I Requisiti per i Circuiti Stampati nei Sistemi Elettronici Automobilistici (1) Sistemi di Alimentazione e Energia

Meta Descrizione: Scopri i requisiti chiave di progettazione e produzione di PCB per i sistemi di alimentazione ed energia dei veicoli elettrici (EV), inclusi pacchi batteria, BMS, caricabatterie di bordo, convertitori DC-DC e inverter di trazione. Scopri la progettazione di PCB ad alta tensione, la gestione termica, le schede in rame spesso e gli standard di isolamento.

Introduzione

I sistemi di alimentazione ed energia sono al centro dei veicoli elettrici (EV), consentendo lo stoccaggio, la conversione e la distribuzione dell'energia elettrica che alimenta il funzionamento del veicolo. Componenti critici come pacchi batteria, sistemi di gestione della batteria (BMS), caricabatterie di bordo (OBC), convertitori DC-DC, inverter di trazione e scatole di giunzione ad alta tensione lavorano in tandem per garantire un flusso di energia efficiente e sicuro. Questi sistemi operano in condizioni estreme, gestendo alte tensioni che vanno da 400V a 800V (e fino a 1200V nei modelli avanzati) e grandi correnti che raggiungono centinaia di ampere. Di conseguenza, la progettazione e la produzione di circuiti stampati (PCB) per questi sistemi sono fondamentali per garantire l'affidabilità, la sicurezza e le prestazioni complessive del veicolo. Questo articolo approfondisce i requisiti specifici dei PCB, le sfide tecniche e le tendenze emergenti nei sistemi di alimentazione ed energia dei veicoli elettrici.

Panoramica dei sistemi di alimentazione ed energia dei veicoli elettrici

I sistemi di alimentazione ed energia dei veicoli elettrici sono costituiti da diversi moduli interconnessi, ciascuno con funzioni distinte ma che condividono esigenze comuni di affidabilità, sicurezza ed efficienza termica:

• Pacco batteria e BMS: Il pacco batteria immagazzina energia elettrica, mentre il BMS monitora la tensione delle celle, la temperatura e lo stato di carica, bilanciando le celle per massimizzare le prestazioni e la durata.

• Caricabatterie di bordo (OBC): Converte la corrente alternata (CA) dalla rete in corrente continua (CC) per caricare il pacco batteria, con l'efficienza che influisce direttamente sulla velocità di ricarica.

• Convertitore DC-DC: Riduce la potenza ad alta tensione dalla batteria (tipicamente 400 V) a tensioni inferiori (12 V o 48 V) per alimentare sistemi ausiliari come luci, infotainment e sensori.

• Inverter di trazione e controller motore: Converte la CC dalla batteria in corrente alternata (CA) per alimentare il motore elettrico, un processo fondamentale per l'accelerazione e l'efficienza del veicolo.

• Scatola di giunzione ad alta tensione: Distribuisce in modo sicuro la potenza ad alta tensione in tutto il veicolo, incorporando meccanismi di protezione per prevenire sovraccarichi o cortocircuiti.

• Controllo della frenata rigenerativa: Cattura l'energia cinetica durante la frenata e la converte in energia elettrica per l'accumulo nella batteria, migliorando l'efficienza energetica.

Requisiti di progettazione PCB per i sistemi di alimentazione ed energia

Per soddisfare le esigenze di funzionamento ad alta tensione e alta corrente, i PCB dei sistemi di alimentazione dei veicoli elettrici devono aderire a rigorosi criteri di progettazione:

1. Gestione di alta tensione e alta corrente

La capacità di gestire grandi correnti senza surriscaldamento o perdita di tensione è fondamentale. Ciò richiede:

• Strati di rame spessi: Lo spessore del rame del PCB varia da 2oz a 6oz (con 1oz equivalente a 35μm) e le schede con nucleo metallico vengono spesso utilizzate per componenti come gli inverter di trazione per migliorare la capacità di trasporto della corrente.

• Tracce larghe e sbarre integrate: Le larghezze delle tracce espanse e le sbarre di rame incorporate riducono al minimo la resistenza e riducono la perdita di potenza, fondamentali per i percorsi ad alta corrente.

2. Standard di isolamento e sicurezza

Il funzionamento ad alta tensione richiede un isolamento robusto per prevenire archi elettrici e rischi elettrici:

• Distanze di creepage e clearance: Per le linee ad alta tensione, queste distanze sono tipicamente ≥4mm–8mm per evitare guasti di isolamento.

• Conformità agli standard globali: I PCB devono soddisfare IEC 60664 (per creepage/clearance), UL 796 (certificazione ad alta tensione) e IPC-2221 (regole generali di spaziatura), come dettagliato nella Tabella 2.

3. Gestione termica

Il calore eccessivo può degradare le prestazioni e ridurre la durata dei componenti. Le strategie di gestione termica includono:

• Vias termici, rame incorporato e substrati metallici: Queste caratteristiche migliorano la dissipazione del calore dai componenti ad alta potenza.

• Laminati ad alta Tg e basso CTE: I laminati con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) di ≥170°C e un basso coefficiente di espansione termica (CTE) resistono all'imbarcamento sotto le fluttuazioni di temperatura.

4. Materiali multistrato e ibridi

I sistemi di alimentazione complessi richiedono strutture PCB avanzate:

• Stack-up a 6–12 strati: Comuni nei moduli di alimentazione per separare gli strati di alimentazione, massa e segnale, riducendo le interferenze.

• Materiali ibridi: Combinazioni di FR-4 con substrati ad alta frequenza o ceramici (ad esempio, per dispositivi inverter SiC/GaN) ottimizzano le prestazioni per componenti specifici.

Tabella 1: Livelli di tensione e corrente rispetto allo spessore del rame del PCB

Sfide di produzione

La produzione di PCB per sistemi di alimentazione dei veicoli elettrici comporta diversi ostacoli tecnici:

• Lavorazione del rame spesso: L'incisione di strati di rame ≥4oz è soggetta a sottosquadro, richiedendo un controllo preciso per mantenere l'accuratezza delle tracce.

• Isolamento ad alta tensione: Bilanciare il design compatto del modulo con le distanze di creepage/clearance richieste è impegnativo, poiché la miniaturizzazione spesso entra in conflitto con le esigenze di isolamento.

• Laminazione di materiali ibridi: La combinazione di materiali come FR-4 e ceramica o PTFE richiede un controllo rigoroso sulla pressione e sulla temperatura di laminazione per evitare la delaminazione.

• Test di affidabilità: I PCB devono essere sottoposti a rigorosi cicli termici, invecchiamento all'umidità, vibrazioni e test di isolamento ad alta tensione per garantire la durata in ambienti automobilistici difficili.

Tabella 2: Standard di sicurezza e isolamento dei PCB

Tendenze future nella progettazione di PCB per l'alimentazione dei veicoli elettrici

Con l'avanzare della tecnologia dei veicoli elettrici, la progettazione dei PCB si sta evolvendo per soddisfare le nuove esigenze:

• Semiconduttori a banda larga: I dispositivi al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN), noti per l'alta efficienza e frequenza, richiedono strutture PCB a bassa induttanza e basse perdite per massimizzare le prestazioni.

• Elettronica di potenza integrata: I PCB con sbarre di rame integrate riducono la resistenza e le dimensioni del modulo, migliorando l'efficienza energetica.

• Soluzioni termiche avanzate: I substrati PCB raffreddati a liquido vengono adottati per gli inverter per gestire carichi termici più elevati dai semiconduttori di nuova generazione.

• Integrazione e miniaturizzazione: L'aumento dell'integrazione delle funzioni su singoli moduli PCB riduce la complessità e il peso del sistema, migliorando l'efficienza del veicolo.

Tabella 3: Confronto dei materiali PCB per i sistemi di alimentazione dei veicoli elettrici

Conclusione

I sistemi di alimentazione ed energia dei veicoli elettrici impongono esigenze rigorose sulla progettazione e produzione di PCB, dagli strati di rame spesso e l'isolamento ad alta tensione alla gestione termica avanzata e all'integrazione di materiali ibridi. In quanto spina dorsale di un'erogazione di energia sicura ed efficiente, questi PCB sono fondamentali per le prestazioni dei veicoli elettrici moderni. Con l'accelerazione dell'adozione della mobilità elettrica, la necessità di PCB ad alte prestazioni, certificati per la sicurezza e termicamente robusti non farà che aumentare. I produttori che padroneggiano queste tecnologie svolgeranno un ruolo chiave nel portare avanti la rivoluzione della mobilità elettrica.