动力电池Y电容及其对整车漏电检测的影响

梁丰收， 秦海洋, 谈际刚, 马爱国

(比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118)

动力电池Y电容是指存在于电池正负极与电池包金属外壳或者内部液冷管路之间的结构电容，是由电池内部结构设计不合理形成[1]。其主要分为2类：一类为金属托盘固定的电池包，通过螺栓分别将电池模组与托盘，托盘与车辆进行固定，电池包电极与电池包托盘间形成Y电容；另一类为循环液冷的电池包，电池电芯间装有含冷却液的金属管路来实现恒温控制，电池包电极与冷却管路间形成Y电容[2]。而且，由于整车电池系统是通过电池包的串联和并联来给车辆供电，每个电池包的Y电容在动力电池系统内耦合叠加，进一步增大了动力电池对车辆的漏电流，从而对整车漏电检测产生了影响。

1 动力电池Y电容的测试

1.1 测量设备与操作

动力电池Y电容的测量选用精度较高的LCR数字电桥，具体操作如下：

将设备接通电源后，选择要测量的参数，即电容C，待仪器预热10 min后即开始测量。分别将LCR数字电桥正极端(红笔)夹在电池包正极或负极，LCR数字电桥负极端(黑笔)接在电池包托盘地或者电池包水冷管路进出水口，然后待仪器数值显示稳定后记录此时电容值[3]。测量原理图如图1所示。

图1 Y电容测量原理图

1.2 动力电池Y电容零部件测试与分析

对某车型的3种型号动力电池包(Ⅰ型：20串1并；Ⅱ型：16串1并；Ⅲ型30串1并)Y电容进行采样测试与数据采集。采集的数据包括电池包正极对液冷管路Y电容值和电池包负极对液冷管路Y电容值，如表1所示，从测得的Y电容数据中可以得出以下结论：

1) 3种类型液冷电池包Y电容数值接近。其中，第3种电池包Y电容值最大，平均值达到46 nF；其他2种电池包Y电容值平均值分别为35 nF和30 nF。

2) 电池包电芯节数越多，电池包Y电容值越大。

表1 3种型号电池包Y电容对比 nF

1.3 动力电池系统Y电容整车测试与分析

某车型的动力电池由若干个电池包通过先并后串的方式组成2组可单独供电的PACK，分别测量2个PACK存在的Y电容值[4]。测量前接好设备并戴上绝缘手套，将某PACK的正负极接插件从整车断开，待设备预热后方可开始测量，测量时及时记录设备的稳定读数，数值如表2所示。

表2 车辆各PACK Y电容及电池系统总Y电容

对比数据可得：

1) 2组PACK的Y电容值几乎相同，且各组正负极Y电容也基本相等。

2) 2组PACK的Y电容值之和即为整车动力电池系统的Y电容。

2 Y电容对整车漏电检测的影响

2.1 漏电传感器检测原理

某纯电动汽车的漏电检测由漏电传感器完成。如图2所示，某漏电传感器内部包括激励电源(U)、标准电阻(R1、R2)、检测模块(MCU)等元器件，通过CAN线与电池管理控制器通讯，确定检测方式。其工作时会在高压回路与地之间发送PWM方波电压，并通过回检高压负极对车辆电压及漏电传感器内部电流来计算高压系统对车辆的绝缘电阻[5]。

图2 某漏电传感器检测原理图

2.2 Y电容对整车漏电检测的影响测试

当高压回路与车辆之间存在Y电容时，漏电传感器发出的交变电压会存在一个给Y电容充电的过程。Y电容越大，漏电传感器给此电容充电时间越长，PWM方波的失真越严重，即基准电压很难在检测周期内达到实际稳定值[6]，导致漏电传感器计算得出的绝缘阻值小于实际阻值，进而引发漏电误报警后的车辆抛锚[7]。动力电池受结构设计和布置距离等特性的影响，成为纯电动汽车最主要的Y电容来源之一。

如图3所示，车辆高压回路不存在较大Y电容时，漏电传感器检测脚间电压波形为方波，漏电传感器检测脚间电压稳定，所计算的绝缘阻值比较准确。

图3 漏电传感器检测脚间电压波形图

当动力电池接入高压回路后，绝缘检测模块检测到的PWM方波受Y电容影响，但检测到的电压在检测周期内达到稳定值，对整车功能无影响。依据电容时间特性公式τ=R×C[8]，Y电容的增大将引起上电时间的延长，波形如图4所示。

图4 接入电池后漏电传感器检测脚间电压波形图

如图5所示，某车型使用循环液冷电池，并开启了所有高压系统后，其检测电压呈三角波形状且无法达到平台期，致使计算整车绝缘阻值低于车辆实际绝缘阻值，可能会引起车辆上电故障或行驶中抛锚事故的发生。

图5 整车上电后漏电传感器检测脚间电压波形图

在一定范围内，随着Y电容的增大，高压系统容抗降低引起绝缘电阻值低，增加了漏电安全风险。

3 结束语

随着电动汽车动力电池的电芯成分、结构与液冷技术发展，其Y电容将呈现逐步增大、复杂多样和难以治理等特点[9]。延长漏电传感器检测周期可解决高压系统Y电容存在对漏电检测的影响，但由于实际漏电时检测结果延迟较久，不利于进行及时的车辆漏电报警和保护[8]。因此，电池制造商应合理布置电压高级与金属托盘和液冷管路间的结构，从根本上降低动力电池Y电容，保障整车漏电检测与防护功能的正常实现。