Die Anforderungen an Leiterplatten in elektronischen Systemen der Automobilindustrie (2) Fahrzeugsteuerungssysteme

Meta-Beschreibung: Erfahren Sie mehr über die PCB-Anforderungen für EV-Fahrzeugsteuerungssysteme, einschließlich VCU, ECU, TCU, ABS/ESC und Lenkmodule. Entdecken Sie sicherheitskritisches PCB-Design, ISO 26262-Konformität, Multilayer-Boards und EMI/EMV-Designstrategien.

Einleitung

Fahrzeugsteuerungssysteme dienen als das „Gehirn und die Nerven“ von Elektrofahrzeugen (EVs) und koordinieren die Steuerung von Fahrfunktionen und Sicherheitsmechanismen. Kritische Module wie die Vehicle Control Unit (VCU), die Engine Control Unit (ECU für Hybridmodelle), die Transmission Control Unit (TCU), die elektronische Parkbremse (EPB), die elektrische Servolenkung (EPS) und die Bremssteuerungsmodule (ABS/ESC) arbeiten zusammen, um einen reibungslosen Betrieb, ein reaktionsschnelles Handling und den Schutz der Fahrgäste zu gewährleisten. Angesichts ihrer sicherheitskritischen Natur könnte ein Ausfall dieser Systeme die Fahrzeugsicherheit direkt gefährden, was das PCB-Design und die Herstellung für Steuerungssysteme zu einem Eckpfeiler der EV-Zuverlässigkeit macht. Dieser Artikel skizziert die spezifischen PCB-Anforderungen, die Herausforderungen in der Herstellung und die neuen Trends in EV-Fahrzeugsteuerungssystemen.

Überblick über Fahrzeugsteuerungssysteme

EV-Steuerungssysteme umfassen mehrere spezialisierte Module, jedes mit unterschiedlichen Rollen im Fahrzeugbetrieb:

• VCU (Vehicle Control Unit): Fungiert als zentrale Koordinationsstelle und verwaltet den gesamten Fahrzeugbetrieb, einschließlich Drehmomentverteilung, Energiemanagement und Modusumschaltung zwischen den Fahrmodi.

• ECU (Engine Control Unit, für Hybride): Regelt die Synergie zwischen Verbrennungsmotoren und Elektromotoren in Hybrid-EVs und optimiert so die Kraftstoffeffizienz und die Leistung.

• TCU (Transmission Control Unit): Feinabstimmung der Gangwechsel in Hybrid- oder Mehrgang-EV-Getrieben, um eine reibungslose Leistungsentfaltung und Energieeffizienz zu gewährleisten.

• EPS (Electric Power Steering) Modul: Bietet präzise, geschwindigkeitsabhängige Lenkunterstützung und verbessert so die Manövrierfähigkeit und den Fahrkomfort.

• ABS/ESC (Anti-Blockier-System/Elektronische Stabilitätskontrolle): Verhindert das Blockieren der Räder beim Bremsen und erhält die Fahrzeugstabilität bei plötzlichen Manövern, was für die Unfallverhütung entscheidend ist.

• EPB (Electronic Parking Brake) Controller: Verwaltet die Aktivierung und Freigabe der Parkbremse und integriert sich in die Fahrzeugsicherheitssysteme, um die Sicherheit zu erhöhen.

PCB-Designanforderungen

Um den strengen Anforderungen des sicherheitskritischen Betriebs gerecht zu werden, müssen Leiterplatten für Fahrzeugsteuerungssysteme spezielle Designkriterien erfüllen:

1. Funktionale Sicherheit (ISO 26262 ASIL-D)

Funktionale Sicherheit ist von größter Bedeutung, mit der Einhaltung von ISO 26262, dem globalen Standard für funktionale Sicherheit in der Automobilindustrie. Zu den wichtigsten Strategien gehören:

• Redundante Schaltungen: Duplizieren kritischer Pfade, um sicherzustellen, dass der Betrieb auch bei Ausfall einer Schaltung fortgesetzt wird.

• Dual-MCU-Design: Parallele Mikrocontroller-Einheiten bieten Ausfallsicherheiten mit Cross-Checking-Mechanismen zur Erkennung von Anomalien.

• Fehlertolerantes Layout: Leiterbahn und Komponenten werden so angeordnet, dass das Risiko von Einzelpunktfehlern minimiert wird, mit Isolierung zwischen kritischen und nicht kritischen Schaltungen.

2. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV/EMI)

Steuerungssysteme arbeiten in elektromagnetischen Umgebungen, die mit Störungen von Motoren, Batterien und anderer Elektronik gefüllt sind. Die EMV/EMI-Minderung beinhaltet:

• Dedizierte Masseebenen: Separate Masseschichten für digitale, analoge und Leistungssignale reduzieren Interferenzen.

• Abgeschirmte Schichten: Metallabschirmung um empfindliche Signalpfade verhindert, dass elektromagnetische Strahlung den Betrieb stört.

• Strenge Signalintegrität: Gesteuerte Impedanzführung und minimierte Leiterbahnlängen erhalten die Signalqualität in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationspfaden.

3. Beständigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen

Fahrzeugsteuermodule halten extremen Bedingungen stand und erfordern:

• Breite Temperaturtoleranz: Betrieb von -40°C bis +150°C, um Motorraum- und Unterbodenumgebungen standzuhalten.

• Hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit: Schutz vor Kondensation und Feuchtigkeitseintritt, entscheidend für die Zuverlässigkeit in verschiedenen Klimazonen.

• Schock- und Vibrationsbeständigkeit: Strukturelle Verstärkung, um straßenbedingten Vibrationen und Stoßbelastungen standzuhalten.

4. Multilayer-Zuverlässigkeit

Komplexe Steuerungsfunktionen erfordern anspruchsvolle PCB-Strukturen:

• 4–8-Lagen-Stackups: Optimierte Lagenkonfigurationen trennen Strom-, Masse- und Signalpfade und reduzieren Übersprechen.

• Strategische Erdung: Sternförmige Erdung und Masseebenenaufteilung minimieren die Störungsfortpflanzung zwischen empfindlichen Komponenten.

Tabelle 1: Typische Betriebsbedingungen für Steuereinheiten

Herausforderungen in der Herstellung

Die Herstellung von Leiterplatten für Fahrzeugsteuerungssysteme birgt einzigartige technische Hürden:

• Signalintegrität vs. Leistungshandling: Die Integration von digitalen (Steuersignale), analogen (Sensoreingänge) und Leistungsschaltungen auf einer einzigen Leiterplatte erfordert eine sorgfältige Aufteilung, um Interferenzen zwischen Hochleistungs- und Niederspannungskomponenten zu vermeiden.

• Vibrationsbeständigkeit: Dicke Platinen (1,6–2,4 mm) mit hohem Glasfaseranteil sind erforderlich, um kontinuierlichen Vibrationen standzuhalten, was jedoch die Herstellungskomplexität beim Bohren und Laminieren erhöht.

• Redundante Designimplementierung: Doppellagige Sicherheitsschaltungen und parallele Komponentenplatzierung erfordern eine präzise Ausrichtung während der Herstellung mit strengen Toleranzen, um sicherzustellen, dass beide redundanten Pfade identisch funktionieren.

Tabelle 2: PCB-Schichtstrukturen für Fahrzeugsteuermodule

Zukünftige Trends

Fortschritte in der EV-Technologie treiben die Entwicklung von Leiterplatten für Steuerungssysteme voran:

• KI-gesteuerte Steuereinheiten: Erhöhte Rechenleistungsintegration, wobei Leiterplatten Hochleistungsprozessoren für Echtzeit-Datenanalyse und adaptive Steuerungsalgorithmen unterstützen.

• Domain-Controller-Integration: Die Konsolidierung mehrerer ECUs/VCUs in weniger Hochleistungsplatinen reduziert die Verdrahtungskomplexität und erfordert Leiterplatten mit höheren Lagenzahlen (10–12 Lagen) und fortschrittlichem Signalrouting.

• Erweiterte Materialien: Die Einführung von Hoch-Tg-Laminaten (≥180°C) verbessert die thermische Stabilität, während Konformalbeschichtungen die Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit in rauen Umgebungen verbessern.

Tabelle 3: ISO 26262 Sicherheitsanforderungen vs. PCB-Strategien

Schlussfolgerung

Fahrzeugsteuerungssysteme erfordern kompromisslose Sicherheit und Zuverlässigkeit vom PCB-Design, wobei die Einhaltung von ISO 26262 als grundlegende Anforderung dient. Diese Leiterplatten müssen extremen Temperaturen, Vibrationen und elektromagnetischen Interferenzen standhalten und gleichzeitig eine präzise Signalintegrität aufrechterhalten. Mit dem Fortschritt der EV-Technologie werden zukünftige Leiterplatten für Steuerungssysteme eine höhere Integration, intelligentere Domain-Controller und fortschrittliche Materialien aufweisen, um sicherzustellen, dass sie das kritische Rückgrat der sicheren und effizienten Elektromobilität bleiben.