纯电动城市客车静电问题的根源与应对措施

2020-09-04朱正礼周红丽姜杰峰

客车技术与研究 2020年4期

朱正礼，周红丽，姜杰峰

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

随着纯电动城市客车的普及应用，乘客在车厢内经常接触金属立杆扶手或座椅金属扶手。如果金属扶手放电，不仅会造成人体的不舒适，还有可能对车上的电子电器件造成暂时或永久的损坏，严重的甚至会危及乘客及行车安全[1]。目前，纯电动城市客车上金属扶手带电是比较普遍的现象，只是表现强弱有所差异而已，已成为乘客经常投诉的问题之一。因此，有必要对纯电动城市客车上的金属扶手“放电”现象及解决措施进行深入研究。

1 问题描述及原因分析

1.1 问题描述

某纯电动城市客车的驾驶员和乘客反馈：车厢内的金属立杆扶手“放电”，人触摸时，经常被扶手杆“电到”,尤其在天气晴朗干燥时更为明显；在车辆底盘上安装静电带后，有一定的效果，但是并不能完全消除；用静电笔碰触金属立杆，静电笔能够被点亮，然后熄灭，过几分钟再用静电笔碰触金属立杆，静电笔再次被点亮；然而，用静电笔在车厢外部的底盘、高压设备外壳等多处测量，静电笔均不会被点亮。

1.2 原因分析

金属立杆“放电”有两种原因：漏电或静电[2-4]。本文采用逐一排除法进行分析和验证，先对整车是否漏电进行排除。

1.2.1 漏电原因

对于纯电动城市客车，漏电主要是由两种原因导致：一是高压部件绝缘出现问题；二是电器件内部或B级电压带电部件与整车之间的寄生电容或Y电容过大。针对这两种可能的漏电原因进行详细的分析和测量。

1) 首先测量整车的高压绝缘电阻值大于6.5 MΩ，远大于GB/T 18384.3—2015[5]要求的报警值350 kΩ(标准要求≤500 Ω/V时报警，该车高压电压平台为700 V),此时产生的漏电流为uA级，人体不会产生任何感觉；因此可以排除此整车高压绝缘出现了问题而导致“放电”。因为如果整车高压部件出现了绝缘问题，将导致整车高压部件正极或负极与整车底盘之间产生电位差，整车底盘上将流经泄漏电流，并流经整车上所有相互连接的金属框架，包括车厢内的金属立杆扶手(因为金属立杆扶手的顶端通过螺栓连接到车顶框架，底部通过螺栓连接到底盘框架)，人体会有明显的感觉。

2) 寄生电容，又称杂散电容，是非主观设计而产生的电容，存在于电器件内部、B级电压带电部件与整车底盘之间。Y电容分为正极Y电容和负极Y电容，是跨接在高压正极、负极与整车之间的电容[2]，Y电容的作用是用来滤波以抑制EMC共模干扰。在纯电动城市客车上，Y电容主要以两种形式存在：人为主动设计的安规电容和电器及整车由于自身结构特性被动形成的寄生电容。高压正极、负极两端对整车底盘的Y电容可等效于图1的CY+和CY-；在上、下电过程中，电容CY+和CY-会存储、释放能量，并在高压正负两端对整车底盘间产生一定压差。

图1 整车寄生电容和Y电容等效模型

根据GB/T 18384.3—2015[5]的要求：任何带电的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所存储的能量W应小于0.2 J，电容能量W与电容C和电平台电压U之间的关系如下：

W=1/2CU2

通过上式计算得知，当电平台电压U=700 V时，C应当<816 nF；当U=400 V时，C应当<2 500 nF。对整车所有高压部件的Y电容进行测量，部分高压部件的Y电容值见表1，整车总的Y电容值是所有高压部件Y电容值之和：CY++CY-=350.8 nF，远小于基于GB/T 18384.3—2015[5]计算的门槛值816 nF(对应U=700 V)。基于上述测量数据计算的漏电流如下：I=k·CU(其中k为漏电流常数，取值为0.01～0.03之间或更小，漏电流在uA级别，不会对人体造成直接感觉，因此也排除了是寄生电容或Y电容放电而导致“放电”。剩下的另外一种可能就是“静电放电”。

表1 整车部分高压部件Y电容测量数据 nF

1.2.2 静电原因

在上述内容排除了“漏电”放电原因后，静电成为唯一的放电可能[6-8]。静电产生主要有3种原因：摩擦、传导和感应。摩擦主要针对绝缘材料，材料绝缘性能越好，越容易摩擦起电。传导和感应主要针对导电材料，外部接触产生的静电荷比较容易从导电材料中迁移并在导电材料的一端聚集。另一方面，导电材料容易在电场中受到电场感应而产生极性相反的电荷，这些极性相反的电荷在导电材料的两端就成为静电。材料的静电特性通常用表面电阻率表示，见表2，材料的表面电阻率为1012～1014Ω时，材料极易产生静电，选择车用材料时，要避免在此区域选择。

表2 材料表面电阻与静电之间的关系

图2 静电分析及测试过程

依据图2所示步骤进行分析和测试：首先寻找能够释放静电的措施，在车辆静止、断电的情况下，通过采用静电带、浸水拖把拖地板、喷防静电液等方式消除静电，静电能够暂时消除，但在很短时间后又能够产生。因此，只有找到产生静电的根源才能彻底解决“放电”问题，基于排除法，先拆除城市客车上的高压部件，然后逐步拆除地板革、地板，“放电”现象彻底消除，最终确认静电产生的根源在于车厢内的地板及地板革。随后对于同批次的地板及地板革进行了表面电阻及静电电压的测试，测试结果同样证明地板及地板革是静电的根源：单面铝地板和地板革的表面电阻分别为6.3×1012Ω和3.58 ×1012Ω，均为绝缘材料，极易产生静电[9-10]。

2 解决措施及效果

2.1 解决措施

汽车用地板及地板革，不论是改性PP，还是聚碳酸酯、ABS等塑料，都具有优良的电绝缘性能。地板和地板革产生静电的根本原因在于：在加工过程中，材料颗粒通过加工设备的搅拌、摩擦，容易产生静电；同时，由于材料的表面电阻率都非常高，易产生静电积累，产生的静电很难导走，进而残存在地板和地板革中。要解决地板及地板革的静电“放电”问题，根本解决措施之一是更改地板及地板革的材料配比。在塑料改性领域，添加抗静电剂是提高抗静电效果的有效方法。抗静电剂按作用机理分为迁移型抗静电剂和非迁移型抗静电剂。迁移型抗静电剂不断迁移到表面，并与空气中的水分作用形成了抗静电层，其缺点是在一段时间后因抗静电剂的消耗而逐渐失去抗静电效果，不能持久[9]。为达到永久抗静电效果，本文在地板原料中添加硬脂酸单甘油酯，在地板革原料中添加乙氧化胺类，其余成分不变，最终使材料的表面电阻率低于1 011 Ω，静电电压<100 V；同时，通过技术措施限制了整车高压部件的分布电容限值，CY++CY-<816 nF。