Wymagania dotyczące płytek drukowanych w systemach elektronicznych w motoryzacji (2) Systemy kontroli pojazdu

Meta Opis: Dowiedz się o wymaganiach PCB dla systemów kontroli pojazdów elektrycznych (EV), w tym VCU, ECU, TCU, ABS/ESC i modułów sterowania. Poznaj krytyczne dla bezpieczeństwa projekty PCB, zgodność z ISO 26262, wielowarstwowe płytki i strategie projektowania EMI/EMC.

Wprowadzenie

Systemy kontroli pojazdów służą jako „mózg i nerwy” pojazdów elektrycznych (EV), koordynując funkcje jazdy i mechanizmy bezpieczeństwa. Krytyczne moduły, takie jak Vehicle Control Unit (VCU), Engine Control Unit (ECU dla modeli hybrydowych), Transmission Control Unit (TCU), Electronic Parking Brake (EPB), Electric Power Steering (EPS) i Brake Control Modules (ABS/ESC) działają razem, aby zapewnić płynną pracę, responsywne prowadzenie i ochronę pasażerów. Biorąc pod uwagę ich krytyczny dla bezpieczeństwa charakter, każda awaria w tych systemach może bezpośrednio zagrozić bezpieczeństwu pojazdu, co sprawia, że projektowanie i produkcja PCB dla systemów kontroli jest kamieniem węgielnym niezawodności EV. Ten artykuł przedstawia szczegółowe wymagania dotyczące PCB, wyzwania produkcyjne i pojawiające się trendy w systemach kontroli pojazdów elektrycznych.

Przegląd systemów kontroli pojazdów

Systemy kontroli EV składają się z wielu wyspecjalizowanych modułów, z których każdy ma odrębną rolę w działaniu pojazdu:

• VCU (Vehicle Control Unit): Działa jako centralny koordynator, zarządzając ogólnymi operacjami pojazdu, w tym dystrybucją momentu obrotowego, zarządzaniem energią i przełączaniem trybów jazdy.

• ECU (Engine Control Unit, dla hybryd): Reguluje synergię między silnikami spalinowymi i silnikami elektrycznymi w hybrydowych pojazdach elektrycznych, optymalizując zużycie paliwa i moc wyjściową.

• TCU (Transmission Control Unit): Precyzyjnie dostraja zmiany biegów w hybrydowych lub wielobiegowych skrzyniach biegów EV, zapewniając płynne dostarczanie mocy i efektywność energetyczną.

• Moduł EPS (Electric Power Steering): Zapewnia precyzyjne wspomaganie kierownicy zależne od prędkości, zwiększając zwrotność i komfort kierowcy.

• ABS/ESC (Anti-lock Braking System/Electronic Stability Control): Zapobiega blokowaniu kół podczas hamowania i utrzymuje stabilność pojazdu podczas nagłych manewrów, co jest kluczowe dla zapobiegania wypadkom.

• Kontroler EPB (Electronic Parking Brake): Zarządza aktywacją i zwalnianiem hamulca postojowego, integrując się z systemami bezpieczeństwa pojazdu w celu zwiększenia bezpieczeństwa.

Wymagania dotyczące projektu PCB

Aby sprostać rygorystycznym wymaganiom krytycznej dla bezpieczeństwa eksploatacji, płytki PCB systemów kontroli pojazdów muszą spełniać specjalistyczne kryteria projektowe:

1. Bezpieczeństwo funkcjonalne (ISO 26262 ASIL-D)

Bezpieczeństwo funkcjonalne jest najważniejsze, z zgodnością z ISO 26262, globalnym standardem dla bezpieczeństwa funkcjonalnego w motoryzacji. Kluczowe strategie obejmują:

• Obwody redundantne: Powielanie krytycznych ścieżek w celu zapewnienia ciągłości działania nawet w przypadku awarii jednego obwodu.

• Podwójny projekt MCU: Równoległe jednostki mikrokontrolerów zapewniają zabezpieczenia przed awariami, z mechanizmami wzajemnej kontroli w celu wykrywania anomalii.

• Układ odporny na uszkodzenia: Ścieżki i komponenty PCB są rozmieszczone tak, aby zminimalizować ryzyko pojedynczej awarii, z izolacją między obwodami krytycznymi i niekrytycznymi.

2. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC/EMI)

Systemy kontroli działają w środowiskach elektromagnetycznych wypełnionych szumem z silników, akumulatorów i innej elektroniki. Redukcja EMC/EMI obejmuje:

• Dedykowane płaszczyzny uziemienia: Oddzielne warstwy uziemienia dla sygnałów cyfrowych, analogowych i zasilania zmniejszają zakłócenia.

• Warstwy ekranowane: Metalowe ekranowanie wokół wrażliwych ścieżek sygnałowych zapobiega zakłóceniom działania przez promieniowanie elektromagnetyczne.

• Ścisła integralność sygnału: Kontrolowane prowadzenie impedancji i zminimalizowane długości ścieżek zachowują jakość sygnału w szybkich ścieżkach komunikacyjnych.

3. Odporność na trudne warunki środowiskowe

Moduły kontroli pojazdów wytrzymują ekstremalne warunki, wymagając:

• Szeroka tolerancja temperaturowa: Praca od -40°C do +150°C, aby wytrzymać środowisko komory silnika i podwozia.

• Wysoka odporność na wilgotność: Ochrona przed kondensacją i wnikaniem wilgoci, krytyczna dla niezawodności w różnych klimatach.

• Odporność na wstrząsy i wibracje: Wzmocnienie strukturalne, aby przetrwać wibracje wywołane przez drogę i obciążenia udarowe.

4. Niezawodność wielowarstwowa

Złożone funkcje kontrolne wymagają zaawansowanych struktur PCB:

• 4–8 warstwowych stosów: Zoptymalizowane konfiguracje warstw oddzielają ścieżki zasilania, uziemienia i sygnału, redukując przesłuch.

• Strategiczne uziemienie: Uziemienie gwiazdowe i podział płaszczyzny uziemienia minimalizują propagację szumów między wrażliwymi komponentami.

Tabela 1: Typowe warunki pracy jednostek sterujących

Wyzwania produkcyjne

Produkcja PCB dla systemów kontroli pojazdów wiąże się z unikalnymi przeszkodami technicznymi:

• Integralność sygnału vs. obsługa mocy: Integracja obwodów cyfrowych (sygnały sterujące), analogowych (wejścia czujników) i zasilania na jednej płytce PCB wymaga starannego podziału, aby uniknąć zakłóceń między komponentami dużej mocy i niskiego napięcia.

• Odporność na wibracje: Grube płytki (1,6–2,4 mm) o wysokiej zawartości włókna szklanego są niezbędne do wytrzymania ciągłych wibracji, ale zwiększa to złożoność produkcji podczas wiercenia i laminowania.

• Wdrożenie redundantnego projektu: Dwuwarstwowe obwody bezpieczeństwa i równoległe rozmieszczenie komponentów wymagają precyzyjnego wyrównania podczas produkcji, ze ścisłymi tolerancjami, aby zapewnić identyczne działanie obu redundantnych ścieżek.

Tabela 2: Struktury warstw PCB dla modułów kontroli pojazdów

Przyszłe trendy

Postępy w technologii EV napędzają ewolucję w PCB systemów kontroli:

• Jednostki sterujące oparte na sztucznej inteligencji: Zwiększona integracja mocy obliczeniowej, z PCB obsługującymi procesory o wysokiej wydajności do analizy danych w czasie rzeczywistym i adaptacyjnych algorytmów sterowania.

• Integracja kontrolera domeny: Konsolidacja wielu ECU/VCU w mniejszą liczbę płyt o wysokiej wydajności zmniejsza złożoność okablowania, wymagając PCB o większej liczbie warstw (10–12 warstw) i zaawansowanym routingu sygnałów.

• Zaawansowane materiały: Zastosowanie laminatów o wysokiej Tg (≥180°C) poprawia stabilność termiczną, a powłoki konformalne zwiększają odporność na wilgoć i chemikalia w trudnych warunkach.

Tabela 3: Wymagania bezpieczeństwa ISO 26262 vs. strategie PCB

Wnioski

Systemy kontroli pojazdów wymagają bezkompromisowego bezpieczeństwa i niezawodności od projektu PCB, a zgodność z ISO 26262 stanowi podstawowe wymaganie. Te PCB muszą wytrzymać ekstremalne temperatury, wibracje i zakłócenia elektromagnetyczne, zachowując jednocześnie precyzyjną integralność sygnału. Wraz z postępem technologii EV, przyszłe PCB systemów kontroli będą charakteryzować się wyższą integracją, inteligentniejszymi kontrolerami domen i zaawansowanymi materiałami, zapewniając, że pozostaną krytycznym kręgosłupem bezpiecznej i wydajnej mobilności elektrycznej.