De Eisen voor Gedrukte Circuit Boards in Automotive Elektronische Systemen (1) Stroom & Energiesystemen

Meta Beschrijving: Ontdek de belangrijkste PCB-ontwerp- en fabricagevereisten voor EV-stroom- en energiesystemen, inclusief accupacks, BMS, on-board laders, DC-DC converters en tractie-omvormers. Leer meer over hoogspannings-PCB-ontwerp, thermisch beheer, dikke koperen platen en isolatiestandaarden.

Inleiding

Stroom- en energiesystemen vormen de kern van elektrische voertuigen (EV's) en maken de opslag, omzetting en distributie van elektrische energie mogelijk die de werking van het voertuig aandrijft. Kritieke componenten zoals accupacks, batterijbeheersystemen (BMS), on-board laders (OBC), DC-DC converters, tractie-omvormers en hoogspanningsaansluitdozen werken samen om een efficiënte en veilige energiestroom te garanderen. Deze systemen werken onder extreme omstandigheden en verwerken hoge spanningen variërend van 400V tot 800V (en tot 1200V in geavanceerde modellen) en grote stromen die honderden ampères bereiken. Als gevolg hiervan is het ontwerp en de fabricage van printplaten (PCB's) voor deze systemen cruciaal voor het waarborgen van de betrouwbaarheid, veiligheid en algehele prestaties van het voertuig. Dit artikel duikt in de specifieke PCB-vereisten, technische uitdagingen en opkomende trends in EV-stroom- en energiesystemen.

Overzicht van EV-stroom- en energiesystemen

EV-stroom- en energiesystemen bestaan uit verschillende onderling verbonden modules, elk met afzonderlijke functies maar met gemeenschappelijke eisen voor betrouwbaarheid, veiligheid en thermische efficiëntie:

• Accupack & BMS: Het accupack slaat elektrische energie op, terwijl de BMS de celspanning, temperatuur en laadtoestand bewaakt en cellen in evenwicht brengt om de prestaties en levensduur te maximaliseren.

• On-Board Lader (OBC): Zet wisselstroom (AC) van het elektriciteitsnet om in gelijkstroom (DC) om het accupack op te laden, waarbij de efficiëntie direct van invloed is op de laadsnelheid.

• DC-DC Converter: Zet hoogspanningsstroom van de batterij (meestal 400V) om in lagere spanningen (12V of 48V) om hulp-systemen zoals verlichting, infotainment en sensoren van stroom te voorzien.

• Tractie-omvormer & Motorcontroller: Zet DC van de batterij om in wisselstroom (AC) om de elektromotor aan te drijven, een proces dat cruciaal is voor de acceleratie en efficiëntie van het voertuig.

• Hoogspanningsaansluitdoos: Verdeelt veilig hoogspanningsstroom over het voertuig en bevat beschermingsmechanismen om overbelasting of kortsluiting te voorkomen.

• Regeneratief remmen: Vangt kinetische energie op tijdens het remmen en zet deze terug in elektrische energie voor opslag in de batterij, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.

PCB-ontwerpvereisten voor stroom- en energiesystemen

Om te voldoen aan de eisen van hoogspanning, hoogstroomwerking, moeten EV-stroomsysteem-PCB's voldoen aan strenge ontwerpcriteria:

1. Hoogspanning en hoogstroomverwerking

De mogelijkheid om grote stromen te beheren zonder oververhitting of spanningsverlies is essentieel. Dit vereist:

• Dikke koperlagen: De koperdikte van de PCB varieert van 2oz tot 6oz (met 1oz equivalent aan 35μm), en metaalkernplaten worden vaak gebruikt voor componenten zoals tractie-omvormers om de stroomvoerende capaciteit te verbeteren.

• Brede sporen en geïntegreerde busbars: Verbreedde spoorbreedtes en ingebedde koperen busbars minimaliseren de weerstand en verminderen het stroomverlies, cruciaal voor hoogstroompaden.

2. Isolatie- en veiligheidsnormen

Hoogspanningswerking vereist robuuste isolatie om boogvorming en elektrische gevaren te voorkomen:

• Kruip- en afstandsafstanden: Voor hoogspanningslijnen zijn deze afstanden typisch ≥4mm–8mm om isolatiedoorbraak te voorkomen.

• Naleving van wereldwijde normen: PCB's moeten voldoen aan IEC 60664 (voor kruip/afstand), UL 796 (hoogspanningscertificering) en IPC-2221 (algemene afstandsregels), zoals beschreven in tabel 2.

3. Thermisch beheer

Overmatige hitte kan de prestaties aantasten en de levensduur van componenten verkorten. Thermische beheerstrategieën omvatten:

• Thermische vias, ingebed koper en metalen substraten: Deze functies verbeteren de warmteafvoer van hoogvermogencomponenten.

• Hoge Tg- en lage CTE-laminaten: Laminaten met een glasovergangstemperatuur (Tg) van ≥170°C en een lage coëfficiënt van thermische uitzetting (CTE) zijn bestand tegen kromtrekken bij temperatuurschommelingen.

4. Meerlaagse en hybride materialen

Complexe energiesystemen vereisen geavanceerde PCB-structuren:

• 6–12 laags stack-ups: Veelvoorkomend in vermogensmodules om vermogens-, massa- en signaallagen te scheiden, waardoor interferentie wordt verminderd.

• Hybride materialen: Combinaties van FR-4 met hoogfrequente of keramische substraten (bijv. voor SiC/GaN-omvormerapparaten) optimaliseren de prestaties voor specifieke componenten.

Tabel 1: Spanning & Stroomniveaus versus PCB-koperdikte

Fabricage-uitdagingen

Het produceren van PCB's voor EV-energiesystemen omvat verschillende technische hindernissen:

• Verwerking van dik koper: Het etsen van koperlagen ≥4oz is gevoelig voor ondersnijding, wat een precieze controle vereist om de spoornauwkeurigheid te behouden.

• Hoogspanningsisolatie: Het in evenwicht brengen van een compact moduleontwerp met de vereiste kruip- en afstandsafstanden is een uitdaging, aangezien miniaturisatie vaak in conflict komt met isolatiebehoeften.

• Lamineren van hybride materialen: Het combineren van materialen zoals FR-4 en keramiek of PTFE vereist een strakke controle over de lamineerdruk en -temperatuur om delaminatie te voorkomen.

• Betrouwbaarheidstests: PCB's moeten strenge thermische cycli, veroudering door vochtigheid, trillingen en hoogspanningsisolatietests ondergaan om de duurzaamheid in zware automobielomgevingen te garanderen.

Tabel 2: PCB-veiligheids- en isolatienormen

Toekomstige trends in EV-stroom-PCB-ontwerp

Naarmate de EV-technologie vordert, evolueert het PCB-ontwerp om aan nieuwe eisen te voldoen:

• Wide Bandgap Semiconductors: Siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) apparaten, bekend om hun hoge efficiëntie en frequentie, vereisen PCB-structuren met lage inductie en lage verliezen om de prestaties te maximaliseren.

• Embedded Power Electronics: PCB's met ingebedde koperen busbars verminderen de weerstand en de modulegrootte, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.

• Geavanceerde thermische oplossingen: Vloeistofgekoelde PCB-substraten worden gebruikt voor omvormers om hogere warmtebelastingen van de volgende generatie halfgeleiders aan te kunnen.

• Integratie & Miniaturisatie: Het vergroten van de integratie van functies op enkele PCB-modules vermindert de systeemcomplexiteit en het gewicht, waardoor de efficiëntie van het voertuig wordt verbeterd.

Tabel 3: Vergelijking van PCB-materialen voor EV-energiesystemen

Conclusie

EV-stroom- en energiesystemen stellen strenge eisen aan PCB-ontwerp en -fabricage, van dikke koperlagen en hoogspanningsisolatie tot geavanceerd thermisch beheer en hybride materiaalintegratie. Als de ruggengraat van veilige en efficiënte energielevering zijn deze PCB's cruciaal voor de prestaties van moderne EV's. Met de versnelde adoptie van elektrische mobiliteit zal de behoefte aan hoogwaardige, veiligheid gecertificeerde en thermisch robuuste PCB's alleen maar toenemen. Fabrikanten die deze technologieën beheersen, zullen een sleutelrol spelen bij het stimuleren van de elektrische mobiliteitsrevolutie.