Die Anforderungen an Leiterplatten in elektronischen Systemen der Automobilindustrie (1) Energie- und Stromversorgungssysteme

Meta-Beschreibung: Entdecken Sie die wichtigsten Anforderungen an Design und Herstellung von Leiterplatten für EV-Strom- und Energiesysteme, einschließlich Batteriepacks, BMS, On-Board-Ladegeräten, DC-DC-Wandlern und Traktionswechselrichtern. Erfahren Sie mehr über Hochspannungs-Leiterplattendesign, Wärmemanagement, dicke Kupferplatten und Isolationsstandards.

Introduktion

Strom- und Energiesysteme bilden das Herzstück von Elektrofahrzeugen (EVs) und ermöglichen die Speicherung, Umwandlung und Verteilung elektrischer Energie, die den Fahrzeugbetrieb antreibt. Kritische Komponenten wie Batteriepacks, Batteriemanagementsysteme (BMS), On-Board-Ladegeräte (OBC), DC-DC-Wandler, Traktionswechselrichter und Hochspannungs-Anschlusskästen arbeiten Hand in Hand, um einen effizienten und sicheren Energiefluss zu gewährleisten. Diese Systeme arbeiten unter extremen Bedingungen und handhaben hohe Spannungen von 400 V bis 800 V (und bis zu 1200 V in fortschrittlichen Modellen) und hohe Ströme von Hunderten von Ampere. Daher sind das Design und die Herstellung von Leiterplatten (PCBs) für diese Systeme von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Gesamtleistung des Fahrzeugs zu gewährleisten. Dieser Artikel befasst sich mit den spezifischen PCB-Anforderungen, technischen Herausforderungen und neuen Trends in EV-Strom- und Energiesystemen.

Überblick über EV-Strom- und Energiesysteme

EV-Strom- und Energiesysteme bestehen aus mehreren miteinander verbundenen Modulen, die jeweils unterschiedliche Funktionen haben, aber gemeinsame Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit und thermische Effizienz stellen:

• Batteriepack & BMS: Das Batteriepack speichert elektrische Energie, während das BMS Zellspannung, Temperatur und Ladezustand überwacht und die Zellen ausgleicht, um Leistung und Lebensdauer zu maximieren.

• On-Board-Ladegerät (OBC): Wandelt Wechselstrom (AC) aus dem Netz in Gleichstrom (DC) um, um das Batteriepack zu laden, wobei die Effizienz die Ladegeschwindigkeit direkt beeinflusst.

• DC-DC-Wandler: Reduziert die Hochspannung von der Batterie (typischerweise 400 V) auf niedrigere Spannungen (12 V oder 48 V), um Hilfssysteme wie Beleuchtung, Infotainment und Sensoren zu versorgen.

• Traktionswechselrichter & Motorsteuerung: Wandelt DC von der Batterie in Wechselstrom (AC) um, um den Elektromotor anzutreiben, ein Prozess, der für die Fahrzeugbeschleunigung und -effizienz entscheidend ist.

• Hochspannungs-Anschlusskasten: Verteilt die Hochspannung sicher im Fahrzeug und enthält Schutzmechanismen, um Überlastungen oder Kurzschlüsse zu verhindern.

• Rekuperationsbremssteuerung: Erfasst kinetische Energie beim Bremsen und wandelt sie in elektrische Energie um, um sie in der Batterie zu speichern, wodurch die Energieeffizienz verbessert wird.

PCB-Designanforderungen für Strom- und Energiesysteme

Um den Anforderungen des Hochspannungs- und Hochstrombetriebs gerecht zu werden, müssen EV-Stromsystem-Leiterplatten strenge Designkriterien erfüllen:

1. Hochspannungs- und Hochstrombehandlung

Die Fähigkeit, große Ströme ohne Überhitzung oder Spannungsverluste zu bewältigen, ist von grundlegender Bedeutung. Dies erfordert:

• Dicke Kupferschichten: Die Kupferdicke der Leiterplatte reicht von 2oz bis 6oz (wobei 1oz 35μm entspricht), und Metallkernplatten werden oft für Komponenten wie Traktionswechselrichter verwendet, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen.

• Breite Leiterbahnen und integrierte Stromschienen: Erweiterte Leiterbahnbreiten und eingebettete Kupferstromschienen minimieren den Widerstand und reduzieren Leistungsverluste, was für Hochstrompfade entscheidend ist.

2. Isolations- und Sicherheitsstandards

Der Hochspannungsbetrieb erfordert eine robuste Isolierung, um Lichtbögen und elektrische Gefahren zu vermeiden:

• Kriech- und Luftstrecken: Für Hochspannungsleitungen betragen diese Abstände typischerweise ≥4 mm–8 mm, um einen Isolationsdurchschlag zu vermeiden.

• Einhaltung globaler Standards: Leiterplatten müssen IEC 60664 (für Kriech- und Luftstrecken), UL 796 (Hochspannungszertifizierung) und IPC-2221 (allgemeine Abstandsregeln) erfüllen, wie in Tabelle 2 detailliert.

3. Wärmemanagement

Übermäßige Hitze kann die Leistung beeinträchtigen und die Lebensdauer der Komponenten verkürzen. Zu den Wärmemanagementstrategien gehören:

• Thermische Vias, eingebettetes Kupfer und Metallsubstrate: Diese Merkmale verbessern die Wärmeableitung von Hochleistungskomponenten.

• High-Tg- und Low-CTE-Laminate: Laminate mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von ≥170°C und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) widerstehen Verformungen unter Temperaturschwankungen.

4. Mehrschicht- und Hybridmaterialien

Komplexe Stromversorgungssysteme erfordern fortschrittliche Leiterplattenstrukturen:

• 6–12-Lagen-Stack-ups: Üblich in Leistungsmodulen, um Strom-, Masse- und Signalebenen zu trennen und Interferenzen zu reduzieren.

• Hybridmaterialien: Kombinationen aus FR-4 mit Hochfrequenz- oder Keramiksubstraten (z. B. für SiC/GaN-Wechselrichterbauelemente) optimieren die Leistung für bestimmte Komponenten.

Tabelle 1: Spannungs- und Strompegel vs. Leiterplatten-Kupferdicke

Fertigungsherausforderungen

Die Herstellung von Leiterplatten für EV-Stromversorgungssysteme birgt mehrere technische Hürden:

• Verarbeitung von dickem Kupfer: Das Ätzen von Kupferschichten ≥4oz ist anfällig für Unterschneidungen und erfordert eine präzise Steuerung, um die Leiterbahn-Genauigkeit zu erhalten.

• Hochspannungsisolation: Das Ausbalancieren eines kompakten Moduldesigns mit den erforderlichen Kriech- und Luftstrecken ist eine Herausforderung, da Miniaturisierung oft mit Isolationsanforderungen kollidiert.

• Hybridmaterial-Laminierung: Die Kombination von Materialien wie FR-4 und Keramik oder PTFE erfordert eine strenge Kontrolle über Laminierungsdruck und -temperatur, um eine Delamination zu vermeiden.

• Zuverlässigkeitstests: Leiterplatten müssen strenge Temperaturwechsel-, Feuchtigkeitsalterungs-, Vibrations- und Hochspannungsisolationstests durchlaufen, um die Haltbarkeit in rauen Automobilumgebungen zu gewährleisten.

Tabelle 2: PCB-Sicherheits- und Isolationsstandards

Zukünftige Trends im EV-Strom-Leiterplatten-Design

Mit dem Fortschritt der EV-Technologie entwickelt sich das Leiterplattendesign weiter, um neuen Anforderungen gerecht zu werden:

• Wide-Bandgap-Halbleiter: Siliziumkarbid (SiC)- und Galliumnitrid (GaN)-Bauelemente, die für hohe Effizienz und Frequenz bekannt sind, erfordern niederinduktive, verlustarme Leiterplattenstrukturen, um die Leistung zu maximieren.

• Eingebettete Leistungselektronik: Leiterplatten mit eingebetteten Kupferstromschienen reduzieren den Widerstand und die Modulgröße und verbessern die Energieeffizienz.

• Fortschrittliche thermische Lösungen: Flüssigkeitsgekühlte Leiterplattensubstrate werden für Wechselrichter eingesetzt, um höhere Wärmelasten von Halbleitern der nächsten Generation zu bewältigen.

• Integration & Miniaturisierung: Die zunehmende Integration von Funktionen auf einzelnen Leiterplattenmodulen reduziert die Systemkomplexität und das Gewicht und erhöht die Fahrzeugeffizienz.

Tabelle 3: Vergleich der Leiterplattenmaterialien für EV-Stromversorgungssysteme

Fazit

EV-Strom- und Energiesysteme stellen strenge Anforderungen an das Leiterplattendesign und die Herstellung, von dicken Kupferschichten und Hochspannungsisolation bis hin zu fortschrittlichem Wärmemanagement und Hybridmaterialintegration. Als Rückgrat der sicheren und effizienten Energieversorgung sind diese Leiterplatten entscheidend für die Leistung moderner EVs. Mit der beschleunigten Einführung der Elektromobilität wird der Bedarf an hochleistungsfähigen, sicherheitszertifizierten und thermisch robusten Leiterplatten nur noch wachsen. Hersteller, die diese Technologien beherrschen, werden eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Elektromobilitätsrevolution spielen.