Требования к печатным платам в автомобильных электронных системах (1) Системы питания и энергетики

Meta Description: Узнайте об основных требованиях к проектированию и производству печатных плат (PCB) для систем питания и энергии электромобилей (EV), включая аккумуляторные батареи, системы управления батареями (BMS), бортовые зарядные устройства, преобразователи DC-DC и тяговые инверторы. Узнайте о высоковольтном проектировании печатных плат, терморегулировании, толстомедных платах и стандартах изоляции.

ВведениеСистемы питания и энергии служат основой электромобилей (EV), обеспечивая хранение, преобразование и распределение электроэнергии, которая приводит в действие транспортное средство. Критические компоненты, такие как аккумуляторные батареи, системы управления батареями (BMS), бортовые зарядные устройства (OBC), преобразователи DC-DC, тяговые инверторы и высоковольтные распределительные коробки, работают в тандеме, чтобы обеспечить эффективный и безопасный поток энергии. Эти системы работают в экстремальных условиях, обрабатывая высокие напряжения от 400 В до 800 В (и до 1200 В в передовых моделях) и большие токи, достигающие сотен ампер. В результате проектирование и производство печатных плат (PCB) для этих систем имеют решающее значение для обеспечения надежности, безопасности и общей производительности транспортного средства. В этой статье рассматриваются конкретные требования к печатным платам, технические проблемы и новые тенденции в системах питания и энергии электромобилей.

Обзор систем питания и энергии электромобилей

Системы питания и энергии электромобилей состоят из нескольких взаимосвязанных модулей, каждый из которых имеет свои функции, но разделяет общие требования к надежности, безопасности и тепловой эффективности:

• 

Интеграция и миниатюризация: Аккумуляторная батарея хранит электроэнергию, а BMS контролирует напряжение ячеек, температуру и состояние заряда, балансируя ячейки для максимизации производительности и срока службы.• 

Интеграция и миниатюризация230–400 В переменного тока• 

Интеграция и миниатюризация400 В → 12/48 В• 

Интеграция и миниатюризация: Преобразует постоянный ток (DC) от батареи в переменный ток (AC) для привода электродвигателя, процесс, критически важный для ускорения и эффективности транспортного средства.• 

Интеграция и миниатюризация: Безопасно распределяет высокое напряжение по всему транспортному средству, включая защитные механизмы для предотвращения перегрузок или коротких замыканий.• 

Интеграция и миниатюризация: Улавливает кинетическую энергию во время торможения и преобразует ее обратно в электрическую энергию для хранения в батарее, повышая энергоэффективность.Требования к проектированию печатных плат для систем питания и энергии

Чтобы соответствовать требованиям работы с высоким напряжением и высоким током, печатные платы систем питания электромобилей должны соответствовать строгим критериям проектирования:

1. Обработка высокого напряжения и высокого тока

Способность управлять большими токами без перегрева или потери напряжения является основополагающей. Это требует:

• 

Интеграция и миниатюризация: Толщина меди печатной платы варьируется от 2 унций до 6 унций (1 унция эквивалентна 35 мкм), а платы с металлическим сердечником часто используются для таких компонентов, как тяговые инверторы, для увеличения токонесущей способности.• 

Интеграция и миниатюризация: Расширенная ширина дорожек и встроенные медные шины минимизируют сопротивление и снижают потери мощности, что имеет решающее значение для путей высокого тока.2. Стандарты изоляции и безопасности

Работа с высоким напряжением требует надежной изоляции для предотвращения дугового разряда и поражения электрическим током:

• 

Интеграция и миниатюризация: Для высоковольтных линий эти расстояния обычно составляют ≥4 мм–8 мм, чтобы избежать пробоя изоляции.• 

Интеграция и миниатюризация: Печатные платы должны соответствовать IEC 60664 (для утечки/зазора), UL 796 (сертификация высокого напряжения) и IPC-2221 (общие правила расстояния), как подробно описано в таблице 2.3. Терморегулирование

Чрезмерный нагрев может ухудшить производительность и сократить срок службы компонентов. Стратегии терморегулирования включают:

• 

Интеграция и миниатюризация: Эти функции улучшают отвод тепла от мощных компонентов.• 

Интеграция и миниатюризация: Ламинаты с температурой стеклования (Tg) ≥170°C и низким коэффициентом теплового расширения (CTE) устойчивы к деформации при колебаниях температуры.4. Многослойные и гибридные материалы

Сложные системы питания требуют передовых конструкций печатных плат:

• 

Интеграция и миниатюризация: Обычно используются в силовых модулях для разделения слоев питания, заземления и сигналов, уменьшая помехи.• 

Интеграция и миниатюризация: Комбинации FR-4 с высокочастотными или керамическими подложками (например, для инверторных устройств SiC/GaN) оптимизируют производительность для конкретных компонентов.Таблица 1: Уровни напряжения и тока в зависимости от толщины меди печатной платы

Компонент системы EV

Производство печатных плат для систем питания электромобилей связано с несколькими техническими трудностями:

• 

Интеграция и миниатюризация: Травление медных слоев ≥4 унции подвержено подрезу, что требует точного контроля для поддержания точности трассировки.• 

Интеграция и миниатюризация: Балансировка компактной конструкции модуля с требуемыми расстояниями утечки/зазора является сложной задачей, поскольку миниатюризация часто противоречит потребностям изоляции.• 

Интеграция и миниатюризация: Комбинирование таких материалов, как FR-4 и керамика или PTFE, требует жесткого контроля давления и температуры ламинирования, чтобы избежать расслоения.• 

Интеграция и миниатюризация: Печатные платы должны проходить строгие испытания на термоциклирование, старение во влажной среде, вибрацию и высоковольтную изоляцию, чтобы обеспечить долговечность в суровых автомобильных условиях.Таблица 2: Стандарты безопасности и изоляции печатных плат

Стандарт

По мере развития технологий электромобилей проектирование печатных плат развивается для удовлетворения новых потребностей:

• 

Интеграция и миниатюризация: Устройства из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), известные высокой эффективностью и частотой, требуют низкоиндуктивных, малопотерьных конструкций печатных плат для максимальной производительности.• 

Интеграция и миниатюризация: Печатные платы со встроенными медными шинами снижают сопротивление и размер модуля, повышая энергоэффективность.• 

Интеграция и миниатюризация: Подложки печатных плат с жидкостным охлаждением внедряются для инверторов для обработки более высоких тепловых нагрузок от полупроводников следующего поколения.• 

Интеграция и миниатюризация: Увеличение интеграции функций в отдельные модули печатных плат снижает сложность системы и вес, повышая эффективность транспортного средства.Таблица 3: Сравнение материалов печатных плат для систем питания электромобилей

Материал

Системы питания и энергии электромобилей предъявляют строгие требования к проектированию и производству печатных плат, от толстых медных слоев и высоковольтной изоляции до передового терморегулирования и интеграции гибридных материалов. Являясь основой безопасной и эффективной передачи энергии, эти печатные платы имеют решающее значение для производительности современных электромобилей. С ускоряющимся внедрением электрической мобильности потребность в высокопроизводительных, сертифицированных по безопасности и термически надежных печатных платах будет только расти. Производители, освоившие эти технологии, сыграют ключевую роль в продвижении революции электрической мобильности вперед.