Wymagania dotyczące PCB dla elektronicznych systemów motoryzacyjnych: systemy zasilania i energii w pojazdach elektrycznych

Meta Opis: Zbadać kluczowe wymagania dotyczące projektowania i produkcji PCB dla systemów zasilania pojazdów elektrycznych (EV), w tym obsługi wysokiego napięcia, zarządzania cieplnym,i zgodności z normami motoryzacyjnymiDowiedz się, w jaki sposób grube PCB z miedzi, protokoły izolacyjne i zaawansowane materiały umożliwiają niezawodną wydajność pojazdów elektrycznych.

Wprowadzenie
Systemy zasilania i energii pojazdów elektrycznych (EV) stanowią podstawę ich wydajności, bezpieczeństwa i wydajności.ładowarki pokładowe (OBC), przekształcacze prądu stałego-prądu stałego, falowniki trakcyjne i wysokonapięciowe skrzynki łącznikowe ̇ działają w ekstremalnych warunkach: napięcia w zakresie od 400V do 800V (i do 1,200 V w modelach nowej generacji) i prądów przekraczających 500 AAby systemy te mogły niezawodnie funkcjonować, napędzane nimi płyty obwodowe drukowane (PCB) muszą spełniać rygorystyczne normy projektowe, materiałowe i produkcyjne.

W niniejszym przewodniku podamy szczegółowe wymagania dotyczące PCB w systemach zasilania pojazdów elektrycznych,od obsługi wysokich napięć i prądów po zapewnienie stabilności termicznej i zgodności z światowymi normami bezpieczeństwaZapoznamy się również z wyzwaniami związanymi z produkcją i pojawiającymi się trendami, takimi jak przejście na półprzewodniki o szerokim zakresie pasmowym i zaawansowane rozwiązania chłodzące.które kształtują przyszłość projektowania PCB w motoryzacji.

Kluczowe elementy systemów zasilania i energii pojazdów elektrycznych
Systemy zasilania pojazdów elektrycznych opierają się na połączonych modułach, z których każdy ma unikalne potrzeby PCB.

1.Zestaw baterii i BMS: Zestaw baterii przechowuje energię, podczas gdy BMS reguluje napięcie, temperaturę i równowagę ładowania komórki.PCB muszą tutaj obsługiwać czujniki niskiego napięcia (do monitorowania komórek) i ścieżki dużego prądu (do ładowania / rozładowania).
2Ładowarka pokładowa (OBC): przekształca moc sieci AC w prąd stały do ładowania akumulatorów.
3.Konwerter prądu stałego do prądu prądu stałego (DC-DC Converter): Wykonuje schody z wysokiego napięcia (400V) na niskie napięcie (12V/48V) dla systemów pomocniczych (światła, infotainment).
4. Inwerter trakcyjny: przekształca prąd stały z akumulatora w prąd przemienny dla silnika elektrycznego.
5Wysokonapięciowa skrzynka łącznikowa: dystrybuuje energię w całym pojeździe za pomocą PCB zaprojektowanych w celu zapobiegania łukowi i zwarciom za pomocą solidnej izolacji.
6. Regeneracyjny system hamulcowy: wychwytuje energię kinetyczną podczas hamowania.

Krytyczne wymagania dotyczące projektowania PCB dla systemów zasilania pojazdów elektrycznych
PCB systemów zasilania elektrycznych stoją przed wyjątkowymi wyzwaniami ze względu na wysokie napięcia, duże prądy i trudne środowiska operacyjne.

1Wysokonapięciowe i prądowe
Systemy zasilania pojazdów elektrycznych wymagają PCB, które mogą zarządzać prądem do 400V ≈ 800V i prądem do 600A bez przegrzania się lub spadku napięcia.

a.Grube warstwy miedzi: grubość miedzi waha się od 2 oz do 6 oz (1 oz = 35 μm) w celu zmniejszenia oporu.często używają miedzianych lub metalowych PCB (MCPCB) o pojemności 4,6 oz w celu zwiększenia przewodności.
b. Szerokie ślady i pręty prątowe: rozszerzone szerokości śladów (≥ 5 mm dla 300A) i wbudowane miedziane pręty prątowe minimalizują straty mocy.4 oz miedziana ślad 10 mm szerokości może przeprowadzić 300A w 80 ° C bez przekraczania bezpiecznych limitów temperatury.
c. Układy o niskiej indukcji: wysokiej częstotliwości przełączanie w falownikach (zwłaszcza z półprzewodnikami SiC / GaN) generuje hałas. PCB używają krótkich, bezpośrednich śladów i płaszczyzn gruntowych w celu zmniejszenia indukcji,zapobieganie szczytom napięcia.

2. Wymogi dotyczące izolacji i bezpieczeństwa
Wysokie napięcia stwarzają ryzyko łukowania, zwarć i porażeń elektrycznych.

a.Przebieg i odległość: to minimalne odległości wymagane między ścieżkami przewodzącymi w celu zapobiegania łukowieniu. W przypadku systemów 400 V przebieg (odległość wzdłuż powierzchni) wynosi ≥4 mm,a prześwietlenie (przestrzeń powietrzna) wynosi ≥3 mmW przypadku układów 800V odległości te wzrastają do ≥6 mm (kręcenie) i ≥5 mm (przejście) (według normy IEC 60664).
b.Materiały izolacyjne: Używane są podłoża o wysokiej wytrzymałości dielektrycznej (≥ 20kV/mm), takie jak FR4 o wysokiej temperaturze Tg (≥ 170°C) lub kompozyty ceramiczne.do płynów chłodzących) dodaje się drugą warstwę izolacyjną.
c. Zgodność ze standardami międzynarodowymi: PCB muszą spełniać certyfikaty specyficzne dla przemysłu motoryzacyjnego, w tym:

3. Zarządzanie cieplne
Ciepło jest głównym wrogiem systemów zasilania EV. Wysokie prądy i straty przełączania generują znaczne ciepło, które może niszczyć komponenty i zmniejszać wydajność.W projekcie PCB priorytetem musi być rozpraszanie ciepła:

a.Płyty cieplne i płyty miedziane: zestawy płyt miedzianych o średnicy 0,3 mm do 0,5 mm przenoszą ciepło z gorących komponentów (np. MOSFET, IGBT) do wewnętrznych lub zewnętrznych płyt miedzianych.Sieć przewodów termicznych o wymiarach 10x10 może obniżyć temperaturę części o 20°C.
b.PCB z rdzeniem metalowym (MCPCB): Inwerstory trakcyjne często używają MCPCB, w których rdzeń aluminiowy lub miedziany zapewnia przewodność cieplną (24 W/m·K) znacznie przewyższającą standardowy FR4 (0,25 W/m·K).
c.Materiały o wysokim Tg i niskim CTE: Laminaty o temperaturze przejściowej szkła (Tg) ≥170°C są odporne na zmiękczanie pod wpływem ciepła, podczas gdy materiały o niskim współczynniku rozszerzenia termicznego (CTE) (np.FR4 wypełnione ceramiką) minimalizują odkształcanie podczas cyklu termicznego (-40 °C do 125 °C).

4. Wielowarstwowe i hybrydowe wzory
Systemy zasilania elektrycznych wymagają złożonych PCB do oddzielenia warstw zasilania, uziemienia i sygnału, zmniejszając zakłócenia:

a.Płyty stack-up: powszechne są konstrukcje 6 ′′ 12 warstw, z dedykowanymi płaszczyznami mocy (2 ′′ 4 oz miedzi) i płaszczyznami uziemionymi w celu stabilizacji napięć.Sygnał → Ziemia → Moc → Moc → Ziemia → Sygnał.
b.Materiały hybrydowe: połączenie FR4 z podłożami o wysokiej wydajności optymalizuje koszty i wydajność.konwerter prądu stałego do prądu stałego może używać FR4 do warstw zasilania i Rogers RO4350B (tanżant niskich strat) do ścieżek sygnału o wysokiej częstotliwości, zmniejszając EMI.
c. Wbudowane komponenty: Pasywne komponenty (rezystory, kondensatory) są wbudowane w warstwy PCB w celu zaoszczędzenia miejsca i zmniejszenia indukcyjności pasożytniczej, co jest krytyczne dla kompaktowych konstrukcji, takich jak moduły BMS.

Wyzwania związane z produkcją PCB dla systemów zasilania pojazdów elektrycznych
Produkcja PCB do systemów zasilania pojazdów elektrycznych jest wymagająca pod względem technicznym i wiąże się z kilkoma kluczowymi wyzwaniami:

1Przetwarzanie grubej miedzi
Warstwy miedzi ≥4 oz (140 μm) są podatne na niespójności w grafie, takie jak podcięcie (gdzie grafika usuwa nadmiar miedzi z stron śladu).Rozwiązania obejmują::

a.Sterowane grafowanie: stosowanie siarczanu miedzi kwasowego o precyzyjnej temperaturze (45-50°C) i ciśnieniu rozpylania w celu spowolnienia szybkości grafowania, przy zachowaniu tolerancji szerokości śladu w zakresie ±10%.
b.Optymalizacja pokrycia: Elektrolifowanie impulsowe zapewnia jednolite osadzenie miedzi, które jest kluczowe dla warstw 6 oz w falownikach trakcyjnych.

2Wyważanie miniaturyzacji i izolacji
Elektryczne pojazdy wymagają kompaktowych modułów zasilania, ale wysokie napięcia wymagają dużych odległości odchylenia/odchylenia, co tworzy konflikt konstrukcyjny.

a.3D PCB Designs: Pionowa integracja (np. układany PCB połączony przez ślepe przewody) zmniejsza odległość odświetlenia przy zachowaniu odległości izolacyjnej.
b.Baryery izolacyjne: Zintegrowanie dylektrycznych rozstawek (np. folii poliamidów) pomiędzy śladami wysokiego napięcia pozwala na zbliżenie odległości bez uszczerbku dla bezpieczeństwa.

3Laminat hybrydowy
Połączenie różnych materiałów (np. FR4 i ceramiki) podczas laminowania często powoduje delaminację z powodu niezgodnego CTE.

a.Laminat stopniowy: wykorzystanie materiałów pośrednich o wartościach CTE między dwoma podłożami (np. prepregów z włókienem szklanym) w celu zmniejszenia naprężenia.
b.Kontrołowane cykle ciśnienia/temperatury: prędkość rampy wynosząca 2°C/min i ciśnienie utrzymania 300-400 psi zapewniają prawidłowe przyczepienie bez wypaczenia.

4- Ścisłe testy.
PCB elektryczne muszą przejść surowe testy niezawodności, aby zapewnić wydajność w trudnych warunkach:

a.Cykl termiczny: 1000+ cykli pomiędzy -40°C a 125°C w celu symulacji sezonowych zmian temperatury.
b. Badanie wibracji: wibracje sinusobowe o częstotliwości 20 ‰ 2 000 Hz (według ISO 16750) w celu naśladowania warunków drogowych.
c. Badania dielektryczne wysokiego napięcia: 100% badania przy 2x napięciu roboczym (np. 1,600 V dla systemów 800 V) w celu wykrycia wad izolacyjnych.

Przyszłe trendy w projektowaniu PCB dla pojazdów elektrycznych
Wraz z postępem technologii elektrycznych, projekt PCB ewoluuje, aby sprostać nowym wymaganiom, napędzanym przez wydajność, miniaturyzację i półprzewodniki nowej generacji:

1. Półprzewodniki szerokopasmowe (WBG)
Urządzenia z węglem krzemu (SiC) i azotkiem galiu (GaN) działają przy wyższych częstotliwościach (100kHz+) i temperaturach (150°C+) niż tradycyjny krzem, wymagając PCB z:

a.Niska indukcyjność: krótkie, bezpośrednie ślady i zintegrowane pręty prądowe w celu zminimalizowania wzrostów napięcia podczas przełączania.
b.Ulepszone ścieżki cieplne: MCPCB lub substraty chłodzone płynem (np. płyty zimne przymocowane do tylnych stron PCB) do obsługi obciążeń cieplnych 200 W/cm2.

2. Wbudowana elektronika energetyczna
Integracja komponentów zasilania (np. kondensatorów, bezpieczników) bezpośrednio w warstwach PCB zmniejsza rozmiar modułu o 30% i poprawia niezawodność.

a. Wbudowane pręty: Gęste pręty miedziane (6 oz) wbudowane między warstwami eliminują pasy drutowe, zmniejszając opór o 50%.
b.3D drukowanie przewodników: techniki produkcji dodatkowej odkładają ślady miedzi o złożonych geometriach, optymalizując przepływ prądu.

3Inteligentne płyty PCB z czujnikami
W przyszłości PCB będą zawierały zintegrowane czujniki do monitorowania:

a.Temperatura: wykonywanie map termicznych w czasie rzeczywistym w celu zapobiegania występowaniu punktów gorących.
b. Napięcie/Prąd: czujniki prądu w linii (np. efekt Halla) do ochrony przed prądem nadprężnym.
c. Odporność izolacyjna: ciągłe monitorowanie w celu wykrycia degradacji przed wystąpieniem awarii.

4Zrównoważony rozwój i projektowanie o charakterze ośrodkowym
Producenci samochodów naciskają na ekologiczne PCB, a trendy obejmują:

a.Materiały podlegające recyklingowi: lutowanie wolne od ołowiu, laminacje wolne od halogenów i miedź podlegająca recyklingowi.
b. Projekty modułowe: PCB z wymienną sekcją w celu wydłużenia żywotności i zmniejszenia odpadów.

Często zadawane pytania dotyczące PCB systemu zasilania pojazdów elektrycznych
P: Dlaczego falowniki trakcyjne wymagają grubszej miedzi niż PCB BMS?
Odpowiedź: Inwertery trakcyjne obsługują 300 ‰ 600A, znacznie więcej niż systemy BMS (szczyt 200 ‰ 500A).

P: Jaka jest różnica pomiędzy chwytaniem się i przepuszczalnością w PCB wysokonapięciowych?
Odpowiedź: Kręcenie jest najkrótszą ścieżką między przewodnikami wzdłuż powierzchni PCB; wypróżnienie jest najkrótszą luką powietrzną.Systemy 800V wymagają przesuwania się o napięciu ≥6 mm).

P: W jaki sposób PCB z metalowym rdzeniem poprawiają wydajność falownika elektrycznego?
Odpowiedź: MCPCB wykorzystują metalowe rdzeń (aluminium/miedź) o wysokiej przewodności cieplnej (2 ′′4 W/m·K), rozpraszając ciepło z IGBT/SiC 5 ′′10 razy szybciej niż standardowy FR4, umożliwiając wyższą gęstość mocy.

P: Jakie normy muszą spełniać PCB zasilane elektrycznymi pojazdami?
Odpowiedź: Do najważniejszych norm należą IEC 60664 (izolacja), UL 796 (bezpieczeństwo w przypadku wysokiego napięcia), ISO 26262 (bezpieczeństwo funkcjonalne) oraz IPC-2221 (zasady projektowania).

P: Jak półprzewodniki SiC wpłyną na projekt PCB?
Odpowiedź: Urządzenia SiC przełączają się szybciej (100 kHz +), wymagając PCB o niskiej indukcji z krótkimi śladami i zintegrowanymi prętami.

Wniosek
PCB są nieznanymi bohaterami systemów zasilania pojazdów elektrycznych, umożliwiając bezpieczne i wydajne działanie komponentów wysokiego napięcia.Od grubej warstwy miedzi i rygorystycznych norm izolacyjnych po zaawansowane zarządzanie cieplne i materiały hybrydowe, każdy aspekt ich konstrukcji jest zoptymalizowany dla wyjątkowych wymagań pojazdów elektrycznych.

W miarę jak pojazdy elektryczne będą się przemieszczać w kierunku architektury 800V, półprzewodników SiC i autonomicznej jazdy, wymagania dotyczące PCB będą coraz surowsze.bezpieczeństwo, a koszty będą odgrywać kluczową rolę w przyspieszaniu wdrażania mobilności elektrycznej.

Dla inżynierów i producentów, by pozostać w czołówce oznaczało przyjęcie innowacji, takich jak wbudowane komponenty, chłodzenie płynami i inteligentne czujniki, przy jednoczesnym przestrzeganiu światowych standardów zapewniających niezawodność.Z odpowiednim projektem PCB, następna generacja pojazdów elektrycznych będzie bezpieczniejsza, bardziej wydajna i gotowa do przekształcenia transportu.