Leiterplattenanforderungen für Automotive-Elektroniksysteme: Energie- und Stromversorgungssysteme in Elektrofahrzeugen

Meta-Beschreibung: Erforschen Sie die kritischen PCB-Entwurfs- und Fertigungsanforderungen für Stromversorgungssysteme für Elektrofahrzeuge (EV), einschließlich Hochspannungsbehandlung, thermisches Management,und die Einhaltung der AutomobilstandardsErfahren Sie, wie dicke Kupfer-PCBs, Isolationsprotokolle und fortschrittliche Materialien eine zuverlässige EV-Leistung ermöglichen.

Einleitung
Die Leistungs- und Energiesysteme von Elektrofahrzeugen (EVs) bilden das Rückgrat ihrer Leistung, Sicherheit und Effizienz.Bordladegeräte (OBC), Gleichspannungsumrichter, Traktionsumrichter und Hochspannungsschnittboxen arbeiten unter extremen Bedingungen: Spannungen zwischen 400V und 800V (und bis zu 1,600V).200 V bei Modellen der nächsten Generation) und Ströme von mehr als 500 ADamit diese Systeme zuverlässig funktionieren können, müssen die ihnen zugrunde liegenden Leiterplatten (PCBs) strengen Design-, Material- und Herstellungsstandards entsprechen.

In diesem Leitfaden werden die speziellen Anforderungen an PCB in Elektrofahrzeug-Stromversorgungssystemen aufgeschlüsselt.von der Handhabung von Hochspannungen und Strömen bis hin zur Gewährleistung der thermischen Stabilität und der Einhaltung der weltweiten SicherheitsstandardsWir werden auch Herausforderungen in der Fertigung und neue Trends untersuchen, wie z.B. die Umstellung auf Breitband-Halbleiter und fortschrittliche Kühllösungen.die die Zukunft des PCB-Designs für Automobile formen.

Schlüsselkomponenten von Elektrofahrzeug-Strom- und Energiesystemen
EV-Stromversorgungssysteme beruhen auf miteinander verbundenen Modulen, von denen jedes einzigartige PCB-Anforderungen hat.

1.Battery Pack & BMS: Das Batteriepaket speichert Energie, während das BMS die Zellspannung, Temperatur und Ladungsbilanz reguliert.PCBs müssen hier Niederspannungssensoren (für Zellüberwachung) und Hochstromwege (für Lade/Entlade) unterstützen.
2.On-Board-Ladegerät (OBC): Konvertiert Strom aus dem AC-Netz in Gleichstrom für das Laden von Batterien. PCBs in OBCs benötigen ein effizientes thermisches Management, um Umwandlungsverluste zu bewältigen.
3.DC-DC-Wandler: Steigt von hoher Spannung (400V) auf niedrige Spannung (12V/48V) für Hilfssysteme (Leuchten, Infotainment). PCBs müssen hohe und niedrige Spannungen isolieren, um Störungen zu vermeiden.
4.Traktionsumrichter: Konvertiert Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom für den Elektromotor. Dies ist die anspruchsvollste Komponente, die PCBs benötigt, die 300 ∼ 600 A verarbeiten und extremer Hitze standhalten.
5.Hochspannungsknotenbox: Verteilt Strom über das Fahrzeug, mit PCBs, die durch robuste Isolierung Arcing und Kurzschlüsse verhindern sollen.
6.Regeneratives Bremssystem: Erfängt kinetische Energie während der Bremse. PCBs hier benötigen einen geringen Widerstand, um die Effizienz der Energiewiederherstellung zu maximieren.

Kritische PCB-Konstruktionsanforderungen für Elektrofahrzeuge
Die PCBs für Elektrofahrzeuge stehen aufgrund hoher Spannungen, großer Ströme und rauer Betriebsumgebungen vor einzigartigen Herausforderungen.

1. Hochspannungs- und Stromkapazität
Elektrische Stromversorgungssysteme benötigen PCBs, die 400V ≈ 800V und Ströme bis zu 600A ohne Überhitzung oder Spannungsrückgang verwalten können.

a. Dicke Kupferschichten: Die Kupferdicke reicht von 2oz bis 6oz (1oz = 35μm), um den Widerstand zu reduzieren.häufig 4 ̊6oz Kupfer- oder Metall-Kern-PCBs (MCPCBs) für eine verbesserte Leitfähigkeit verwenden.
b.Weite Spuren und Busbars: Erweiterte Spurenbreiten (≥ 5 mm bei 300A) und eingebettete Kupferbusbars minimieren den Stromverlust.Eine 4oz Kupferspur mit einer Breite von 10 mm kann 300A bei 80°C tragen, ohne die sicheren Temperaturgrenzen zu überschreiten..
c.Low-Induktivitäts-Layouts: Hochfrequenzschaltungen in Wechselrichtern (insbesondere bei SiC/GaN-Halbleitern) erzeugen Lärm. PCBs verwenden kurze, direkte Spuren und Bodenflächen, um die Induktivität zu reduzieren,Verhinderung von Spitzenspannungen.

2. Isolierung und Sicherheitskonformität
Hohe Spannungen verursachen Risiken von Bogen, Kurzschluss und elektrischen Schocks.

a.Kriechgebiet und -freiheit: Dies sind die Mindestabstände zwischen leitfähigen Bahnen, die erforderlich sind, um einen Bogen zu verhindern. Bei 400-Volt-Systemen beträgt der Kriechgebiet (Abstand entlang der Oberfläche) ≥ 4 mm,und die Freiheit (Luftlücke) ≥3 mmBei 800V-Systemen erhöhen sich diese Abstände auf ≥6 mm (Kriechleistung) und ≥5 mm (Abstand) (nach IEC 60664).
b.Dämmstoffe: Substrate mit hoher dielektrischer Festigkeit (≥ 20 kV/mm) werden verwendet, z. B. hoch-Tg-FR4 (≥ 170°C) oder keramische Verbundstoffe.zu den Kühlflüssigkeiten) eine Sekundarschutzschicht hinzufügen.
c.Konformität mit globalen Normen: PCB müssen spezifische Zertifizierungen für die Automobilindustrie erfüllen, einschließlich:

3. Wärmewirtschaft
Wärme ist der Hauptfeind von Elektroantriebssystemen. Hohe Ströme und Schaltverluste erzeugen erhebliche Wärme, die Komponenten abbauen und die Effizienz reduzieren kann.Die PCB-Konstruktion muss der Wärmeablösung Vorrang einräumen.:

a. Thermische Durchläufe und Kupferflächen: Arrays von mit Kupfer gefüllten Durchläufen (0,3 ∼ 0,5 mm Durchmesser) übertragen Wärme von heißen Bauteilen (z. B. MOSFETs, IGBTs) auf innere oder äußere Kupferflächen.Ein 10x10-Gitter mit thermischen Durchgängen kann die Komponententemperatur um 20°C senken.
b.Metall-Core-PCBs (MCPCBs): Traktionsumrichter verwenden häufig MCPCBs, bei denen ein Aluminium- oder Kupferkern eine Wärmeleitfähigkeit (2 ¢ 4 W/m·K) bietet, die den Standard FR4 (0,25 W/m·K) weit übersteigt.
c.Materialien mit hohem Tg- und niedrigem CTE-Wert: Laminate mit Glasübergangstemperaturen (Tg) ≥ 170°C widerstehen der Erweichung durch Hitze, während Materialien mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizient (CTE) (z. B.mit Keramik gefüllte FR4) verringern die Verformung während des thermischen Kreislaufs (-40 °C bis 125 °C).

4. Mehrschichtliche und hybride Konstruktionen
EV-Stromversorgungssysteme benötigen komplexe PCBs, um Strom-, Erdungs- und Signallagen zu trennen, wodurch Störungen reduziert werden:

a.Schicht-Stack-Ups: 6 ′′ 12 Schicht-Designs sind üblich, mit dedizierten Leistungsebene (2 ′′ 4 oz Kupfer) und Boden-Ebenen zur Stabilisierung von Spannungen.Signal → Boden → Energie → Energie → Boden → Signal.
b.Hybridmaterialien: Die Kombination von FR4 mit Hochleistungssubstraten optimiert Kosten und Leistung.Ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler könnte FR4 für Stromschichten und Rogers RO4350B (Tangenz mit niedrigem Verlust) für Hochfrequenzsignalwege verwenden, die EMI reduziert.
c. Eingebettete Komponenten: Passive Komponenten (Widerstände, Kondensatoren) sind in PCB-Schichten eingebettet, um Platz zu sparen und parasitäre Induktivität zu reduzieren, was für kompakte Designs wie BMS-Module von entscheidender Bedeutung ist.

Herausforderungen bei der Herstellung von PCB für Elektrofahrzeuge
Die Produktion von PCBs für Elektrofahrzeuge ist technisch anspruchsvoll und birgt mehrere wesentliche Herausforderungen:

1. Verarbeitung dickem Kupfer
Kupferschichten ≥4oz (140μm) sind anfällig für Ätzungsinkonsistenzen, wie z. B. Unterschneiden (wo der Ätzer überschüssiges Kupfer von Spurenseiten entfernt). Dies reduziert die Spurengenauigkeit und kann zu Kurzschlägen führen.Die Lösungen sind:

a.Kontrolliertes Ätzen: Bei Verwendung von Säure-Kupfersulfat bei präziser Temperatur (45-50°C) und Sprühdruck wird die Ätzgeschwindigkeit verlangsamt, wobei die Toleranz für die Spurenbreite innerhalb von ± 10% beibehalten wird.
b. Optimierung des Plattierens: Das Puls-Gasplattieren gewährleistet eine gleichmäßige Kupferdeposition, die für 6oz-Schichten in Traktionsumrichtern von entscheidender Bedeutung ist.

2- Ausgleich von Miniaturisierung und Isolierung
Elektrofahrzeuge benötigen kompakte Leistungsmodule, aber hohe Spannungen erfordern große Schleifflächen, was zu einem Konstruktionskonflikt führt.

a.3D-PCB-Designs: Vertikale Integration (z. B. gestapelte PCBs, die durch blinde Durchgänge miteinander verbunden sind) reduziert den Fußabdruck, während die Isolationsdistanzen beibehalten werden.
b.Dämmungsbarrieren: Durch die Integration von dielektrischen Abstandsstellen (z. B. Polyimidfolien) zwischen Hochspannungsspuren kann ein engerer Abstand ohne Beeinträchtigung der Sicherheit erreicht werden.

3. Hybride Materiallaminierung
Die Bindung unterschiedlicher Materialien (z. B. FR4 und Keramik) während der Lamierung verursacht häufig eine Delamination aufgrund fehlerhafter CTE.

a.Graded Lamination: Verwendung von Zwischenmaterialien mit CTE-Werten zwischen den beiden Substraten (z. B. Präpregs mit Glasfasern) zur Verringerung der Belastung.
b.Kontrollierte Druck-/Temperaturzyklen: Rampenraten von 2 °C/min und Haltedruck von 300-400 psi gewährleisten eine ordnungsgemäße Haftung ohne Verformung.

4- Strenge Tests
EV-PCB müssen extreme Zuverlässigkeitsprüfungen bestehen, um die Leistung in rauen Umgebungen zu gewährleisten:

a.Thermisches Radfahren: mehr als 1000 Zyklen zwischen -40°C und 125°C zur Simulation saisonaler Temperaturänderungen.
b.Vibrationsprüfung: Sinusvibrationen von 20 ‰ 2.000 Hz (nach ISO 16750) zur Nachahmung von Straßenverhältnissen.
c. Hochspannungsdielektrische Prüfung: 100%ige Prüfung bei 2-facher Betriebsspannung (z. B. 1,600 V für 800 V-Systeme) zur Erkennung von Isolationsfehlern.

Zukunftstrends bei der Konstruktion von PCBs für Elektrofahrzeuge
Mit fortschreitender EV-Technologie entwickelt sich das PCB-Design, um neuen Anforderungen gerecht zu werden, angetrieben von Effizienz, Miniaturisierung und Halbleitern der nächsten Generation:

1- Halbleiter mit breiter Bandbreite (WBG)
Einrichtungen mit Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) arbeiten bei höheren Frequenzen (100kHz+) und Temperaturen (150°C+) als herkömmliches Silizium und erfordern PCB mit:

a.Niedrige Induktivität: Kurze, direkte Spuren und integrierte Busbars zur Minimierung von Spannungsspitzen während des Schaltens.
b.Verstärkte thermische Wege: MCPCBs oder flüssiggekühlte Substrate (z. B. an PCB-Hinterseiten gebundene Kaltplatten) zur Bewältigung von Wärmebelastungen von 200 W/cm2.

2. Eingebettete Leistungselektronik
Die Integration von Leistungskomponenten (z. B. Kondensatoren, Sicherungen) direkt in PCB-Schichten reduziert die Modulgröße um 30% und verbessert die Zuverlässigkeit.

a.Eingebettete Busbars: Dicke Kupferbusbars (6 oz), die zwischen Schichten eingebettet sind, beseitigen Drahtbänder und reduzieren den Widerstand um 50%.
b.3D-Druck von Leitern: Additive Fertigungstechniken legen Kupferspuren mit komplexen Geometrien ab und optimieren den Stromfluss.

3. Intelligente Leiterplatten mit Sensoren
Zukünftige PCBs werden integrierte Sensoren zur Überwachung von

a.Temperatur: Echtzeit-Wärmeabbildung zur Vermeidung von Hotspots.
b. Spannung/Strom: Inline-Strom-Sensoren (z. B. Hall-Effekt) zum Schutz vor Überstrom.
c. Isolationsbeständigkeit: Kontinuierliche Überwachung zur Erkennung des Abfalls, bevor Störungen auftreten.

4. Nachhaltigkeit und Kreislaufgestaltung
Die Automobilhersteller drängen auf umweltfreundliche PCBs.

a.Recycelbare Materialien: bleifreies Lötwerk, halogenfreie Laminate und recycelbares Kupfer.
b.Moduläres Design: PCB mit austauschbaren Abschnitten, um die Lebensdauer zu verlängern und Abfälle zu reduzieren.

Häufige Fragen zu PCBs für Elektrofahrzeuge
F: Warum benötigen Traktionsumrichter dickeres Kupfer als BMS-PCB?
A: Traktionsumrichter verarbeiten 300 ‰ 600 A, weit mehr als BMS-Systeme (200 ‰ 500 A Spitze).

F: Was ist der Unterschied zwischen Kriechen und Freiheit bei Hochspannungsklebern?
A: Die Schleichbahn ist der kürzeste Weg zwischen Leitern entlang der Leiterplattenoberfläche; die Freiheit ist die kürzeste Luftlücke. Beide verhindern Bogen, wobei die Werte mit der Spannung steigen (z. B.800-Volt-Systeme benötigen einen Schleichraum von ≥ 6 mm).

F: Wie verbessern PCBs mit Metallkern die Leistung von EV-Wechselrichtern?
A: MCPCBs verwenden einen Metallkern (Aluminium/Kupfer) mit hoher Wärmeleitfähigkeit (24 W/m·K), wodurch die Wärme von IGBTs/SiCs 5×10 mal schneller als bei Standard-FR4 abgeführt wird, was eine höhere Leistungsdichte ermöglicht.

F: Welche Standards müssen die PCBs für Elektrofahrzeuge erfüllen?
A: Zu den wichtigsten Normen gehören IEC 60664 (Isolation), UL 796 (Hochspannungssicherheit), ISO 26262 (Funktionssicherheit) und IPC-2221 (Konstruktionsregeln).

F: Wie werden SiC-Halbleiter das PCB-Design beeinflussen?
A: SiC-Geräte schalten schneller (100 kHz +) und erfordern PCBs mit geringer Induktivität mit kurzen Spuren und integrierten Busbars. Sie arbeiten auch bei höheren Temperaturen und steigern die Nachfrage nach flüssiggekühlten Substraten.

Schlussfolgerung
PCBs sind die unbekannten Helden von Elektrofahrzeugen, die den sicheren und effizienten Betrieb von Hochspannungskomponenten ermöglichen.Von dicken Kupferschichten und strengen Isolationsstandards bis hin zu fortschrittlichem Wärmemanagement und hybriden Materialien, ist jeder Aspekt ihrer Konstruktion für die einzigartigen Anforderungen von Elektrofahrzeugen optimiert.

Da Elektrofahrzeuge auf 800-Volt-Architekturen, SiC-Halbleiter und autonomes Fahren zugehen, werden die PCB-Anforderungen nur noch strenger.Sicherheit, und Kosten werden eine zentrale Rolle bei der Beschleunigung der Einführung der Elektromobilität spielen.

Für Ingenieure und Hersteller bedeutet das, Innovationen wie eingebettete Komponenten, Flüssigkeitskühlung und intelligente Sensorik zu nutzen und gleichzeitig globale Standards einzuhalten, die die Zuverlässigkeit gewährleisten.Mit dem richtigen PCB-Design, wird die nächste Generation von Elektrofahrzeugen sicherer, effizienter und bereit sein, den Verkehr zu verändern.