Các Yêu Cầu đối với Bảng Mạch In trong Hệ Thống Điện Tử Ô Tô (1) Hệ Thống Năng Lượng & Điện

Mô tả Meta: Khám phá các yêu cầu thiết kế và sản xuất PCB chính cho hệ thống năng lượng và điện EV, bao gồm bộ pin, BMS, bộ sạc trên bo mạch, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ biến tần lực kéo. Tìm hiểu về thiết kế PCB điện áp cao, quản lý nhiệt, bo mạch đồng dày và tiêu chuẩn cách điện.

Introduction

Hệ thống năng lượng và điện đóng vai trò cốt lõi của xe điện (EV), cho phép lưu trữ, chuyển đổi và phân phối năng lượng điện để vận hành xe. Các thành phần quan trọng như bộ pin, hệ thống quản lý pin (BMS), bộ sạc trên bo mạch (OBC), bộ chuyển đổi DC-DC, bộ biến tần lực kéo và hộp nối điện áp cao hoạt động song song để đảm bảo dòng năng lượng hiệu quả và an toàn. Các hệ thống này hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, xử lý điện áp cao từ 400V đến 800V (và lên đến 1200V trong các mẫu tiên tiến) và dòng điện lớn đạt hàng trăm ampe. Do đó, việc thiết kế và sản xuất bảng mạch in (PCB) cho các hệ thống này là then chốt để đảm bảo độ tin cậy, an toàn và hiệu suất tổng thể của xe. Bài viết này đi sâu vào các yêu cầu PCB cụ thể, những thách thức kỹ thuật và các xu hướng mới nổi trong hệ thống năng lượng và điện EV.

Tổng quan về Hệ thống Năng lượng & Điện EV

Hệ thống năng lượng và điện EV bao gồm một số mô-đun được kết nối với nhau, mỗi mô-đun có các chức năng riêng biệt nhưng chia sẻ các yêu cầu chung về độ tin cậy, an toàn và hiệu quả nhiệt:

• Bộ pin & BMS: Bộ pin lưu trữ năng lượng điện, trong khi BMS theo dõi điện áp, nhiệt độ và trạng thái sạc của pin, cân bằng các tế bào để tối đa hóa hiệu suất và tuổi thọ.

• Bộ sạc trên bo mạch (OBC): Chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện thành dòng điện một chiều (DC) để sạc bộ pin, với hiệu suất ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sạc.

• Bộ chuyển đổi DC-DC: Giảm điện áp cao từ pin (thường là 400V) xuống điện áp thấp hơn (12V hoặc 48V) để cấp nguồn cho các hệ thống phụ trợ như đèn, thông tin giải trí và cảm biến.

• Bộ biến tần lực kéo & Bộ điều khiển động cơ: Chuyển đổi DC từ pin thành dòng điện xoay chiều (AC) để vận hành động cơ điện, một quá trình quan trọng đối với khả năng tăng tốc và hiệu quả của xe.

• Hộp nối điện áp cao: Phân phối an toàn điện áp cao trên toàn bộ xe, kết hợp các cơ chế bảo vệ để ngăn ngừa quá tải hoặc đoản mạch.

• Kiểm soát phanh tái sinh: Thu năng lượng động trong quá trình phanh và chuyển đổi nó trở lại thành năng lượng điện để lưu trữ trong pin, tăng cường hiệu quả năng lượng.

Yêu cầu thiết kế PCB cho Hệ thống Năng lượng & Điện

Để đáp ứng các yêu cầu về hoạt động điện áp cao, dòng điện cao, PCB hệ thống điện EV phải tuân thủ các tiêu chí thiết kế nghiêm ngặt:

1. Xử lý điện áp cao và dòng điện cao

Khả năng quản lý dòng điện lớn mà không bị quá nhiệt hoặc mất điện áp là điều cơ bản. Điều này đòi hỏi:

• Lớp đồng dày: Độ dày đồng PCB dao động từ 2oz đến 6oz (với 1oz tương đương 35μm) và bo mạch lõi kim loại thường được sử dụng cho các thành phần như bộ biến tần lực kéo để tăng cường khả năng mang dòng.

• Đường dẫn rộng và thanh cái tích hợp: Chiều rộng đường dẫn mở rộng và thanh cái đồng nhúng giảm thiểu điện trở và giảm tổn thất điện năng, rất quan trọng đối với các đường dẫn dòng điện cao.

2. Tiêu chuẩn cách điện và an toàn

Hoạt động điện áp cao đòi hỏi cách điện chắc chắn để ngăn ngừa hiện tượng hồ quang và các mối nguy hiểm về điện:

• Khoảng cách bò và khoảng hở: Đối với đường dây điện áp cao, các khoảng cách này thường là ≥4mm–8mm để tránh sự cố cách điện.

• Tuân thủ các tiêu chuẩn toàn cầu: PCB phải đáp ứng IEC 60664 (đối với khoảng cách bò/khoảng hở), UL 796 (chứng nhận điện áp cao) và IPC-2221 (quy tắc khoảng cách chung), như được trình bày chi tiết trong Bảng 2.

3. Quản lý nhiệt

Nhiệt quá mức có thể làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ của linh kiện. Các chiến lược quản lý nhiệt bao gồm:

• Via nhiệt, đồng nhúng và chất nền kim loại: Các tính năng này tăng cường tản nhiệt từ các thành phần công suất cao.

• Laminate Tg cao và CTE thấp: Laminate có nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) ≥170°C và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp chống cong vênh khi nhiệt độ dao động.

4. Vật liệu nhiều lớp & lai

Các hệ thống điện phức tạp yêu cầu các cấu trúc PCB tiên tiến:

• Xếp chồng 6–12 lớp: Phổ biến trong các mô-đun nguồn để phân tách các lớp nguồn, nối đất và tín hiệu, giảm nhiễu.

• Vật liệu lai: Sự kết hợp của FR-4 với chất nền tần số cao hoặc gốm (ví dụ: cho thiết bị biến tần SiC/GaN) tối ưu hóa hiệu suất cho các thành phần cụ thể.

Bảng 1: Mức điện áp & dòng điện so với độ dày đồng PCB

Thách thức sản xuất

Sản xuất PCB cho hệ thống điện EV liên quan đến một số rào cản kỹ thuật:

• Xử lý đồng dày: Khắc các lớp đồng ≥4oz dễ bị cắt xén, đòi hỏi sự kiểm soát chính xác để duy trì độ chính xác của đường dẫn.

• Cách ly điện áp cao: Cân bằng thiết kế mô-đun nhỏ gọn với khoảng cách bò/khoảng hở cần thiết là một thách thức, vì thu nhỏ thường mâu thuẫn với nhu cầu cách điện.

• Cán vật liệu lai: Kết hợp các vật liệu như FR-4 và gốm hoặc PTFE đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ đối với áp suất và nhiệt độ cán để tránh phân lớp.

• Kiểm tra độ tin cậy: PCB phải trải qua các thử nghiệm chu kỳ nhiệt, lão hóa độ ẩm, rung và cách điện điện áp cao nghiêm ngặt để đảm bảo độ bền trong môi trường ô tô khắc nghiệt.

Bảng 2: Tiêu chuẩn an toàn & cách điện PCB

Xu hướng tương lai trong thiết kế PCB điện EV

Khi công nghệ EV phát triển, thiết kế PCB đang phát triển để đáp ứng các yêu cầu mới:

• Chất bán dẫn dải rộng: Các thiết bị silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), được biết đến với hiệu quả và tần số cao, yêu cầu các cấu trúc PCB có độ tự cảm thấp, tổn thất thấp để tối đa hóa hiệu suất.

• Điện tử công suất nhúng: PCB có thanh cái đồng nhúng làm giảm điện trở và kích thước mô-đun, cải thiện hiệu quả năng lượng.

• Giải pháp nhiệt tiên tiến: Chất nền PCB làm mát bằng chất lỏng đang được áp dụng cho bộ biến tần để xử lý tải nhiệt cao hơn từ các chất bán dẫn thế hệ tiếp theo.

• Tích hợp & thu nhỏ: Tăng cường tích hợp các chức năng vào các mô-đun PCB đơn lẻ làm giảm độ phức tạp và trọng lượng của hệ thống, tăng cường hiệu quả của xe.

Bảng 3: So sánh vật liệu PCB cho hệ thống điện EV

Kết luận

Hệ thống năng lượng và điện EV đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với thiết kế và sản xuất PCB, từ các lớp đồng dày và cách điện điện áp cao đến quản lý nhiệt tiên tiến và tích hợp vật liệu lai. Là xương sống của việc cung cấp năng lượng an toàn và hiệu quả, các PCB này rất quan trọng đối với hiệu suất của EV hiện đại. Với việc áp dụng ngày càng tăng của tính di động điện, nhu cầu về PCB hiệu suất cao, được chứng nhận an toàn và có độ bền nhiệt sẽ chỉ tăng lên. Các nhà sản xuất làm chủ các công nghệ này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy cuộc cách mạng di động điện về phía trước.