Các Yêu Cầu đối với Bảng Mạch In trong Hệ Thống Điện Tử Ô Tô (2) Hệ Thống Điều Khiển Xe

Mô tả Meta: Tìm hiểu các yêu cầu PCB cho hệ thống điều khiển xe EV, bao gồm VCU, ECU, TCU, ABS/ESC và các mô-đun lái. Khám phá thiết kế PCB an toàn, tuân thủ ISO 26262, bảng nhiều lớp và các chiến lược thiết kế EMI/EMC.

Giới thiệu

Hệ thống điều khiển xe đóng vai trò là “bộ não và dây thần kinh” của xe điện (EV), điều phối sự phối hợp của các chức năng lái và cơ chế an toàn. Các mô-đun quan trọng như Bộ điều khiển xe (VCU), Bộ điều khiển động cơ (ECU cho các mẫu xe hybrid), Bộ điều khiển hộp số (TCU), Phanh đỗ điện tử (EPB), Trợ lực lái điện (EPS) và Mô-đun điều khiển phanh (ABS/ESC) hoạt động đồng bộ để đảm bảo vận hành trơn tru, xử lý nhạy bén và bảo vệ hành khách. Với bản chất an toàn quan trọng của chúng, bất kỳ sự cố nào trong các hệ thống này đều có thể trực tiếp ảnh hưởng đến sự an toàn của xe, khiến cho việc thiết kế và sản xuất PCB cho các hệ thống điều khiển trở thành nền tảng của độ tin cậy của EV. Bài viết này phác thảo các yêu cầu PCB cụ thể, những thách thức trong sản xuất và các xu hướng mới nổi trong hệ thống điều khiển xe EV.

Tổng quan về Hệ thống điều khiển xe

Hệ thống điều khiển EV bao gồm nhiều mô-đun chuyên biệt, mỗi mô-đun có vai trò riêng biệt trong vận hành xe:

• VCU (Bộ điều khiển xe): Đóng vai trò là bộ điều phối trung tâm, quản lý toàn bộ hoạt động của xe bao gồm phân phối mô-men xoắn, quản lý năng lượng và chuyển đổi chế độ giữa các chế độ lái.

• ECU (Bộ điều khiển động cơ, cho xe hybrid): Điều chỉnh sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện trong xe hybrid EV, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu và công suất đầu ra.

• TCU (Bộ điều khiển hộp số): Tinh chỉnh việc chuyển số trong hộp số hybrid hoặc hộp số EV nhiều cấp, đảm bảo truyền tải điện năng trơn tru và hiệu quả năng lượng.

• Mô-đun EPS (Trợ lực lái điện): Cung cấp hỗ trợ lái chính xác, nhạy với tốc độ, tăng cường khả năng cơ động và sự thoải mái cho người lái.

• ABS/ESC (Hệ thống chống bó cứng phanh/Kiểm soát ổn định điện tử): Ngăn chặn khóa bánh xe khi phanh và duy trì sự ổn định của xe trong các thao tác đột ngột, rất quan trọng để ngăn ngừa tai nạn.

• Bộ điều khiển EPB (Phanh đỗ điện tử): Quản lý việc kích hoạt và nhả phanh đỗ, tích hợp với hệ thống an ninh xe để tăng thêm độ an toàn.

Yêu cầu thiết kế PCB

Để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hoạt động an toàn quan trọng, PCB hệ thống điều khiển xe phải tuân thủ các tiêu chí thiết kế chuyên biệt:

1. An toàn chức năng (ISO 26262 ASIL-D)

An toàn chức năng là tối quan trọng, với việc tuân thủ ISO 26262, tiêu chuẩn toàn cầu về an toàn chức năng ô tô. Các chiến lược chính bao gồm:

• Mạch dự phòng: Sao chép các đường dẫn quan trọng để đảm bảo hoạt động tiếp tục ngay cả khi một mạch bị lỗi.

• Thiết kế MCU kép: Các đơn vị vi điều khiển song song cung cấp các biện pháp an toàn, với các cơ chế kiểm tra chéo để phát hiện các bất thường.

• Bố cục chịu lỗi: Các đường mạch và linh kiện PCB được sắp xếp để giảm thiểu rủi ro lỗi một điểm, với sự cách ly giữa các mạch quan trọng và không quan trọng.

2. Tương thích điện từ (EMC/EMI)

Hệ thống điều khiển hoạt động trong môi trường điện từ đầy tiếng ồn từ động cơ, pin và các thiết bị điện tử khác. Giảm thiểu EMC/EMI liên quan đến:

• Mặt phẳng tiếp đất chuyên dụng: Các lớp tiếp đất riêng biệt cho tín hiệu kỹ thuật số, tương tự và nguồn điện làm giảm nhiễu.

• Lớp che chắn: Che chắn kim loại xung quanh các đường mạch tín hiệu nhạy cảm ngăn chặn bức xạ điện từ làm gián đoạn hoạt động.

• Tính toàn vẹn tín hiệu nghiêm ngặt: Định tuyến trở kháng được kiểm soát và giảm thiểu độ dài đường mạch bảo toàn chất lượng tín hiệu trong các đường truyền thông tốc độ cao.

3. Khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt

Các mô-đun điều khiển xe chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt, yêu cầu:

• Khả năng chịu nhiệt độ rộng: Hoạt động từ -40°C đến +150°C để chịu được môi trường khoang động cơ và gầm xe.

• Khả năng chống ẩm cao: Bảo vệ chống ngưng tụ và xâm nhập hơi ẩm, rất quan trọng đối với độ tin cậy trong các môi trường khí hậu khác nhau.

• Khả năng chống sốc & rung: Gia cố cấu trúc để chịu được rung động do đường xá và tải trọng va đập.

4. Độ tin cậy nhiều lớp

Các chức năng điều khiển phức tạp đòi hỏi các cấu trúc PCB tinh vi:

• Xếp chồng 4–8 lớp: Cấu hình lớp được tối ưu hóa tách biệt các đường dẫn nguồn, tiếp đất và tín hiệu, giảm nhiễu xuyên âm.

• Tiếp đất chiến lược: Tiếp đất hình sao và phân vùng mặt phẳng tiếp đất giảm thiểu sự lan truyền tiếng ồn giữa các linh kiện nhạy cảm.

Bảng 1: Điều kiện hoạt động điển hình cho các bộ điều khiển

Thách thức sản xuất

Sản xuất PCB cho hệ thống điều khiển xe liên quan đến những trở ngại kỹ thuật độc đáo:

• Tính toàn vẹn tín hiệu so với Xử lý điện năng: Tích hợp các mạch kỹ thuật số (tín hiệu điều khiển), tương tự (đầu vào cảm biến) và nguồn điện trên một PCB duy nhất đòi hỏi phải phân vùng cẩn thận để tránh nhiễu giữa các linh kiện công suất cao và điện áp thấp.

• Khả năng chống rung: Cần có bảng dày (1,6–2,4mm) với hàm lượng sợi thủy tinh cao để chịu được rung động liên tục, nhưng điều này làm tăng thêm độ phức tạp trong sản xuất trong quá trình khoan và cán.

• Triển khai thiết kế dự phòng: Các mạch an toàn hai lớp và vị trí linh kiện song song đòi hỏi sự liên kết chính xác trong quá trình chế tạo, với dung sai nghiêm ngặt để đảm bảo cả hai đường dẫn dự phòng đều hoạt động giống hệt nhau.

Bảng 2: Cấu trúc lớp PCB cho các mô-đun điều khiển xe

Xu hướng tương lai

Những tiến bộ trong công nghệ EV đang thúc đẩy sự phát triển trong PCB hệ thống điều khiển:

• Bộ điều khiển do AI điều khiển: Tăng cường tích hợp sức mạnh tính toán, với PCB hỗ trợ bộ xử lý hiệu năng cao để phân tích dữ liệu theo thời gian thực và các thuật toán điều khiển thích ứng.

• Tích hợp Bộ điều khiển miền: Hợp nhất nhiều ECU/VCU thành ít bảng hiệu năng cao hơn làm giảm độ phức tạp của hệ thống dây điện, yêu cầu PCB có số lớp cao hơn (10–12 lớp) và định tuyến tín hiệu tiên tiến.

• Vật liệu tiên tiến: Việc áp dụng các chất laminate Tg cao (≥180°C) cải thiện độ ổn định nhiệt, trong khi lớp phủ phù hợp tăng cường khả năng chống ẩm và hóa chất trong môi trường khắc nghiệt.

Bảng 3: Yêu cầu an toàn ISO 26262 so với Chiến lược PCB

Kết luận

Hệ thống điều khiển xe đòi hỏi sự an toàn và độ tin cậy không thỏa hiệp từ thiết kế PCB, với việc tuân thủ ISO 26262 đóng vai trò là yêu cầu nền tảng. Các PCB này phải chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, rung động và nhiễu điện từ trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn tín hiệu chính xác. Khi công nghệ EV phát triển, PCB hệ thống điều khiển trong tương lai sẽ có tính tích hợp cao hơn, bộ điều khiển miền thông minh hơn và vật liệu tiên tiến, đảm bảo chúng vẫn là xương sống quan trọng của khả năng di chuyển bằng điện an toàn và hiệu quả.