顧廣東，楊金文，婁本杰，劉鳳丹，王國(guó)慶

（1.威睿電動(dòng)汽車技術(shù) （寧波）有限公司，浙江 寧波 315336；2.吉利汽車研究院 （寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

因社會(huì)發(fā)展對(duì)環(huán)境要求越來越高，新能源汽車成為世界汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)新焦點(diǎn)?，F(xiàn)階段是新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵階段，必須把安全作為最關(guān)鍵的指標(biāo)，把提高新能源汽車安全性放在最重要的位置［1］。Y電容作為跨接在電力線與搭鐵之間的電容，其容值的大小會(huì)影響到高壓系統(tǒng)的安全，其安全性不容忽視。針對(duì)Y電容的防護(hù)通常情況下是使用電容耦合的方式，當(dāng)系統(tǒng)中的Y電容過大時(shí)，當(dāng)高壓系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生單點(diǎn)失效的情況下，就容易發(fā)生觸電事故；當(dāng)Y電容值過小時(shí)，無(wú)論濾波還是信號(hào)傳遞都不會(huì)發(fā)揮應(yīng)有的作用，因此Y電容的數(shù)值須在設(shè)計(jì)保護(hù)和測(cè)試過程中確認(rèn)。

1 寄生Y電容

寄生Y電容是電池包由于其自身結(jié)構(gòu)特性被動(dòng)形成的寄生電容，主要是在電極與電池包外殼之間，受電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響。圖1為電池包寄生Y電容簡(jiǎn)易示意圖。

圖1 電池包寄生Y電容示意圖

其中，Cb為電池包自身電容，容值極大。Cy+、Cy-為電池包寄生電容，一般為nF級(jí)別。

寄生Y電容過大，其存儲(chǔ)的能量可能會(huì)對(duì)其他零部件或人類造成損傷，因此需要控制寄生Y電容的容值［2］。

《GB/T 18384-2020電動(dòng)汽車安全要求》第5部分5.1.1.4電容耦合要求提出，電容耦合的能量不能大于0.2J。

可通過測(cè)量寄生Y電容大小來確定Y電容值是否超出了允許范圍，從而推動(dòng)設(shè)計(jì)人員改善寄生Y電容［3-4］。

2 動(dòng)力電池寄生Y電容的測(cè)試方法

2.1 測(cè)試思路

1）對(duì)電容施加固定頻率的交流電壓，然后測(cè)量充放電電流來計(jì)算電容值，如下面公式［5］：

式中：U（AC）——交流電壓幅值；f——交流電壓頻率。

以這種方法測(cè)量電容值的設(shè)備有：LCR數(shù)字電橋、數(shù)字萬(wàn)用表。另外對(duì)于電池包產(chǎn)品也可以用耐壓測(cè)試儀對(duì)電極與外殼施加交流電壓，通過耐壓測(cè)試儀測(cè)得的漏電流計(jì)算Y電容值。

2）通過電容的充放電能量來計(jì)算電容值，公式如下：

式中：U0、Ue——充放電曲線的開始、結(jié)束電壓。而E的計(jì)算：

在模型的化學(xué)計(jì)量學(xué)處理方法的選擇方面，分別比對(duì)了n階導(dǎo)數(shù)、是否使用矢量歸一化法、smoothing 值“9/13/17/21/25”的選擇，經(jīng)比對(duì)，最終發(fā)現(xiàn)：在使用 “一階導(dǎo)數(shù)+矢量歸一化+平滑點(diǎn)數(shù)17”（first derivative+Vector Normalization+Smoothing Point 17）作為NIR光譜的預(yù)處理方法時(shí)，可以使模型較好地識(shí)別雷公藤樣本，并使其它藥材與雷公藤的最大一致性指數(shù)值區(qū)別更大。由“一階導(dǎo)數(shù)+矢量歸一化+平滑點(diǎn)數(shù)17”處理后的雷公藤木質(zhì)部模型驗(yàn)證結(jié)果，如圖6所示。

式中：U（t）——充放電電壓曲線函數(shù)。

由于電池包產(chǎn)品自身帶電，故設(shè)計(jì)放電回路獲取放電曲線比較適合。

下面分別采用LCR數(shù)字電橋、數(shù)字萬(wàn)用表、耐壓測(cè)試儀及放電回路測(cè)試某型號(hào)電池包Y電容，對(duì)比測(cè)試結(jié)果差異。

2.2 LCR數(shù)字電橋測(cè)試Y電容

LCR測(cè)試儀正極 （紅表筆）連接電池包正極或負(fù)極，LCR測(cè)試儀負(fù)極 （黑表筆）連接電池包出水口，設(shè)定測(cè)試頻率為1kHz。圖2為L(zhǎng)CR數(shù)字電橋測(cè)量電池包寄生Y電容示意圖。

圖2 LCR數(shù)字電橋測(cè)量電池包寄生Y電容示意圖

測(cè)量出的電池包正極對(duì)殼與電池包負(fù)極對(duì)殼的寄生Y電容值分別為：34.58nF和34.43nF。此測(cè)試結(jié)果實(shí)際都為Cy+與Cy-并聯(lián)再與Cb串聯(lián)的綜合值，非分別為Cy+、Cy-的值。下同。

對(duì)于集成了電池管理系統(tǒng)的電池包，測(cè)量寄生Y電容前需要閉合主回路繼電器及屏蔽絕緣檢測(cè)功能。

2.3 數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試寄生Y電容

使用高精度萬(wàn)用表直接測(cè)量電池包的寄生Y電容，本工作中采用的是福祿克18B+型號(hào)萬(wàn)用表，1.5~40.00nF電容擋位下，其分辨率為0.01nF，精度為 （2%+5nF）。萬(wàn)用表正極（紅表筆）連接電池包正極或負(fù)極，萬(wàn)用表負(fù)極 （黑表筆）連接電池包出水口。圖3為萬(wàn)用表直接測(cè)量電池包寄生Y電容示意圖。

圖3 萬(wàn)用表直接測(cè)量電池包寄生Y電容示意圖

測(cè)量出的電池包正極對(duì)殼與電池包負(fù)極對(duì)殼的寄生Y電容值分別為：30.89nF，31.09nF。

2.4 耐壓測(cè)試儀測(cè)試寄生Y電容

設(shè)置耐壓測(cè)試儀AC輸出模式，設(shè)置電壓與頻率如表1所示。測(cè)試后耐壓測(cè)試儀顯示漏電流值。通過公式 （1）、公式（2）、公式 （3）得出表1測(cè)試結(jié)果。

耐壓測(cè)試儀的使用要考慮樣品的耐壓能力，設(shè)置合適的輸出電壓，以免打壞樣品。

圖4 漏電流法測(cè)試寄生Y電容示意圖

表1 漏電流法測(cè)試結(jié)果

2.5 泄放電阻法測(cè)試寄生Y電容

需要準(zhǔn)備圖5虛線范圍內(nèi)的測(cè)試工裝及示波器設(shè)備 （帶高壓差分探頭）。

Rs+與Rs-為平衡電阻，其選擇不使回路總電阻低于500Ω/V即可，這里選擇1MΩ。Rdischarge為泄放電阻，一般選擇為平衡電阻的十分之一，即100kΩ。Ri為高壓差分探頭正負(fù)探頭之間電阻，根據(jù)探頭規(guī)格書，Ri為10MΩ。

圖5 泄放電阻法測(cè)試示意圖

其中，Riso+為電池包正極絕緣電阻；Riso-為電池包負(fù)極絕緣電阻；Rs+為電池包正極平衡電阻；Rs-為電池包負(fù)極平衡電阻；Ri為高壓差分探頭正負(fù)探頭之間的電阻；Rdischarge為泄放電阻。

首先通過絕緣電阻設(shè)備測(cè)試電池包正負(fù)極對(duì)外殼絕緣電阻值，并通過下面公式 （6）計(jì)算回路總電阻R=82979Ω。

當(dāng)開關(guān)閉合，泄放電阻Rdischarge接入，電池包寄生Y電容放電，通過示波器捕捉到放電曲線，如圖6所示。

將示波器數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過公式 （5），計(jì)算得出放電能量E=0.278mJ。

U0與Ue可從示波器波形上獲得。通過公式 （4）計(jì)算出寄生Y電容值為35.30nF。

圖6 測(cè)試捕獲的放電曲線

3 結(jié)果分析

以上4個(gè)測(cè)試方法結(jié)果十分相近。

1）LCR數(shù)字電橋交流電壓輸出頻率高，輸出電流高，數(shù)據(jù)采樣能力高，其測(cè)試結(jié)果更貼近電池包實(shí)際寄生Y電容值。在使用時(shí)要注意檢查電池包絕緣狀況是否良好，若電池包絕緣異常則易損壞LCR數(shù)字電橋。

使用LCR對(duì)不同容值的電容進(jìn)行測(cè)試，使用測(cè)試頻率為1kHz，從圖7可以看出，對(duì)于不同的電容，LCR會(huì)自動(dòng)調(diào)整測(cè)試輸出的電壓和電流值，將對(duì)應(yīng)的電壓值和電流值通過式（3）可以算出電容值，是符合LCR的測(cè)試結(jié)果的。圖7為純電容測(cè)量時(shí)LCR的參數(shù)及測(cè)試結(jié)果。

圖7 純電容測(cè)量時(shí)LCR的參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

2）數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電容是最方便的辦法，一般實(shí)驗(yàn)室都能找到便攜式的數(shù)字萬(wàn)用表。從圖8中可以看出，在測(cè)量8μF時(shí)，其電壓范圍為0.6~1.2V，測(cè)試頻率約為15Hz；在測(cè)量22nF時(shí)，其電壓范圍為0.6~1.2V，測(cè)試頻率約為575Hz，說明萬(wàn)用表在進(jìn)行電容測(cè)量時(shí)是使用固定電壓而調(diào)整其輸出頻率的方式來進(jìn)行電容值的測(cè)量，其輸出能力有限，在測(cè)量電容時(shí)其輸出的電壓波形易發(fā)生畸變，測(cè)試精確度低于LCR數(shù)字電橋。

3）耐壓測(cè)試儀適用于耐壓能力較高的電池包，測(cè)試結(jié)果需要人工計(jì)算。

圖8 使用萬(wàn)用表測(cè)量不同容值電容時(shí)輸出的電壓圖像

4）泄放電阻法測(cè)試時(shí)，放電曲線的人為選擇 （如U0與Ue值選擇，放電時(shí)長(zhǎng)選擇）和處理都會(huì)影響到寄生Y電容值的計(jì)算。此方法更適用于電池包絕緣能力較差，寄生Y電容有放電回路時(shí)的情況。此時(shí)使用LCR數(shù)字電橋或數(shù)字萬(wàn)用表都有可能使設(shè)備損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著新能源汽車的發(fā)展，高壓零部件越來越多，寄生Y電容的控制及測(cè)量顯得尤為重要，但國(guó)內(nèi)目前還沒有電容測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。以上4種測(cè)量方法已驗(yàn)證其可行性，且產(chǎn)品不局限于電池包，可以為新能源汽車開發(fā)者或測(cè)試單位提供借鑒。