Плата защиты аккумулятора: Краеугольный камень безопасности, оберегающий сердце транспортных средств на новых источниках энергии

technology2 октября 2025 г. 14 мин чтения

Плата защиты аккумулятораПлата бортового зарядного устройстваПлата аккумуляторной батареиПлата шлюза электромобиляПлата двигателя электромобиляПлата инвертора электромобиля

В сложной архитектуре электромобилей (ЭМ) система силовой батареи, несомненно, является ядром, а плата защиты батареи (обычно служащая центральным аппаратным обеспечением системы управления батареями, BMS) действует как "интеллектуальный мозг" и "прочный щит", защищающий это ядро. Она не только контролирует напряжение, ток и температуру батареи, но и реализует критически важные стратегии защиты от перезаряда, переразряда, перегрузки по току, коротких замыканий и температурных аномалий. Любой незначительный дефект конструкции или производственный брак может привести к катастрофическим инцидентам безопасности. Поэтому ее проектирование и производство должны соответствовать самым строгим стандартам функциональной безопасности и качества в автомобильной промышленности. Как производитель печатных плат автомобильного класса, сертифицированный по IATF 16949, Highleap PCB Factory (HILPCB) понимает, что исключительная плата защиты батареи — это не просто носитель электронных компонентов, а торжественное обязательство по обеспечению безопасности жизни пассажиров.

Функциональная безопасность ISO 26262: Высший стандарт для плат защиты батарей

ISO 26262 — это всемирно признанный стандарт функциональной безопасности для автомобильных электронных и электрических систем, предоставляющий систематическую методологию для снижения неприемлемых рисков, вызванных отказами системы. Для плат защиты аккумуляторов (Battery Protection PCBs), которые напрямую влияют на безопасность высоковольтных систем и целостность электропитания автомобиля, уровень функциональной безопасности (ASIL) обычно определяется как ASIL C или ASIL D — самые высокие уровни риска в стандарте.

Достижение таких высоких уровней безопасности означает, что проектирование и производство печатных плат должны с самого начала интегрировать принципы безопасности:

Декомпозиция целей безопасности: Цели безопасности верхнего уровня, такие как «предотвращение теплового разгона батареи», должны быть разбиты на конкретные требования к аппаратной безопасности, такие как «схемы сбора сигналов резервных датчиков температуры» или «независимые компараторы защиты от перенапряжения».
Метрики аппаратной архитектуры: Проекты должны соответствовать строгим метрикам аппаратной архитектуры, включая метрику отказов в одной точке (SPFM) и метрику скрытых отказов (LFM). Например, ASIL D требует SPFM ≥ 99% и LFM ≥ 90%. Это требует избыточных конструкций (например, двухъядерных микроконтроллеров с пошаговой синхронизацией, избыточных путей связи) в сочетании с эффективными диагностическими механизмами для обеспечения того, чтобы ни один отказ не скомпрометировал цели безопасности.
Анализ видов, последствий и диагностических возможностей отказов (FMEDA): На этапе проектирования печатных плат инженерная команда HILPCB проводит тщательный анализ FMEDA для выявления потенциальных видов отказов для каждого компонента и трассы, оценивая их влияние на цели безопасности. Это напрямую влияет на решения по компоновке печатных плат, такие как поддержание достаточного зазора между критическими сигнальными линиями для предотвращения отказов по общей причине из-за коротких замыканий.

Плата защиты аккумулятора, соответствующая требованиям функциональной безопасности, гораздо сложнее потребительской электроники — это прецизионная система, объединяющая диагностику, избыточность и отказоустойчивые механизмы.

Превосходство в производстве в рамках системы качества IATF 16949

Если ISO 26262 определяет, "что" должно быть сделано для обеспечения безопасности, то IATF 16949 указывает, "как" последовательно производить безопасные продукты. Являясь ключевым требованием для автомобильных цепочек поставок, IATF 16949 обязывает производителей создавать процесс-ориентированную, основанную на рисках систему менеджмента качества.

В HILPCB каждая плата защиты аккумулятора производится в строгом соответствии с основными инструментами автомобильной промышленности:

Расширенное планирование качества продукции (APQP): С момента начала проекта мы тесно сотрудничаем с клиентами для уточнения технических спецификаций, требований к испытаниям и целей по надежности.
Процесс одобрения производственной части (PPAP): Мы предоставляем полный пакет документации PPAP, включая записи о проектировании, FMEA, планы контроля, отчеты о размерных измерениях и результаты испытаний материалов/производительности — всего 18 пунктов — для всесторонней демонстрации стабильных и последовательных производственных процессов, отвечающих требованиям клиента.
Анализ видов и последствий отказов (FMEA): Мы проводим анализы FMEA для каждого этапа производства, проактивно выявляя риски и внедряя превентивные меры для устранения дефектов на источнике. Это в равной степени относится и к другим критически важным автомобильным компонентам, таким как производство печатных плат для бортовых зарядных устройств.
Статистическое управление процессами (SPC) и Анализ измерительных систем (MSA): SPC отслеживает ключевые параметры процесса (например, точность сверления, толщину покрытия), чтобы гарантировать их нахождение под контролем. MSA обеспечивает точность и надежность нашего измерительного оборудования и методов.

Это неустанное стремление к качеству гарантирует, что каждая поставляемая партия продукции — будь то печатные платы для BMS или основные коммуникационные платы для печатных плат шлюзов электромобилей — демонстрирует высокую согласованность и надежность.

Матрица требований к уровню безопасности ASIL

ISO 26262 классифицирует уровни безопасности на A, B, C и D на основе серьезности риска, вероятности воздействия и управляемости. Более высокие уровни налагают более строгие требования к проектированию аппаратного обеспечения и управлению процессами, особенно в отношении метрик частоты отказов.

Метрика	ASIL A	ASIL B	ASIL C	ASIL D
Метрика отказов в одной точке (SPFM)	-	≥ 90%	≥ 97%	≥ 99%
Метрика скрытых отказов (LFM)	-	≥ 60%	≥ 80%	≥ 90%

Вероятностная метрика аппаратных сбоев (PMHF) < 1000 FIT < 100 FIT < 100 FIT < 10 FIT

*FIT: Failures In Time (Сбои во времени), сбои на миллиард часов.

Получить предложение по печатным платам

Надежность в суровых условиях: AEC-Q и стандарты экологических испытаний

Условия эксплуатации в автомобильной промышленности гораздо суровее, чем для бытовой электроники, выдерживая экстремальные колебания температуры, постоянные механические вибрации, высокую влажность и воздействие химических веществ. Таким образом, все печатные платы автомобильного класса должны пройти серию строгих испытаний на экологическую надежность, обычно определяемых Советом по автомобильной электронике (AEC).

Квалифицированная плата защиты аккумулятора должна:

Выдерживать широкий диапазон температур: Стабильно работать от -40°C до +125°C, требуя подложек печатных плат с исключительной термостойкостью и стабильностью размеров.
Устойчивость к механическим ударам и вибрации: Постоянные толчки и вибрации во время эксплуатации автомобиля проверяют долговечность печатных плат и целостность паяных соединений. Конструкции печатных плат должны обеспечивать баланс размещения компонентов и использовать надежные конструкции контактных площадок и меры крепления.
Предотвращение влаги и химической коррозии: Высококачественные паяльные маски и поверхностные покрытия (например, ENIG, иммерсионное серебро) повышают устойчивость к влажности, электролитам батарей и охлаждающим жидкостям.

Производственные линии HILPCB автомобильного класса гарантируют, что каждая печатная плата проходит строгие испытания, имитирующие реальные условия, включая термошок, хранение при высоких температурах/высокой влажности, вибрацию и испытания соляным туманом, обеспечивая надежность в течение 15-летнего или более длительного срока службы. Это обязательство по обеспечению надежности также относится к нашим печатным платам инверторов электромобилей, которые должны стабильно работать в условиях высокой мощности и высокой температуры.

Выбор материалов автомобильного класса и стратегии терморегулирования

Материалы являются основой производительности печатных плат. Для печатных плат защиты аккумуляторов, работающих с высоким напряжением и током, выбор материалов имеет решающее значение.

Субстраты с высоким Tg: Мы отдаем приоритет субстратам FR-4 с высокими температурами стеклования (Tg≥170°C) для поддержания механической прочности и электрических характеристик при высоких температурах, предотвращая расслоение и деформацию.
Материалы с низким КТР: Материалы с низкими коэффициентами теплового расширения (КТР) соответствуют КТР компонентов (особенно чипов BGA и QFN), что снижает напряжение во время термических циклов и значительно повышает надежность паяных соединений.
Устойчивость к CAF: Выбираются подложки с отличной устойчивостью к проводящим анодным нитям (CAF). В условиях высокого напряжения и высокой влажности CAF является скрытой причиной внутренних коротких замыканий. HILPCB минимизирует риски CAF благодаря строгому отбору материалов и контролю процессов.

Терморегулирование — еще одна серьезная проблема. Во время работы компоненты BMS, такие как токоизмерительные резисторы и балансировочные цепи, выделяют значительное количество тепла. Эффективные стратегии включают:

Технология толстой меди: Для сильноточных цепей мы используем технологию печатных плат с толстой медью (толщина меди ≥3 унции) для снижения сопротивления и повышения температуры. Это также жизненно важно для сильноточных применений, таких как печатные платы для электродвигателей.
Термопереходы: Плотные массивы переходных отверстий под тепловыделяющими компонентами быстро отводят тепло к внутренним или нижним медным слоям для эффективного рассеивания.
Печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB): Для локализованной концентрации тепла встроенные или полнометаллические сердечники (алюминиевые или медные) используют превосходную теплопроводность для быстрого рассеивания тепла.

Ключевые экологические испытания для печатных плат автомобильного класса

Для обеспечения надежности печатных плат на протяжении всего срока службы автомобиля обязательны строгие экологические испытания, основанные на стандартах ISO 16750 и AEC-Q.

Пункт испытания	Назначение	Типичные условия
Испытание на термоциклирование (TCT)	Оценка отказов из-за несоответствия КТР	-40°C ↔ +125°C, 1000 циклов
Испытание на термоудар (TST)	Оценка устойчивости к резким перепадам температуры	-40°C ↔ +150°C, переход <10с
Температурно-влажностное смещение (THB)	Оценка рисков изоляции и CAF в условиях влажности и смещения

85°C / 85% RH, bias applied, 1000h Испытание на случайную вибрацию Имитация воздействия вибрации автомобиля на паяные соединения Многоосевое, 8ч/ось Испытание соляным туманом Оценка коррозионной стойкости покрытий и масок 5% NaCl, 35°C, 96h

Получить предложение по печатным платам

Проектирование электромагнитной совместимости (ЭМС): Экранирование от помех

Внутреннее пространство электромобиля представляет собой чрезвычайно сложную электромагнитную среду, где высоковольтные инверторы, контроллеры двигателей и DC-DC преобразователи выступают в качестве мощных источников электромагнитных помех (ЭМП). Высокоточные аналоговые фронтенд (AFE) чипы на платах защиты аккумуляторов очень чувствительны к ЭМП — любое вмешательство может вызвать неверные показания напряжения или температуры, что приведет к ошибочным защитным действиям или угрозам безопасности.

HILPCB применяет многоуровневые стратегии защиты ЭМС при проектировании и производстве печатных плат:

Оптимизированное расположение слоев: Тщательные конструкции многослойных печатных плат размещают чувствительные аналоговые сигнальные слои между полными плоскостями питания и заземления, образуя естественную клетку Фарадея для защиты от внешних помех.
Строгие стратегии заземления: Звездное или многоточечное заземление изолирует аналоговые, цифровые и силовые заземления, соединяя их через ферритовые бусины или небольшие резисторы в отдельных точках для предотвращения связи шума контура заземления.
Контроль целостности сигнала: Контроль импеданса для высокоскоростных цифровых линий связи (например, CAN, SPI) обеспечивает качество сигнала и снижает излучение.
Размещение компонентов: Высокочастотные тактовые цепи и чувствительные аналоговые цепи располагаются вдали от краев печатной платы и интерфейсов ввода-вывода, при этом входные фильтры размещаются близко к разъемам.

Отличный дизайн ЭМС не только обеспечивает стабильность BMS, но и минимизирует внешние электромагнитные излучения, соответствуя стандартам ЭМС всего транспортного средства. Это одинаково важно для EV Gateway PCB, которые служат сетевым концентратором автомобиля.

Проблемы проектирования высоковольтных и сильноточных систем

В отличие от традиционных 12В систем, системы аккумуляторных батарей электромобилей работают при напряжении 400В или даже 800В. Высоковольтные конструкции предъявляют строгие требования к воздушным и поверхностным зазорам печатных плат:

Воздушный зазор (Clearance): Для предотвращения пробоя воздуха минимальные пространственные расстояния между высоковольтными и низковольтными цепями или между высоковольтными узлами должны соответствовать таким стандартам, как IPC-2221B.
Пути утечки: Во избежание образования проводящих путей по загрязненным поверхностям во влажных условиях необходимо соблюдать достаточные пути утечки.

HILPCB увеличивает пути утечки за счет прорезей или просверленных отверстий и использует подложки с высоким сравнительным индексом трекингостойкости (CTI) для улучшения изоляции. Для сильноточных цепей, помимо толстой меди, мы можем рекомендовать встроенные медные блоки или подложки с металлическим сердечником для кратковременной работы с сотнями ампер — методы, также применяемые для печатных плат бортовых зарядных устройств и печатных плат инверторов электромобилей.

Процесс контроля качества HILPCB (модель APQP)

Мы следуем пяти фазам расширенного планирования качества продукции (APQP), обеспечивая систематический контроль качества от концепции до массового производства для достижения целей "нулевого дефекта".

Фаза	Основные задачи	Ключевые результаты
1. Планирование и определение	Понимание потребностей клиента, установка целевых показателей качества	Цели проектирования, целевые показатели надежности, первоначальный перечень материалов (BOM)
2. Проектирование и разработка продукта	Завершение анализов DFM/DFA, проведение FMEA проектирования	Инженерные чертежи, спецификации материалов, FMEA проектирования
3. Проектирование и разработка процесса	Проектирование производственного потока, разработка планов контроля	Блок-схемы процессов, FMEA процесса, планы контроля прототипов
4. Валидация продукта и процесса	Проведение пилотного производства, подача PPAP	Производственные испытания, исследования MSA, утверждение PPAP
5. Обратная связь, оценка и корректирующие действия	Мониторинг массового производства, постоянное улучшение	Сокращение вариаций, повышение удовлетворённости, отчёты 8D

Получить расчёт стоимости печатных плат

Обеспечение полной прослеживаемости и согласованности на протяжении всего жизненного цикла

В автомобильной промышленности прослеживаемость является краеугольным камнем управления качеством. При выявлении потенциальных проблем безопасности затронутые партии — или даже отдельные продукты — должны быть быстро и точно отслежены. HILPCB внедрила комплексную систему прослеживаемости, охватывающую всю производственную цепочку.

Начиная с приёмки сырья, каждый ламинат, рулон медной фольги и бочка с химикатами имеют уникальный номер партии. В процессе производства каждой печатной плате или панели присваивается уникальный QR-код, связывающий все производственные данные: используемое оборудование, операторов, параметры процесса, результаты автоматического оптического контроля (AOI) и электрических испытаний. Эта детальная прослеживаемость не только соответствует требованиям IATF 16949, но и обеспечивает клиентам надежную гарантию качества. Будь то блоки мониторинга ячеек на печатных платах аккумуляторных батарей или платы управления приводом в печатных платах электродвигателей, мы предоставляем полную историю производства. В сочетании с нашими услугами сборки под ключ эта прослеживаемость распространяется на уровень компонентов, создавая полную цепочку от голой платы до PCBA.

HILPCB: Ваш надежный партнер по печатным платам автомобильного класса

Производство безопасной и надежной печатной платы защиты аккумулятора — это сложная инженерная задача, требующая от поставщиков не только передового производственного оборудования, но и глубоких знаний стандартов автомобильной безопасности, систем качества и специализированных процессов.

В HILPCB мы предлагаем больше, чем просто производство печатных плат — мы предоставляем партнерство, ориентированное на безопасность и качество.

Команда экспертов: Наши инженеры хорошо разбираются в стандартах ISO 26262, IATF 16949 и AEC-Q, предлагая профессиональные консультации по DFM (проектирование для технологичности) и DFA (проектирование для сборки) на ранних этапах проектирования.
Выделенные производственные линии: Мы используем линии, предназначенные исключительно для автомобильной электроники, оснащенные передовыми технологиями и строгим контролем процессов для обеспечения стабильности и надежности продукции.
Комплексные сертификаты: Мы обладаем сертификатами IATF 16949, ISO 9001, UL и другими международными сертификатами, что делает нас надежным глобальным партнером.
Гибкие услуги: От прототипирования до массового производства мы предоставляем гибкие и эффективные услуги для ускорения ваших проектов.

От печатных плат для защиты аккумуляторов до печатных плат для бортовых зарядных устройств и сложных печатных плат для инверторов электромобилей, HILPCB стремится предоставить самые надежные и прочные основы печатных плат для каждой критически важной электронной системы в транспортных средствах на новых источниках энергии.

Обзор системы отслеживания цепочки поставок

Полная отслеживаемость является центральным элементом управления качеством в автомобильной промышленности. HILPCB использует уникальные серийные номера для связи данных о жизненном цикле продукта, обеспечивая сквозную отслеживаемость.

Партии сырья
(Субстраты, Медная фольга, Чернила)

→

Производственные данные
(Идентификаторы оборудования, Параметры процесса)

→

Записи о внутрипроизводственном контроле
(AOI, Рентген, Э-тест)

→

Серийные номера продуктов
(Уникальные QR-коды)

→

Отгрузка и клиенты
(Упаковка, Логистика)

Получить предложение по печатной плате

Заключение

В итоге, плата защиты аккумулятора является жизненно важным компонентом в системе безопасности транспортных средств на новых источниках энергии. Ее проектирование и производство представляют собой высшее испытание точности, надежности и безопасности, объединяя передовые знания в области функциональной безопасности, управления качеством, материаловедения, термодинамики и электромагнетизма. Выбор партнера, такого как HILPCB — обладающего глубокими знаниями и строго соответствующего автомобильным стандартам — является ключом к обеспечению успеха вашей системы BMS и всего проекта электромобиля. Мы обязуемся изготавливать каждую плату защиты аккумулятора в соответствии с самыми строгими стандартами и высочайшим мастерством, совместно направляя будущее электрификации.