Wymagania dotyczące płytek drukowanych w motoryzacyjnych systemach elektronicznych (1) Systemy zasilania i energii

Meta Opis: Odkryj kluczowe wymagania dotyczące projektowania i produkcji PCB dla systemów zasilania i energii w pojazdach elektrycznych (EV), w tym akumulatorów, systemów zarządzania akumulatorami (BMS), ładowarek pokładowych, przetwornic DC-DC i falowników trakcyjnych. Dowiedz się o projektowaniu PCB wysokiego napięcia, zarządzaniu termicznym, grubych płytach miedzianych i standardach izolacji.

IWprowadzenie

Systemy zasilania i energii stanowią rdzeń pojazdów elektrycznych (EV), umożliwiając magazynowanie, konwersję i dystrybucję energii elektrycznej, która napędza działanie pojazdu. Krytyczne komponenty, takie jak akumulatory, systemy zarządzania akumulatorami (BMS), ładowarki pokładowe (OBC), przetwornice DC-DC, falowniki trakcyjne i skrzynki przyłączeniowe wysokiego napięcia, współpracują ze sobą, aby zapewnić wydajny i bezpieczny przepływ energii. Systemy te działają w ekstremalnych warunkach, obsługując wysokie napięcia od 400V do 800V (a nawet do 1200V w zaawansowanych modelach) i duże prądy sięgające setek amperów. W rezultacie, projektowanie i produkcja płytek drukowanych (PCB) dla tych systemów ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodności, bezpieczeństwa i ogólnej wydajności pojazdu. Ten artykuł zagłębia się w specyficzne wymagania PCB, wyzwania techniczne i wschodzące trendy w systemach zasilania i energii w pojazdach elektrycznych.

Przegląd systemów zasilania i energii w pojazdach elektrycznych

Systemy zasilania i energii w pojazdach elektrycznych składają się z kilku połączonych ze sobą modułów, z których każdy ma odmienne funkcje, ale ma wspólne wymagania dotyczące niezawodności, bezpieczeństwa i wydajności cieplnej:

• Akumulator i BMS: Akumulator magazynuje energię elektryczną, podczas gdy BMS monitoruje napięcie ogniw, temperaturę i stan naładowania, równoważąc ogniwa, aby zmaksymalizować wydajność i żywotność.

• Ładowarka pokładowa (OBC): Przekształca prąd przemienny (AC) z sieci w prąd stały (DC) w celu ładowania akumulatora, a wydajność bezpośrednio wpływa na szybkość ładowania.

• Przetwornica DC-DC: Obniża wysokie napięcie z akumulatora (zazwyczaj 400V) do niższych napięć (12V lub 48V) w celu zasilania systemów pomocniczych, takich jak światła, systemy informacyjno-rozrywkowe i czujniki.

• Falownik trakcyjny i sterownik silnika: Przekształca prąd stały (DC) z akumulatora w prąd przemienny (AC) w celu napędzania silnika elektrycznego, proces krytyczny dla przyspieszenia i wydajności pojazdu.

• Skrzynka przyłączeniowa wysokiego napięcia: Bezpiecznie rozprowadza wysokie napięcie w pojeździe, włączając mechanizmy ochronne zapobiegające przeciążeniom lub zwarciom.

• Sterowanie hamowaniem regeneracyjnym: Przechwytuje energię kinetyczną podczas hamowania i przekształca ją z powrotem w energię elektryczną do magazynowania w akumulatorze, zwiększając efektywność energetyczną.

Wymagania dotyczące projektowania PCB dla systemów zasilania i energii

Aby sprostać wymaganiom wysokiego napięcia i wysokiego prądu, płytki PCB w systemach zasilania pojazdów elektrycznych muszą spełniać rygorystyczne kryteria projektowe:

1. Obsługa wysokiego napięcia i wysokiego prądu

Zdolność do zarządzania dużymi prądami bez przegrzewania lub utraty napięcia jest fundamentalna. Wymaga to:

• Grube warstwy miedzi: Grubość miedzi na PCB waha się od 2oz do 6oz (gdzie 1oz odpowiada 35μm), a płyty z rdzeniem metalowym są często używane do komponentów takich jak falowniki trakcyjne w celu zwiększenia zdolności przenoszenia prądu.

• Szerokie ścieżki i zintegrowane szyny zbiorcze: Rozszerzone szerokości ścieżek i wbudowane miedziane szyny zbiorcze minimalizują rezystancję i redukują straty mocy, co jest krytyczne dla ścieżek wysokoprądowych.

2. Standardy izolacji i bezpieczeństwa

Praca przy wysokim napięciu wymaga solidnej izolacji, aby zapobiec łukom elektrycznym i zagrożeniom elektrycznym:

• Odległości pełzania i odstępy: W przypadku linii wysokiego napięcia odległości te wynoszą zazwyczaj ≥4mm–8mm, aby uniknąć przebicia izolacji.

• Zgodność z globalnymi standardami: Płytki PCB muszą spełniać normy IEC 60664 (dla pełzania/odstępów), UL 796 (certyfikacja wysokiego napięcia) i IPC-2221 (ogólne zasady odstępów), jak wyszczególniono w Tabeli 2.

3. Zarządzanie termiczne

Nadmierne ciepło może pogorszyć wydajność i skrócić żywotność komponentów. Strategie zarządzania termicznego obejmują:

• Przelotki termiczne, wbudowana miedź i podłoża metalowe: Funkcje te zwiększają rozpraszanie ciepła z komponentów dużej mocy.

• Laminaty o wysokiej Tg i niskim CTE: Laminaty o temperaturze zeszklenia (Tg) ≥170°C i niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE) są odporne na wypaczenia pod wpływem wahań temperatury.

4. Materiały wielowarstwowe i hybrydowe

Złożone systemy zasilania wymagają zaawansowanych struktur PCB:

• 6–12 warstwowe układy stosu: Powszechne w modułach zasilania w celu oddzielenia warstw zasilania, masy i sygnału, redukując zakłócenia.

• Materiały hybrydowe: Połączenia FR-4 z podłożami wysokiej częstotliwości lub ceramicznymi (np. dla urządzeń falownikowych SiC/GaN) optymalizują wydajność dla określonych komponentów.

Tabela 1: Poziomy napięcia i prądu vs. Grubość miedzi na PCB

Wyzwania produkcyjne

Produkcja płytek PCB dla systemów zasilania pojazdów elektrycznych wiąże się z kilkoma przeszkodami technicznymi:

• Przetwarzanie grubej miedzi: Trawienie warstw miedzi ≥4oz jest podatne na podcięcia, wymagając precyzyjnej kontroli w celu zachowania dokładności ścieżek.

• Izolacja wysokiego napięcia: Zrównoważenie kompaktowej konstrukcji modułu z wymaganymi odległościami pełzania/odstępami jest wyzwaniem, ponieważ miniaturyzacja często koliduje z potrzebami izolacji.

• Laminowanie materiałów hybrydowych: Połączenie materiałów takich jak FR-4 i ceramika lub PTFE wymaga ścisłej kontroli nad ciśnieniem i temperaturą laminowania, aby uniknąć rozwarstwienia.

• Testowanie niezawodności: Płytki PCB muszą przejść rygorystyczne testy cykliczne termiczne, starzenia w wilgotności, wibracji i izolacji wysokiego napięcia, aby zapewnić trwałość w trudnych warunkach motoryzacyjnych.

Tabela 2: Standardy bezpieczeństwa i izolacji PCB

Przyszłe trendy w projektowaniu PCB zasilania EV

Wraz z rozwojem technologii EV, projektowanie PCB ewoluuje, aby sprostać nowym wymaganiom:

• Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej: Urządzenia z węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), znane z wysokiej wydajności i częstotliwości, wymagają struktur PCB o niskiej indukcyjności i niskich stratach, aby zmaksymalizować wydajność.

• Wbudowana elektronika mocy: Płytki PCB z wbudowanymi miedzianymi szynami zbiorczymi zmniejszają rezystancję i rozmiar modułu, poprawiając efektywność energetyczną.

• Zaawansowane rozwiązania termiczne: Podłoża PCB chłodzone cieczą są stosowane w falownikach w celu obsługi wyższych obciążeń cieplnych z półprzewodników nowej generacji.

• Integracja i miniaturyzacja: Zwiększanie integracji funkcji na pojedynczych modułach PCB zmniejsza złożoność systemu i wagę, zwiększając wydajność pojazdu.

Tabela 3: Porównanie materiałów PCB dla systemów zasilania EV

Wnioski

Systemy zasilania i energii w pojazdach elektrycznych stawiają rygorystyczne wymagania dotyczące projektowania i produkcji PCB, od grubych warstw miedzi i izolacji wysokiego napięcia po zaawansowane zarządzanie termiczne i integrację materiałów hybrydowych. Jako podstawa bezpiecznego i wydajnego dostarczania energii, te płytki PCB mają kluczowe znaczenie dla wydajności nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Wraz z przyspieszonym przyjęciem mobilności elektrycznej, zapotrzebowanie na wysokowydajne, certyfikowane pod względem bezpieczeństwa i odporne termicznie płytki PCB będzie tylko rosło. Producenci, którzy opanują te technologie, odegrają kluczową rolę w napędzaniu rewolucji w zakresie mobilności elektrycznej.