Требования к печатным платам в автомобильных электронных системах (2) Системы управления транспортным средством

Meta Description: Узнайте о требованиях к печатным платам (PCB) для систем управления электромобилями, включая VCU, ECU, TCU, ABS/ESC и модули рулевого управления. Изучите проектирование безопасных печатных плат, соответствие ISO 26262, многослойные платы и стратегии проектирования EMI/EMC.

Введение

Системы управления транспортными средствами служат «мозгом и нервами» электромобилей (EV), координируя работу функций вождения и механизмов безопасности. Критические модули, такие как блок управления транспортным средством (VCU), блок управления двигателем (ECU для гибридных моделей), блок управления трансмиссией (TCU), электронный стояночный тормоз (EPB), электроусилитель руля (EPS) и модули управления тормозами (ABS/ESC), работают согласованно, обеспечивая плавную работу, отзывчивость управления и защиту пассажиров. Учитывая их критически важный характер для безопасности, любой сбой в этих системах может напрямую поставить под угрозу безопасность транспортного средства, что делает проектирование и производство печатных плат для систем управления краеугольным камнем надежности электромобилей. В этой статье изложены конкретные требования к печатным платам, производственные проблемы и новые тенденции в системах управления электромобилями.

Обзор систем управления транспортными средствами

Системы управления электромобилями состоят из нескольких специализированных модулей, каждый из которых выполняет отдельные роли в работе транспортного средства:

• VCU (блок управления транспортным средством): Выступает в качестве центрального координатора, управляющего общими операциями транспортного средства, включая распределение крутящего момента, управление энергопотреблением и переключение режимов между режимами вождения.

• ECU (блок управления двигателем, для гибридов): Регулирует взаимодействие между двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями в гибридных электромобилях, оптимизируя топливную эффективность и выходную мощность.

• TCU (блок управления трансмиссией): Точно настраивает переключение передач в гибридных или многоскоростных трансмиссиях электромобилей, обеспечивая плавную подачу мощности и энергоэффективность.

• Модуль EPS (электрический усилитель руля): Обеспечивает точную помощь в рулевом управлении, зависящую от скорости, повышая маневренность и комфорт водителя.

• ABS/ESC (антиблокировочная система/электронная система стабилизации): Предотвращает блокировку колес при торможении и поддерживает устойчивость транспортного средства при внезапных маневрах, что крайне важно для предотвращения аварий.

• Контроллер EPB (электронный стояночный тормоз): Управляет активацией и отпусканием стояночного тормоза, интегрируясь с системами безопасности транспортного средства для повышения безопасности.

Требования к проектированию печатных плат

Чтобы соответствовать строгим требованиям к критически важной для безопасности работе, печатные платы систем управления транспортными средствами должны соответствовать специализированным критериям проектирования:

1. Функциональная безопасность (ISO 26262 ASIL-D)

Функциональная безопасность имеет первостепенное значение, с соответствием ISO 26262, мировому стандарту функциональной безопасности автомобилей. Ключевые стратегии включают:

• Резервированные цепи: Дублирование критических путей для обеспечения непрерывности работы даже в случае сбоя одной цепи.

• Двухкристальный дизайн MCU: Параллельные микроконтроллерные блоки обеспечивают отказоустойчивость с механизмами перекрестной проверки для обнаружения аномалий.

• Отказоустойчивая компоновка: Трассы и компоненты печатной платы расположены таким образом, чтобы свести к минимуму риски единичных отказов, с изоляцией между критическими и некритическими цепями.

2. Электромагнитная совместимость (EMC/EMI)

Системы управления работают в электромагнитных средах, заполненных шумом от двигателей, аккумуляторов и другой электроники. Снижение EMC/EMI включает в себя:

• Выделенные плоскости заземления: Отдельные слои заземления для цифровых, аналоговых и силовых сигналов уменьшают помехи.

• Экранированные слои: Металлическое экранирование вокруг чувствительных сигнальных трасс предотвращает электромагнитное излучение от нарушения работы.

• Строгая целостность сигнала: Маршрутизация с контролируемым импедансом и минимизированная длина трасс сохраняют качество сигнала в высокоскоростных каналах связи.

3. Устойчивость к суровым условиям

Модули управления транспортными средствами выдерживают экстремальные условия, требующие:

• Широкий диапазон рабочих температур: Работа от -40°C до +150°C для работы в моторном отсеке и под днищем.

• Высокая влагостойкость: Защита от конденсации и проникновения влаги, что критически важно для надежности в различных климатических условиях.

• Устойчивость к ударам и вибрации: Конструктивное усиление для выдерживания вибраций, вызванных дорожными условиями, и ударных нагрузок.

4. Многослойная надежность

Сложные функции управления требуют сложных конструкций печатных плат:

• Сборки 4–8 слоев: Оптимизированные конфигурации слоев разделяют пути питания, заземления и сигналов, уменьшая перекрестные помехи.

• Стратегическое заземление: Звездное заземление и разделение плоскости заземления минимизируют распространение шума между чувствительными компонентами.

Таблица 1: Типичные условия эксплуатации блоков управления

Производственные проблемы

Производство печатных плат для систем управления транспортными средствами связано с уникальными техническими трудностями:

• Целостность сигнала против обработки мощности: Интеграция цифровых (сигналы управления), аналоговых (входные сигналы датчиков) и силовых цепей на одной печатной плате требует тщательного разделения, чтобы избежать помех между компонентами высокой мощности и низкого напряжения.

• Вибростойкость: Толстые платы (1,6–2,4 мм) с высоким содержанием стекловолокна необходимы для выдерживания непрерывной вибрации, но это увеличивает сложность производства при сверлении и ламинировании.

• Реализация резервного дизайна: Двухслойные цепи безопасности и параллельное размещение компонентов требуют точного выравнивания во время изготовления, со строгими допусками, чтобы обеспечить идентичную работу обоих резервных путей.

Таблица 2: Структуры слоев печатных плат для модулей управления транспортными средствами

Будущие тенденции

Достижения в области технологий электромобилей стимулируют развитие печатных плат систем управления:

• Блоки управления на основе искусственного интеллекта: Повышенная интеграция вычислительной мощности, с печатными платами, поддерживающими высокопроизводительные процессоры для анализа данных в реальном времени и адаптивных алгоритмов управления.

• Интеграция контроллера домена: Консолидация нескольких ECU/VCU в меньшее количество высокопроизводительных плат снижает сложность проводки, требуя печатных плат с большим количеством слоев (10–12 слоев) и расширенной маршрутизацией сигналов.

• Передовые материалы: Применение ламинатов с высоким Tg (≥180°C) улучшает термическую стабильность, а конформные покрытия повышают устойчивость к влаге и химическим веществам в суровых условиях.

Таблица 3: Требования безопасности ISO 26262 и стратегии печатных плат

Заключение

Системы управления транспортными средствами требуют бескомпромиссной безопасности и надежности от проектирования печатных плат, при этом соответствие ISO 26262 служит основополагающим требованием. Эти печатные платы должны выдерживать экстремальные температуры, вибрации и электромагнитные помехи, сохраняя при этом точную целостность сигнала. По мере развития технологий электромобилей будущие печатные платы систем управления будут отличаться более высокой интеграцией, более интеллектуальными контроллерами домена и передовыми материалами, гарантируя, что они останутся критической основой безопасной и эффективной электрической мобильности.