De Eisen voor Gedrukte Circuitkaarten in Automotive Elektronische Systemen (2) Voertuigbesturingssystemen

Meta Beschrijving: Leer de PCB-vereisten voor EV-voertuigcontrolesystemen, waaronder VCU, ECU, TCU, ABS/ESC en stuurmodules. Ontdek veiligheidskritisch PCB-ontwerp, ISO 26262-conformiteit, meerlaagse boards en EMI/EMC-ontwerpstrategieën.

Inleiding

Voertuigcontrolesystemen dienen als het “brein en de zenuwen” van elektrische voertuigen (EV's) en orkestreren de coördinatie van rijfuncties en veiligheidsmechanismen. Kritieke modules zoals de Vehicle Control Unit (VCU), Engine Control Unit (ECU voor hybride modellen), Transmission Control Unit (TCU), Electronic Parking Brake (EPB), Electric Power Steering (EPS) en Brake Control Modules (ABS/ESC) werken samen om een soepele werking, responsief rijgedrag en passagiersbescherming te garanderen. Gezien hun veiligheidskritische aard, kan elke storing in deze systemen de veiligheid van het voertuig direct in gevaar brengen, waardoor PCB-ontwerp en -fabricage voor controlesystemen een hoeksteen van EV-betrouwbaarheid vormen. Dit artikel schetst de specifieke PCB-vereisten, fabricage-uitdagingen en opkomende trends in EV-voertuigcontrolesystemen.

Overzicht van Voertuigcontrolesystemen

EV-controlesystemen omvatten meerdere gespecialiseerde modules, elk met afzonderlijke rollen in de werking van het voertuig:

• VCU (Vehicle Control Unit): Fungeert als de centrale coördinator en beheert de algemene voertuigoperaties, waaronder koppelverdeling, energiebeheer en het schakelen tussen rijmodi.

• ECU (Engine Control Unit, voor hybrides): Reguleert de synergie tussen verbrandingsmotoren en elektromotoren in hybride EV's, waardoor de brandstofefficiëntie en het vermogen worden geoptimaliseerd.

• TCU (Transmission Control Unit): Fijnregelt de versnellingswisselingen in hybride of multi-speed EV-transmissies, waardoor een soepele vermogensafgifte en energie-efficiëntie worden gegarandeerd.

• EPS (Electric Power Steering) Module: Biedt precieze, snelheidsgevoelige stuurhulp, waardoor de wendbaarheid en het comfort van de bestuurder worden verbeterd.

• ABS/ESC (Anti-lock Braking System/Electronic Stability Control): Voorkomt wielblokkering tijdens het remmen en handhaaft de stabiliteit van het voertuig tijdens plotselinge manoeuvres, cruciaal voor het voorkomen van ongevallen.

• EPB (Electronic Parking Brake) Controller: Beheert de activering en ontgrendeling van de parkeerrem en integreert met de beveiligingssystemen van het voertuig voor extra veiligheid.

PCB-ontwerpvereisten

Om te voldoen aan de strenge eisen van veiligheidskritische werking, moeten PCB's van voertuigcontrolesystemen voldoen aan gespecialiseerde ontwerpcriteria:

1. Functionele Veiligheid (ISO 26262 ASIL-D)

Functionele veiligheid is van het grootste belang, met naleving van ISO 26262, de wereldwijde standaard voor functionele veiligheid in de auto-industrie. Belangrijke strategieën zijn onder meer:

• Redundante circuits: Dupliceer kritieke paden om ervoor te zorgen dat de werking doorgaat, zelfs als één circuit uitvalt.

• Dual MCU-ontwerp: Parallelle microcontroller-eenheden bieden fail-safes, met kruiscontrolemechanismen om afwijkingen te detecteren.

• Fouttolerante lay-out: PCB-sporen en componenten zijn zo gerangschikt dat de risico's van single-point failure worden geminimaliseerd, met isolatie tussen kritieke en niet-kritieke circuits.

2. Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC/EMI)

Controlesystemen werken in elektromagnetische omgevingen vol met ruis van motoren, batterijen en andere elektronica. EMC/EMI-mitigatie omvat:

• Dedicated ground planes: Afzonderlijke aardlagen voor digitale, analoge en voedingssignalen verminderen interferentie.

• Afgeschermde lagen: Metalen afscherming rond gevoelige signaalsporen voorkomt dat elektromagnetische straling de werking verstoort.

• Strikte signaalintegriteit: Gecontroleerde impedantie routing en geminimaliseerde spoorlengtes behouden de signaalkwaliteit in high-speed communicatiepaden.

3. Weerstand tegen ruwe omgevingen

Voertuigcontrolemodules doorstaan extreme omstandigheden, wat vereist:

• Brede temperatuurtolerantie: Werking van -40°C tot +150°C om de omgeving van de motorruimte en de onderkant van het voertuig te weerstaan.

• Hoge vochtbestendigheid: Bescherming tegen condensatie en binnendringen van vocht, cruciaal voor betrouwbaarheid in diverse klimaten.

• Schok- en trillingsbestendigheid: Structurele versterking om weggeïnduceerde trillingen en impactbelastingen te overleven.

4. Meerlaagse betrouwbaarheid

Complexe controlefuncties vereisen geavanceerde PCB-structuren:

• 4–8 layer stack-ups: Geoptimaliseerde laagconfiguraties scheiden voedings-, aard- en signaalpaden, waardoor overspraak wordt verminderd.

• Strategische aarding: Steraarding en aardvlakverdeling minimaliseren de ruisvoortplanting tussen gevoelige componenten.

Tabel 1: Typische bedrijfsomstandigheden voor besturingseenheden

Fabricage-uitdagingen

Het produceren van PCB's voor voertuigcontrolesystemen brengt unieke technische hindernissen met zich mee:

• Signaalintegriteit vs. Vermogensafhandeling: Het integreren van digitale (controlesignalen), analoge (sensoringangen) en voedingscircuits op een enkele PCB vereist zorgvuldige verdeling om interferentie tussen hoogvermogen- en laagspanningscomponenten te voorkomen.

• Trillingsbestendigheid: Dikke boards (1,6–2,4 mm) met een hoog glasvezelgehalte zijn nodig om continue trillingen te weerstaan, maar dit verhoogt de fabricagecomplexiteit bij het boren en lamineren.

• Implementatie van redundant ontwerp: Dubbellaagse veiligheidscircuits en parallelle componentplaatsing vereisen precieze uitlijning tijdens de fabricage, met strikte toleranties om ervoor te zorgen dat beide redundante paden identiek presteren.

Tabel 2: PCB-laagstructuren voor voertuigcontrolemodules

Toekomstige trends

Verbeteringen in EV-technologie stimuleren de evolutie in PCB's voor controlesystemen:

• AI-gestuurde besturingseenheden: Verhoogde integratie van rekenkracht, met PCB's die high-performance processors ondersteunen voor real-time data-analyse en adaptieve controle-algoritmen.

• Domeincontrollerintegratie: Consolidatie van meerdere ECU's/VCU's in minder high-performance boards vermindert de bedradingscomplexiteit, wat PCB's met een hoger aantal lagen (10–12 lagen) en geavanceerde signaalrouting vereist.

• Geavanceerde materialen: Adoptie van high Tg laminaten (≥180°C) verbetert de thermische stabiliteit, terwijl conforme coatings de vocht- en chemische bestendigheid in ruwe omgevingen verbeteren.

Tabel 3: ISO 26262 Veiligheidseisen vs. PCB-strategieën

Conclusie

Voertuigcontrolesystemen vereisen compromisloze veiligheid en betrouwbaarheid van PCB-ontwerp, waarbij ISO 26262-conformiteit als een fundamentele vereiste dient. Deze PCB's moeten bestand zijn tegen extreme temperaturen, trillingen en elektromagnetische interferentie, terwijl ze een precieze signaalintegriteit behouden. Naarmate de EV-technologie vordert, zullen toekomstige PCB's voor controlesystemen een hogere integratie, slimmere domeincontrollers en geavanceerde materialen bevatten, waardoor ze de kritieke ruggengraat van veilige en efficiënte elektrische mobiliteit blijven.