По мере того как мировая автомобильная промышленность переходит к электрификации, бортовое зарядное устройство (OBC) стало незаменимым основным компонентом электромобилей (EV). Оно отвечает за критически важную задачу эффективного и безопасного преобразования переменного тока сети в постоянный ток для зарядки тяговой батареи. В основе этой функциональности лежит высокопроизводительная, высоконадежная OBC PCB. Как эксперты по безопасности автомобильной электроники, мы понимаем, что квалифицированная OBC PCB — это не просто носитель для компонентов, но и краеугольный камень безопасности зарядки, энергоэффективности и долгосрочной надежности автомобиля. Ее проектирование и производство должны строго соответствовать жестким стандартам, таким как функциональная безопасность ISO 26262, системы качества IATF 16949 и сертификация AEC-Q.

На заводе Highleap PCB (HILPCB) мы специализируемся на предоставлении решений для печатных плат, отвечающих самым высоким автомобильным стандартам. Эта статья углубляется в уникальные проблемы, с которыми сталкиваются OBC PCB при проектировании, производстве и тестировании, и объясняет, как HILPCB использует глубокий опыт и передовые производственные возможности для поставки безопасных и надежных печатных плат автомобильного класса глобальным клиентам.

Что такое OBC PCB и ее критическая роль в электромобилях?

Печатная плата OBC является центральным блоком управления и обработки энергии бортового зарядного устройства (OBC). Основная функция OBC заключается в преобразовании переменного тока (AC) из бытовых розеток или общественных зарядных станций в высоковольтный постоянный ток (DC) для зарядки тягового аккумуляторного блока электромобиля (EV). Этот процесс включает в себя сложное преобразование энергии, управление сигналами и мониторинг безопасности — все это интегрировано на печатной плате OBC.

Ее основные функции можно резюмировать следующим образом:

1. Преобразование и управление энергией: Печатная плата OBC содержит схему коррекции коэффициента мощности (PFC) и схему преобразования DC/DC, которые являются ключевыми для достижения эффективного преобразования энергии. Она должна обрабатывать мощность на уровне киловатт (кВт), минимизируя потери энергии. Это делает ее типичной печатной платой преобразователя EV, предъявляющей чрезвычайно высокие требования к компоновке схемы и выбору компонентов.
2. Связь и координация: OBC должен в реальном времени обмениваться данными с системой управления батареями (BMS) автомобиля для получения информации о состоянии батареи (например, напряжение, температура, состояние заряда) и регулировать зарядный ток и напряжение на основе инструкций BMS. Такое сотрудничество обеспечивает безопасную и эффективную зарядку.
3. Мониторинг и защита безопасности: Плата объединяет различные датчики и защитные цепи для мониторинга критических параметров, таких как входное/выходное напряжение, ток и температура. В случае аномалий, таких как перенапряжение, перегрузка по току, перегрев или утечка, печатная плата OBC немедленно прекращает процесс зарядки для защиты аккумулятора и пассажиров.
4. Поддержка расширенных функций: С развитием технологий современные OBC больше не являются просто однонаправленными зарядными устройствами. Конструкции, поддерживающие функции Vehicle-to-Grid (V2G) или Vehicle-to-Load (V2L), такие как двунаправленные зарядные платы PCB, позволяют электромобилям подавать энергию обратно в сеть или питать внешние устройства, что предъявляет еще более высокие требования к схемотехнике.

По сути, производительность печатной платы OBC напрямую определяет скорость зарядки электромобиля, энергоэффективность, безопасность и удобство использования.

Получить предложение по печатной плате

Проектирование функциональной безопасности печатной платы OBC: Соответствие стандартам ISO 26262

В области автомобильной электроники безопасность всегда является наивысшим приоритетом. Система OBC напрямую подключается к высоковольтной сети и высоковольтной аккумуляторной системе автомобиля, и любой сбой может привести к серьезным последствиям, таким как поражение электрическим током или пожар. Поэтому конструкция печатных плат OBC должна строго соответствовать стандарту функциональной безопасности ISO 26262 для дорожных транспортных средств.

На основе оценки рисков системы OBC обычно должны достигать уровня полноты безопасности автомобиля (ASIL) B или C. Для достижения этой цели HILPCB реализует следующие ключевые механизмы безопасности при проектировании и производстве печатных плат:

• Избыточное проектирование: Для критически важных путей управляющих сигналов и путей питания применяются избыточные конструкции. Например, используются двойные датчики температуры или параллельные критически важные компоненты, чтобы гарантировать, что система может перейти в безопасное состояние даже при отказе одного компонента.
• Диагностика неисправностей и безопасное состояние: Диагностические цепи должны быть интегрированы в конструкцию печатной платы для обнаружения потенциальных аппаратных сбоев (например, обрывов цепи, коротких замыканий, дрейфа компонентов). Диагностическое покрытие (DC) является ключевым показателем для оценки эффективности проектирования функциональной безопасности. После обнаружения невосстановимой неисправности система должна быть способна быстро и детерминированно перейти в заранее определенное безопасное состояние (например, прекратить зарядку и отключить реле).
• Предотвращение отказов по общей причине (CCF): В компоновке печатных плат используются физическая и электрическая изоляция для обеспечения того, чтобы избыточные каналы не выходили из строя одновременно по одной и той же причине (например, локальный перегрев, электромагнитные помехи). Это включает строгое физическое разделение между высоковольтными и низковольтными областями, а также цифровыми и аналоговыми областями.

Инженерная команда HILPCB глубоко разбирается в требованиях ISO 26262 и может помочь клиентам в анализе безопасности оборудования, таком как анализ видов и последствий отказов (FMEA), гарантируя, что печатные платы OBC достигают высокого уровня функциональной безопасности уже на этапе проектирования.

Решение проблем высокой мощности: Стратегии терморегулирования для печатных плат OBC

Бортовое зарядное устройство (OBC) генерирует значительное количество тепла во время работы, особенно в режимах быстрой зарядки высокой мощности. Эффективность силовых устройств (таких как MOSFET и IGBT) не составляет 100%, и потери энергии рассеиваются в виде тепла. Если тепло не может быть эффективно рассеяно, это может привести к чрезмерным температурам устройств, снижению производительности, сокращению срока службы или даже к тепловому разгону. Поэтому терморегулирование является критически важным аспектом проектирования печатных плат OBC.

Отличная печатная плата с терморегулированием требует интеграции нескольких технологий для решения проблем рассеивания тепла:

• Печатная плата с толстой медью/тяжелой медью: Основной силовой контур OBC пропускает токи в десятки ампер. Использование медной фольги толщиной 3 унции или более (т.е. печатной платы с тяжелой медью) может значительно снизить сопротивление линии и повышение температуры. HILPCB располагает зрелыми производственными процессами для печатных плат с тяжелой медью, чтобы обеспечить надежность высокотоковых путей.
• Печатная плата с металлическим основанием (MCPCB): Для областей с концентрированным тепловыделением могут использоваться алюминиевые или медные подложки. MCPCB обеспечивают отличную теплопроводность, быстро отводя тепло от устройств к радиаторам. Это особенно эффективно для печатных плат преобразователей электромобилей (EV Converter PCBs) с высокой плотностью мощности.
• Термические переходные отверстия (Thermal Vias): Массивы термических переходных отверстий, расположенные под контактными площадками силовых устройств, заполненные теплопроводными материалами или гальванически осажденным металлом, могут эффективно передавать тепло от поверхности печатной платы к внутренним или нижним слоям, расширяя площадь рассеивания тепла.
• Технология встроенных медных монет (Embedded Copper Coin Technology): Для локализованных горячих точек предварительно изготовленные медные монеты могут быть встроены в печатную плату, при этом силовые устройства монтируются непосредственно на них. Эта технология обеспечивает наименьший путь теплового сопротивления от чипа к радиатору, что делает ее идеальным решением для печатных плат с тепловым управлением (Thermal Management PCB).

HILPCB использует передовой анализ теплового моделирования для прогнозирования распределения горячих точек в печатных платах бортовых зарядных устройств (OBC PCBs) на этапе проектирования и рекомендует оптимальные решения по рассеиванию тепла для обеспечения термической стабильности во всем диапазоне мощности.

Надежность в высоковольтных средах: Выбор материалов и проектирование расстояния утечки

Бортовые зарядные устройства (OBC) подключаются к высоковольтным системам постоянного тока напряжением до 400В или даже 800В, что предъявляет строгие требования к изоляционным характеристикам и долгосрочной надежности печатных плат. В высоковольтных средах неправильная конструкция может привести к искрению, утечкам или даже разрушению материала, что чревато катастрофическими последствиями.

При проектировании и производстве высоковольтных печатных плат для OBC HILPCB уделяет особое внимание следующим двум аспектам:

1. Выбор материалов автомобильного класса:
   • Высокая температура стеклования (High Tg): OBC работают при высоких температурах, что требует использования подложек со значением Tg выше 170°C (например, S1000-2M), то есть High-Tg печатных плат. Материалы с высоким Tg обеспечивают лучшую стабильность размеров и механическую прочность при высоких температурах, предотвращая расслоение или деформацию печатной платы.
   • Высокий сравнительный индекс трекинга (CTI): CTI измеряет сопротивление материала образованию путей утечки под воздействием электрических полей и загрязнения электролитом. Автомобильные приложения обычно требуют CTI ≥ 600В (класс PLC 0) для обеспечения надежности изоляции в высоковольтных, влажных или пыльных средах.
   • Устойчивость к CAF: Устойчивость к проводящим анодным нитям (CAF) имеет решающее значение для долгосрочной надежности. HILPCB выбирает тщательно проверенные основные материалы и комбинации препрегов для эффективного подавления риска миграции ионов меди вдоль пучков стекловолокна (CAF) в условиях высоких температур и высокой влажности.
2. Путь утечки и воздушный зазор:

• Воздушный зазор: Кратчайшее прямолинейное расстояние по воздуху между двумя токопроводящими частями.
• Путь утечки: Кратчайшее расстояние по поверхности изоляционного материала между двумя токопроводящими частями.
• Мы строго придерживаемся стандартов, таких как IEC 60664-1, рассчитывая и обеспечивая достаточные расстояния утечки и воздушные зазоры между высоковольтными и низковольтными цепями, а также между различными узлами высоковольтных цепей на платах OBC, исходя из рабочего напряжения, степени загрязнения и значений CTI материала. Путем реализации таких мер, как прорезка на печатных платах и установка изоляционных барьеров, расстояние утечки может быть эффективно увеличено, повышая безопасность изоляции.

Контроль качества при производстве печатных плат для бортовых зарядных устройств (OBC PCB) в соответствии с системой IATF 16949

Даже самая хорошо спроектированная печатная плата для бортового зарядного устройства (OBC PCB) не может гарантировать надежность конечного продукта без строгого контроля качества на этапе производства. HILPCB полностью внедряет автомобильную систему менеджмента качества IATF 16949, интегрируя философию "ноль дефектов" в каждый производственный этап.

• Процесс одобрения производственной части (PPAP): Для каждой новой печатной платы для бортового зарядного устройства (OBC PCB) мы инициируем полный рабочий процесс PPAP. Это включает предоставление 18 документов, таких как проектные записи, схемы технологических процессов, Анализ видов и последствий отказов процесса (PFMEA), Планы контроля, Анализ измерительных систем (MSA), отчеты о проверке размеров и отчеты о эксплуатационных испытаниях, чтобы всесторонне продемонстрировать наш стабильный производственный процесс и способность последовательно производить продукцию, соответствующую всем спецификациям.
• Статистический контроль процессов (SPC): Для критически важных производственных процессов (например, сверление, металлизация, травление) мы используем инструменты SPC для мониторинга параметров процесса в режиме реального времени. Анализируя контрольные карты, мы можем оперативно выявлять аномальные колебания и принимать корректирующие меры до появления несоответствующей продукции, обеспечивая постоянно высокий индекс пригодности процесса (Cpk).
• Передовое инспекционное оборудование: Производственная линия HILPCB автомобильного класса оснащена современными устройствами, включая автоматическую оптическую инспекцию (AOI), рентгеновскую инспекцию (для пайки BGA и проверки выравнивания многослойных плат) и высоковольтные испытания (Hi-Pot Testing) (для проверки прочности изоляции), гарантируя, что каждая отгруженная OBC PCB проходит 100% электрическую и визуальную проверку.
• Прослеживаемость: Мы внедрили комплексную систему прослеживаемости, где каждая печатная плата имеет уникальный QR-код. Сканирование кода позволяет получить полную информацию, включая производственную партию, номера партий сырья, операторов для каждого этапа процесса и параметры оборудования. В случае возникновения проблем с качеством это позволяет быстро оценить воздействие и провести анализ первопричин.

Получить предложение по печатным платам

Строгие испытания автомобильного класса: AEC-Q и проверка экологической надежности

Эксплуатационные условия в автомобильной промышленности чрезвычайно сложны, характеризуются резкими перепадами температур, постоянными вибрациями, влажностью и химической коррозией. Поэтому печатные платы OBC должны проходить серию строгих испытаний на экологическую надежность для проверки их долговечности на протяжении всего жизненного цикла автомобиля. Эти испытания в основном основаны на отраслевых стандартах, таких как AEC-Q100/Q200.

Собственная лаборатория HILPCB или партнерские сторонние сертификационные лаборатории могут проводить следующие ключевые испытания:

• Испытание на термоциклирование (TCT): Подвергает печатную плату сотням или даже тысячам циклов между экстремально низкими температурами (например, -40°C) и экстремально высокими температурами (например, +125°C или +150°C) для оценки напряжений, вызванных несоответствием коэффициентов теплового расширения (КТР) между различными материалами (медь, подложка, паяльная маска). Проверяет наличие таких проблем, как растрескивание переходных отверстий или отслоение контактных площадок.
• Испытание на термоудар (TST): Более суровое, чем термоциклирование, это испытание быстро переключается между экстремальными температурами (обычно менее чем за 1 минуту) для имитации экстремальных условий эксплуатации.
• Испытание на вибрацию: Имитирует случайные вибрации, возникающие во время эксплуатации автомобиля на различных дорожных покрытиях, проверяя, могут ли компоненты печатной платы и паяные соединения уставать или разрушаться под механическим напряжением.
• Highly Accelerated Stress Test (HAST)/Pressure Cooker Test (PCT): Ускоряет оценку влагостойкости в условиях высокой температуры, высокой влажности и высокого давления, оценивая устойчивость к CAF и долгосрочную надежность изоляции.

Только печатные платы OBC, прошедшие эти строгие испытания, могут считаться продуктами "автомобильного класса", обеспечивающими долгосрочную стабильную работу в сложных автомобильных условиях.

Совместное проектирование печатной платы OBC и связанных систем

БЗУ не является изолированной системой. Проектирование его печатной платы БЗУ должно тесно координироваться с другими электронными системами в транспортном средстве, особенно с системой силовой батареи.

• Координация с системой управления батареей (BMS): BMS действует как мозг батареи. Он отправляет запросы на зарядку OBC через шину CAN и предоставляет критически важные данные в реальном времени, такие как общее напряжение батареи, самое высокое/низкое напряжение ячейки и самая высокая/низкая температура. Микроконтроллер (MCU) на плате OBC должен точно интерпретировать эту информацию и прецизионно контролировать процесс зарядки. Это тесное взаимодействие означает, что инженеры, разрабатывающие плату OBC, также должны глубоко понимать, как работает плата системы управления батареей.
• Соединение с балансировкой батареи: На заключительном этапе зарядки BMS инициирует функцию балансировки батареи для обеспечения равномерного уровня заряда всех ячеек. Этот процесс обычно выполняется платой балансировки ячеек. OBC должен обеспечивать стабильный низкий ток во время фазы балансировки, следуя инструкциям BMS, чтобы координировать работу с балансировочной схемой. Следовательно, стратегия зарядки OBC должна соответствовать стратегии балансировки платы балансировки ячеек.
• Поддержка функциональности V2G/V2L: Когда бортовое зарядное устройство (OBC) спроектировано как двунаправленное зарядное устройство, сложность его печатной платы значительно возрастает. Эта печатная плата двунаправленного зарядного устройства требует не только эффективных схем преобразования переменного тока в постоянный, но и столь же эффективных схем инверсии постоянного тока в переменный. Она должна точно контролировать выходную частоту и фазу переменного тока для достижения синхронизации с электросетью, что создает большие проблемы для проектирования ЭМС и алгоритмов управления печатной платы.

Выберите HILPCB: Ваш надежный партнер по автомобильным печатным платам OBC

Производство безопасной, надежной и эффективной печатной платы OBC — это систематический проект. Он требует от поставщиков не только наличия передового производственного оборудования, но и глубокого понимания строгих стандартов автомобильной промышленности и обширного практического опыта.

Выбирая HILPCB в качестве партнера по автомобильным печатным платам, вы получите следующие преимущества:

• Комплексные сертификаты: HILPCB сертифицирована в соответствии с системой менеджмента качества IATF 16949:2016, что гарантирует полное соответствие наших производственных процессов высочайшим стандартам автомобильной промышленности.
• Экспертная техническая поддержка: Наша команда инженеров хорошо разбирается в таких стандартах, как ISO 26262 и AEC-Q. Мы предоставляем профессиональные консультации с точки зрения DFM (проектирование для технологичности) и DFA (проектирование для сборки) на ранних этапах вашего проекта, помогая вам снизить риски и оптимизировать затраты на проектирование вашей печатной платы OBC.
• Расширенные производственные возможности: Мы используем специализированные производственные линии для автомобильной электроники, способные обрабатывать сложные процессы, такие как толстая медь, материалы с высоким Tg, печатные платы с металлическим основанием, и предлагаем комплексные услуги от производства печатных плат до сборки под ключ.
• Стремление к нулевому количеству дефектов: Мы применяем инструменты контроля качества, такие как APQP, PPAP и FMEA, в сочетании со статистическим контролем процессов (SPC) и 100% электрическим тестированием, чтобы поставлять нашим клиентам продукты OBC PCB с "нулевым количеством дефектов".