF时，其电压范围为0.6~1.2V，测试频率约为15Hz；在测量22nF时，其电压范围为0.6~1.2V，测试频率约为575Hz，说明万用表在进行电容测量时是使用固定电压而调整其输出频率的方式来进行电容值的测量，其输出能力有限，在测量电容时其输出的电压波形易发生畸变，测试精确度低于LCR数字电桥。

3）耐压测试仪适用于耐压能力较高的电池包，测试结果需要人工计算。