Les exigences pour les circuits imprimés dans les systèmes électroniques automobiles (1) Systèmes d'alimentation et d'énergie

Meta Description: Découvrez les exigences clés de conception et de fabrication de PCB pour les systèmes d'alimentation et d'énergie des VE, y compris les batteries, les BMS, les chargeurs embarqués, les convertisseurs CC-CC et les onduleurs de traction. Apprenez-en davantage sur la conception de PCB haute tension, la gestion thermique, les cartes en cuivre épais et les normes d'isolation.

Introduction

Les systèmes d'alimentation et d'énergie sont au cœur des véhicules électriques (VE), permettant le stockage, la conversion et la distribution de l'énergie électrique qui alimente le fonctionnement du véhicule. Des composants essentiels tels que les batteries, les systèmes de gestion de batterie (BMS), les chargeurs embarqués (OBC), les convertisseurs CC-CC, les onduleurs de traction et les boîtiers de jonction haute tension fonctionnent en tandem pour assurer un flux d'énergie efficace et sûr. Ces systèmes fonctionnent dans des conditions extrêmes, gérant des tensions élevées allant de 400 V à 800 V (et jusqu'à 1200 V dans les modèles avancés) et de forts courants atteignant des centaines d'ampères. Par conséquent, la conception et la fabrication de circuits imprimés (PCB) pour ces systèmes sont essentielles pour garantir la fiabilité, la sécurité et les performances globales du véhicule. Cet article explore les exigences spécifiques des PCB, les défis techniques et les tendances émergentes dans les systèmes d'alimentation et d'énergie des VE.

Aperçu des systèmes d'alimentation et d'énergie des VE

Les systèmes d'alimentation et d'énergie des VE se composent de plusieurs modules interconnectés, chacun ayant des fonctions distinctes mais partageant des exigences communes en matière de fiabilité, de sécurité et d'efficacité thermique :

• Batterie et BMS: La batterie stocke l'énergie électrique, tandis que le BMS surveille la tension des cellules, la température et l'état de charge, équilibrant les cellules pour maximiser les performances et la durée de vie.

• Chargeur embarqué (OBC): Convertit le courant alternatif (CA) du réseau en courant continu (CC) pour charger la batterie, l'efficacité ayant un impact direct sur la vitesse de charge.

• Convertisseur CC-CC: Abaisse la haute tension de la batterie (généralement 400 V) à des tensions inférieures (12 V ou 48 V) pour alimenter les systèmes auxiliaires tels que les feux, l'infodivertissement et les capteurs.

• Onduleur de traction et contrôleur de moteur: Convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA) pour alimenter le moteur électrique, un processus essentiel à l'accélération et à l'efficacité du véhicule.

• Boîtier de jonction haute tension: Distribue en toute sécurité la haute tension dans le véhicule, en intégrant des mécanismes de protection pour éviter les surcharges ou les courts-circuits.

• Contrôle du freinage régénératif: Capture l'énergie cinétique pendant le freinage et la reconvertit en énergie électrique pour le stockage dans la batterie, améliorant ainsi l'efficacité énergétique.

Exigences de conception des PCB pour les systèmes d'alimentation et d'énergie

Pour répondre aux exigences du fonctionnement haute tension et haute intensité, les PCB des systèmes d'alimentation des VE doivent respecter des critères de conception stricts :

1. Gestion de la haute tension et du courant élevé

La capacité à gérer des courants importants sans surchauffe ni perte de tension est fondamentale. Cela nécessite :

• Couches de cuivre épaisses: L'épaisseur du cuivre des PCB varie de 2 oz à 6 oz (1 oz équivalant à 35 µm), et des cartes à âme métallique sont souvent utilisées pour des composants tels que les onduleurs de traction afin d'améliorer la capacité de transport de courant.

• Larges pistes et barres omnibus intégrées: Des largeurs de pistes élargies et des barres omnibus en cuivre intégrées minimisent la résistance et réduisent les pertes de puissance, ce qui est essentiel pour les chemins à courant élevé.

2. Normes d'isolation et de sécurité

Le fonctionnement haute tension exige une isolation robuste pour éviter les arcs électriques et les risques électriques :

• Distances de fuite et de garde: Pour les lignes haute tension, ces distances sont généralement ≥4 mm–8 mm pour éviter la défaillance de l'isolation.

• Conformité aux normes mondiales: Les PCB doivent être conformes aux normes CEI 60664 (pour la fuite/la garde), UL 796 (certification haute tension) et IPC-2221 (règles d'espacement générales), comme indiqué dans le tableau 2.

3. Gestion thermique

Une chaleur excessive peut dégrader les performances et raccourcir la durée de vie des composants. Les stratégies de gestion thermique comprennent :

• Via thermiques, cuivre intégré et substrats métalliques: Ces caractéristiques améliorent la dissipation de la chaleur des composants haute puissance.

• Stratifiés à Tg élevée et à faible CTE: Les stratifiés avec une température de transition vitreuse (Tg) de ≥170 °C et un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) résistent au gauchissement en cas de fluctuations de température.

4. Matériaux multicouches et hybrides

Les systèmes d'alimentation complexes nécessitent des structures de PCB avancées :

• Empilements à 6–12 couches: Courants dans les modules d'alimentation pour séparer les couches d'alimentation, de masse et de signal, réduisant ainsi les interférences.

• Matériaux hybrides: Les combinaisons de FR-4 avec des substrats haute fréquence ou céramiques (par exemple, pour les dispositifs d'onduleur SiC/GaN) optimisent les performances pour des composants spécifiques.

Tableau 1 : Niveaux de tension et de courant par rapport à l'épaisseur du cuivre des PCB

Défis de fabrication

La production de PCB pour les systèmes d'alimentation des VE implique plusieurs obstacles techniques :

• Traitement du cuivre épais: La gravure de couches de cuivre ≥4 oz est sujette à la contre-dépouille, ce qui nécessite un contrôle précis pour maintenir la précision des pistes.

• Isolation haute tension: Équilibrer la conception compacte des modules avec les distances de fuite/de garde requises est un défi, car la miniaturisation entre souvent en conflit avec les besoins d'isolation.

• Lamination de matériaux hybrides: La combinaison de matériaux comme le FR-4 et la céramique ou le PTFE exige un contrôle strict de la pression et de la température de lamination pour éviter la délamination.

• Tests de fiabilité: Les PCB doivent subir des tests rigoureux de cyclage thermique, de vieillissement à l'humidité, de vibrations et d'isolation haute tension pour garantir leur durabilité dans les environnements automobiles difficiles.

Tableau 2 : Normes de sécurité et d'isolation des PCB

Tendances futures en matière de conception de PCB d'alimentation pour VE

À mesure que la technologie des VE progresse, la conception des PCB évolue pour répondre aux nouvelles exigences :

• Semi-conducteurs à large bande interdite: Les dispositifs en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN), connus pour leur haut rendement et leur haute fréquence, nécessitent des structures de PCB à faible inductance et à faibles pertes pour maximiser les performances.

• Électronique de puissance intégrée: Les PCB avec des barres omnibus en cuivre intégrées réduisent la résistance et la taille des modules, améliorant ainsi l'efficacité énergétique.

• Solutions thermiques avancées: Des substrats de PCB refroidis par liquide sont adoptés pour les onduleurs afin de gérer des charges thermiques plus élevées provenant des semi-conducteurs de nouvelle génération.

• Intégration et miniaturisation: L'intégration croissante des fonctions sur des modules de PCB uniques réduit la complexité et le poids du système, améliorant ainsi l'efficacité du véhicule.

Tableau 3 : Comparaison des matériaux de PCB pour les systèmes d'alimentation des VE

Conclusion

Les systèmes d'alimentation et d'énergie des VE imposent des exigences rigoureuses en matière de conception et de fabrication de PCB, des couches de cuivre épaisses et de l'isolation haute tension à la gestion thermique avancée et à l'intégration de matériaux hybrides. En tant que colonne vertébrale d'une alimentation énergétique sûre et efficace, ces PCB sont essentiels aux performances des VE modernes. Avec l'adoption accélérée de la mobilité électrique, le besoin de PCB haute performance, certifiés sécurité et thermiquement robustes ne fera que croître. Les fabricants qui maîtrisent ces technologies joueront un rôle clé dans la progression de la révolution de la mobilité électrique.