BMS PCB: Основная технология печатных плат, обеспечивающая безопасность аккумуляторов электромобилей
В основе электромобилей (EV) безопасность и эффективность аккумуляторных батарей имеют первостепенное значение, и ядро этого лежит в системе управления батареями (BMS). Как мозг и нейронная сеть BMS, BMS PCB (печатная плата системы управления батареями) выполняет все критически важные функции по мониторингу, управлению и защите батареи. Это не просто простой носитель схемы, а центр безопасности, который обеспечивает скоординированную работу сотен аккумуляторных элементов, предотвращает тепловой разгон, продлевает срок службы батареи и предоставляет точные данные блоку управления транспортным средством (VCU). Любой незначительный производственный дефект может привести к катастрофическим последствиям, поэтому ее проектирование и производство должны соответствовать самым строгим стандартам функциональной безопасности и качества автомобильной промышленности. Будучи профессиональным производителем печатных плат для автомобильной электроники, сертифицированным по IATF 16949, Highleap PCB Factory (HILPCB) глубоко понимает критическую роль BMS PCB в системе безопасности автомобиля. Мы не только предоставляем производственные процессы, соответствующие требованиям функциональной безопасности ISO 26262, но и предлагаем полную поддержку от прототипирования до серийного производства, гарантируя, что каждая поставленная печатная плата надежно работает в суровых автомобильных условиях в течение длительного времени. Эта статья, с точки зрения экспертов по безопасности автомобильной электроники, углубляется в основные технические проблемы, производственные требования к BMS PCB и то, как HILPCB защищает ваши новые энергетические проекты благодаря превосходным производственным процессам и системе качества.
Ядро функциональной безопасности BMS PCB: Расшифровка ISO 26262 и уровней ASIL
Функциональная безопасность является краеугольным камнем проектирования автомобильной электроники, особенно для BMS, которая напрямую связана с электрической и ходовой безопасностью. Стандарт ISO 26262 предоставляет полный процесс разработки и технические требования к функциональной безопасности автомобильных электрических и электронных систем, а проектирование и производство BMS PCB должны строго соответствовать его положениям. Цели безопасности систем BMS обычно требуют достижения уровня полноты безопасности автомобиля (ASIL) C или D, что является самыми высокими уровнями безопасности в стандарте. Это означает, что система должна обладать чрезвычайно высокими возможностями диагностики неисправностей и отказоустойчивыми или отказоустойчивыми механизмами. Это накладывает особые требования на печатные платы BMS:
- Избыточность конструкции и изоляция: Критические сигнальные пути, такие как измерение напряжения, тока и температуры, часто требуют избыточных конструкций. Разводка печатных плат должна обеспечивать физическую изоляцию между этими избыточными каналами, чтобы предотвратить отказ всей функции из-за одной точки отказа. Это включает достаточные электрические зазоры и пути утечки, особенно в высоковольтных областях.
- Охват диагностики неисправностей (DC): Конструкции печатных плат должны поддерживать функции аппаратной диагностики. Например, путем проектирования обнаруживаемых обрывов/коротких замыканий и предоставления обратных связей для микроконтроллеров (MCU) для соответствия требованиям по охвату диагностики уровня ASIL.
- Анализ видов и последствий отказов (FMEA): На этапе проектирования печатной платы должен быть проведен анализ видов и последствий отказов (FMEA) для выявления потенциальных видов отказов (например, трещины в паяных соединениях, эффекты CAF, разрушения переходных отверстий) и их влияния на безопасность системы, с последующей разработкой соответствующих проектных и производственных контрмер. В HILPCB, благодаря строгому контролю ламинирования, точному контролю импеданса, а также 100% AOI (автоматической оптической инспекции) и тестированию электрических характеристик, мы гарантируем полное соответствие физической структуры печатной платы проектному замыслу, обеспечивая прочную аппаратную основу для достижения высоких целей функциональной безопасности уровня ASIL.
Матрица требований к уровню полноты функциональной безопасности автомобилей (ASIL)
Стандарт ISO 26262 определяет четыре уровня ASIL от A до D, при этом более высокие уровни налагают более строгие требования безопасности на систему. Системы BMS обычно требуют уровней ASIL C/D для устранения потенциальных рисков, связанных с высоковольтными батареями.
| Уровень безопасности | Метрика отказов по одной точке (SPFM) | Метрика скрытых отказов (LFM) | Интенсивность случайных аппаратных отказов (PMHF) |
|---|---|---|---|
| ASIL B | ≥ 90% | ≥ 60% | < 100 FIT (10-7 /h) |
| ASIL C | ≥ 97% | ≥ 80% | < 100 FIT (10-7 /h) |
| ASIL D | ≥ 99% | ≥ 90% | < 10 FIT (10-8 /h) |
*FIT: Failure in Time (Интенсивность отказов), представляет собой количество отказов на миллиард часов. Требования к надежности аппаратного обеспечения ASIL D на порядок выше, чем у ASIL B.
Проблемы проектирования в архитектуре высокого напряжения: От 400В до 800В системных печатных плат
С ростом требований к скорости зарядки и эффективности транспортных средств, платформы электромобилей нового поколения развиваются от основных 400В архитектур к 800В и даже более высоковольтным платформам. Этот переход создает серьезные проблемы для всех высоковольтных компонентов, включая BMS, особенно на уровне печатных плат. Будь то печатные платы для 400В систем или более продвинутые печатные платы для 800В систем, их проектирование и производство должны отдавать приоритет высоковольтной безопасности.
Основные проблемы в высоковольтных средах включают:
- Воздушные и поверхностные зазоры: Удвоение напряжения резко увеличивает требуемые пространственные расстояния для предотвращения искрения и утечек. Печатные платы BMS должны строго соответствовать требованиям безопасности по зазорам согласно стандартам, таким как IEC 60664-1, при трассировке и компоновке. Это может потребовать физических изоляционных обработок, таких как прорезка или выемка на печатной плате.
- Выбор изоляционного материала: Сравнительный индекс трекинга (CTI) подложек печатных плат становится критически важным. Материалы с более высокими значениями CTI демонстрируют более сильное сопротивление высоковольтным утечкам. Для печатных плат 800В систем обычно требуются материалы со значениями CTI, достигающими 600В (уровень PLC 0).
- Электрохимическая миграция (ЭХМ) и проводящий анодный филамент (ПАФ): Под комбинированным воздействием высокого напряжения, влажности и температуры внутри печатной платы на границах раздела стекловолокна и смолы могут образовываться проводящие пути, что приводит к катастрофическим коротким замыканиям. Производство высоковольтных печатных плат требует материалов с отличной устойчивостью к ПАФ и передовых производственных процессов для минимизации ионного загрязнения и внутренних напряжений.
HILPCB обладает обширным опытом в производстве высоковольтных печатных плат. Мы можем рекомендовать наиболее подходящие автомобильные материалы с высоким CTI, устойчивые к ПАФ, и гарантировать, что каждая BMS печатная плата соответствует или превосходит стандарты безопасности высокого напряжения благодаря точным процессам переноса рисунка и ламинирования.
Строгое обеспечение качества: Применение IATF 16949 в производстве печатных плат BMS
Автомобильная промышленность требует "нулевого дефекта", поскольку любое отклонение может вызвать масштабные отзывы и инциденты безопасности. IATF 16494 — это всемирно признанный стандарт системы менеджмента качества для автомобильной промышленности, интегрирующий и превосходящий ISO 9001 с акцентом на предотвращение дефектов, сокращение вариаций и минимизацию отходов. Для критически важных для безопасности компонентов, таких как BMS печатные платы, соответствие IATF 16494 является незаменимым. В HILPCB стандарт IATF 16949 — это не просто сертификат, а неотъемлемая часть всех производственных операций:
- Расширенное планирование качества продукции (APQP): На этапе инициации проекта мы тесно сотрудничаем с клиентами для определения спецификаций продукта, процессов и контрольных точек качества, обеспечивая правильное направление с самого начала.
- Процесс одобрения серийных деталей (PPAP): Перед массовым производством мы предоставляем полный пакет PPAP, включающий проектную документацию, FMEA, планы контроля, отчеты о размерных измерениях и данные испытаний материалов/производительности, демонстрируя наш стабильный и надежный производственный процесс, способный постоянно поставлять квалифицированные печатные платы BMS.
- Статистическое управление процессами (SPC): Мы отслеживаем и анализируем ключевые параметры процесса (например, точность сверления, ширину дорожки, толщину покрытия) в режиме реального времени, чтобы гарантировать, что индексы пригодности процесса (Cpk) остаются выше целевых уровней, предотвращая появление несоответствующей продукции.
- Анализ измерительных систем (MSA): Мы регулярно оцениваем контрольно-измерительное оборудование и методы измерений для обеспечения точности и надежности данных, предоставляя надежную основу для управления процессами и принятия решений.
Этот систематический подход к управлению качеством также применяется к другой автомобильной электронике, такой как печатные платы блоков предохранителей, которые аналогичным образом связаны с электрической безопасностью транспортных средств и требуют чрезвычайно высокой стабильности и согласованности в производственных процессах.
Сертификаты производства автомобильного класса: Приверженность HILPCB качеству
Как профессиональный производитель автомобильных печатных плат, производственная система HILPCB полностью соответствует и превосходит высочайшие отраслевые стандарты. Наши сертификаты являются гарантией доверия клиентов и основой для поставки продукции без дефектов.
| Сертификация/Стандарт | Основное внимание | Значение для печатных плат BMS |
|---|---|---|
| IATF 16949 | Контроль процессов, управление рисками, предотвращение дефектов, постоянное улучшение | Обеспечивает высокостабильные и отслеживаемые производственные процессы для достижения целей нулевого дефекта. |
| ISO 26262 (Поддержка) | Функциональная безопасность, анализ опасностей, уровни ASIL, механизмы безопасности | Производственные процессы поддерживают клиентов в достижении высоких целей безопасности уровня ASIL. |
| VDA 6.3 | Стандарт аудита процессов немецкой автомобильной промышленности, ориентированный на фактическую производительность процесса | Прошел строгие аудиты процессов ведущими автомобильными клиентами, демонстрируя превосходные возможности управления на месте. |
| AEC-Q Support | Стандарты испытаний надежности компонентов и печатных плат | Произведенные печатные платы выдерживают строгие автомобильные экологические испытания, обеспечивая долгосрочную надежность. |
Выбор материалов и процессов: Обеспечение долгосрочной надежности печатных плат для аккумуляторов электромобилей
Печатные платы для аккумуляторов электромобилей (EV Battery PCB) работают в экстремально суровых условиях, выдерживая температуры до 125°C и выше, а также частые термические и механические нагрузки от циклов заряда/разряда. Поэтому выбор материалов и процессов напрямую определяет их долгосрочную надежность.
- Субстраты с высоким Tg: Температура стеклования (Tg) является ключевым показателем термостойкости материала. Стандартные материалы FR-4 имеют Tg около 130-140°C, в то время как автомобильные применения, особенно печатные платы для аккумуляторов электромобилей, обычно требуют материалов с Tg ≥170°C, таких как печатные платы с высоким Tg. Материалы с высоким Tg обеспечивают лучшую стабильность размеров и механическую прочность при высоких температурах, предотвращая расслоение и коробление.
- Материалы с низким КТР: Несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) является основной причиной растрескивания переходных отверстий и отказа паяных соединений. Выбор материалов с низким КТР по оси Z снижает напряжение от термических циклов, значительно повышая надежность металлизированных сквозных отверстий (PTH).
- Процессы с толстой медью/тяжелой медью: Основные токовые пути в системах BMS несут десятки или даже сотни ампер. Традиционная толщина меди в 1 унцию (35 мкм) недостаточна. HILPCB предлагает передовую технологию производства печатных плат с толстой медью с толщиной меди до 3 унций и более, что эффективно снижает повышение температуры и потери мощности в сильноточных цепях, одновременно повышая эффективность и безопасность системы.
- Высоконадежные поверхностные покрытия: Химическое никелирование с иммерсионным золочением (ENIG) или химическое никелирование с химическим палладированием и иммерсионным золочением (ENEPIG) являются обычно используемыми поверхностными покрытиями для печатных плат BMS. Они обеспечивают отличную паяемость и стойкость к окислению, гарантируя долгосрочную надежность соединений с критически важными компонентами, такими как жгуты для отбора проб батарей.
Гарантия производительности в суровых условиях: AEC-Q и испытания на надежность в окружающей среде
Стандарты серии AEC-Q Совета по автомобильной электронике (AEC) являются воротами в автомобильную промышленность. Хотя стандарты AEC-Q в первую очередь нацелены на компоненты, их принципы и методологии испытаний широко применяются ко всем электронным модулям, включая печатные платы BMS. Квалифицированная печатная плата BMS должна выдерживать различные электрические, механические, климатические и химические нагрузки, определенные такими стандартами, как ISO 16750.
Печатные платы HILPCB разработаны и материалы подобраны таким образом, чтобы соответствовать этим строгим требованиям, гарантируя прохождение ими ключевых испытаний, таких как:
- Испытание на температурные циклы (TCT): Сотни или даже тысячи циклов между экстремальными температурами (от -40°C до +125°C) для проверки устойчивости печатной платы к термической усталости, в частности, надежности переходных отверстий и паяных соединений.
- Испытание на термоудар (TST): Более суровое, чем температурные циклы, это испытание быстро переключается между высокими и низкими температурами для оценки ударопрочности материала и структурной целостности.
- Вибрационные испытания: Имитирует вибрации автомобиля в различных дорожных условиях, чтобы убедиться, что компоненты на печатной плате не ослабнут и не выйдут из строя из-за резонанса или усталости.
- Ускоренные испытания на воздействие стресса (HAST)/Циклирование влажности: Оценивает устойчивость печатной платы к эрозии влагой при высокой температуре и влажности, в частности, для предотвращения эффектов CAF.
Выбирая подходящие материалы и оптимизируя производственные процессы, HILPCB гарантирует, что наши продукты BMS PCB соответствуют этим строгим требованиям к проверке надежности, обеспечивая надежную гарантию качества для ваших проектов EV Battery PCB.
Ключевые пункты экологических испытаний для автомобильных печатных плат
Для обеспечения стабильной работы в течение более чем 15-летнего жизненного цикла автомобиля, автомобильные печатные платы должны пройти серию строгих экологических испытаний на надежность. Ниже приведены некоторые основные пункты испытаний и их назначение.
| Пункт испытаний | Ссылка на стандарт испытаний | Цель испытаний | Требования к печатной плате |
|---|---|---|---|
| Термоциклирование | AEC-Q101, ISO 16750-4 | Оценивает риски усталостного разрушения из-за несоответствия КТР материалов. | Материалы с низким КТР, высоконадежные переходные отверстия, прочная конструкция контактных площадок. |
| Механическая вибрация | ISO 16750-3 | Имитирует вибрации при движении для проверки структурной прочности и прочности паяных соединений. | Рациональная компоновка и фиксация компонентов, высокопрочные подложки. |