Les exigences pour les circuits imprimés dans les systèmes électroniques automobiles (2) Systèmes de contrôle des véhicules

Meta Description: Découvrez les exigences en matière de PCB pour les systèmes de contrôle des véhicules électriques, y compris les modules VCU, ECU, TCU, ABS/ESC et de direction. Explorez la conception de PCB critiques pour la sécurité, la conformité à la norme ISO 26262, les cartes multicouches et les stratégies de conception CEM/EMI.

Introduction

Les systèmes de contrôle des véhicules servent de « cerveau et de nerfs » des véhicules électriques (VE), orchestrant la coordination des fonctions de conduite et des mécanismes de sécurité. Des modules critiques tels que l'unité de contrôle du véhicule (VCU), l'unité de contrôle du moteur (ECU pour les modèles hybrides), l'unité de contrôle de la transmission (TCU), le frein de stationnement électronique (EPB), la direction assistée électrique (EPS) et les modules de contrôle des freins (ABS/ESC) fonctionnent à l'unisson pour assurer un fonctionnement en douceur, une maniabilité réactive et la protection des passagers. Compte tenu de leur nature critique pour la sécurité, toute défaillance de ces systèmes pourrait directement compromettre la sécurité du véhicule, faisant de la conception et de la fabrication de PCB pour les systèmes de contrôle une pierre angulaire de la fiabilité des VE. Cet article décrit les exigences spécifiques en matière de PCB, les défis de fabrication et les tendances émergentes dans les systèmes de contrôle des véhicules électriques.

Aperçu des systèmes de contrôle des véhicules

Les systèmes de contrôle des VE comprennent plusieurs modules spécialisés, chacun ayant des rôles distincts dans le fonctionnement du véhicule :

• VCU (Vehicle Control Unit): Agit comme le coordinateur central, gérant les opérations globales du véhicule, y compris la répartition du couple, la gestion de l'énergie et le changement de mode entre les modes de conduite.

• ECU (Engine Control Unit, pour les hybrides): Régule la synergie entre les moteurs à combustion et les moteurs électriques dans les VE hybrides, optimisant le rendement énergétique et la puissance de sortie.

• TCU (Transmission Control Unit): Ajuste avec précision les changements de vitesse dans les transmissions hybrides ou à plusieurs vitesses des VE, assurant une alimentation en douceur et un rendement énergétique.

• Module EPS (Electric Power Steering): Fournit une assistance de direction précise et sensible à la vitesse, améliorant la maniabilité et le confort du conducteur.

• ABS/ESC (Anti-lock Braking System/Electronic Stability Control): Empêche le blocage des roues lors du freinage et maintient la stabilité du véhicule lors de manœuvres soudaines, ce qui est essentiel pour la prévention des accidents.

• Contrôleur EPB (Electronic Parking Brake): Gère l'activation et le relâchement du frein de stationnement, s'intégrant aux systèmes de sécurité du véhicule pour une sécurité accrue.

Exigences de conception des PCB

Pour répondre aux exigences strictes d'un fonctionnement critique pour la sécurité, les PCB des systèmes de contrôle des véhicules doivent respecter des critères de conception spécialisés :

1. Sécurité fonctionnelle (ISO 26262 ASIL-D)

La sécurité fonctionnelle est primordiale, avec la conformité à la norme ISO 26262, la norme mondiale en matière de sécurité fonctionnelle automobile. Les stratégies clés comprennent :

• Circuits redondants: Duplique les chemins critiques pour garantir que le fonctionnement se poursuit même si un circuit tombe en panne.

• Conception à double MCU: Les unités de microcontrôleur parallèles fournissent des sécurités, avec des mécanismes de contrôle croisé pour détecter les anomalies.

• Disposition tolérante aux pannes: Les pistes et les composants des PCB sont disposés de manière à minimiser les risques de défaillance ponctuelle, avec une isolation entre les circuits critiques et non critiques.

2. Compatibilité électromagnétique (CEM/EMI)

Les systèmes de contrôle fonctionnent dans des environnements électromagnétiques remplis de bruit provenant des moteurs, des batteries et d'autres appareils électroniques. L'atténuation CEM/EMI implique :

• Plans de masse dédiés: Des couches de masse séparées pour les signaux numériques, analogiques et d'alimentation réduisent les interférences.

• Couches blindées: Le blindage métallique autour des pistes de signaux sensibles empêche les rayonnements électromagnétiques de perturber les opérations.

• Intégrité stricte du signal: Le routage à impédance contrôlée et les longueurs de trace minimisées préservent la qualité du signal dans les chemins de communication à haut débit.

3. Résistance aux environnements difficiles

Les modules de contrôle des véhicules endurent des conditions extrêmes, nécessitant :

• Large tolérance de température: Fonctionnement de -40 °C à +150 °C pour résister aux environnements du compartiment moteur et du dessous de caisse.

• Résistance élevée à l'humidité: Protection contre la condensation et l'entrée d'humidité, essentielle pour la fiabilité dans divers climats.

• Résistance aux chocs et aux vibrations: Renforcement structurel pour survivre aux vibrations induites par la route et aux charges d'impact.

4. Fiabilité multicouche

Les fonctions de contrôle complexes exigent des structures de PCB sophistiquées :

• Empilements à 4 à 8 couches: Les configurations de couches optimisées séparent les chemins d'alimentation, de masse et de signal, réduisant la diaphonie.

• Mise à la terre stratégique: La mise à la terre en étoile et le partitionnement du plan de masse minimisent la propagation du bruit entre les composants sensibles.

Tableau 1 : Conditions de fonctionnement typiques des unités de contrôle

Défis de fabrication

La production de PCB pour les systèmes de contrôle des véhicules implique des obstacles techniques uniques :

• Intégrité du signal vs. gestion de l'alimentation: L'intégration de circuits numériques (signaux de contrôle), analogiques (entrées de capteurs) et d'alimentation sur un seul PCB nécessite une partitionnement minutieux pour éviter les interférences entre les composants haute puissance et basse tension.

• Résistance aux vibrations: Des cartes épaisses (1,6 à 2,4 mm) avec une teneur élevée en fibre de verre sont nécessaires pour résister aux vibrations continues, mais cela augmente la complexité de fabrication en matière de perçage et de stratification.

• Mise en œuvre de la conception redondante: Les circuits de sécurité à double couche et le placement parallèle des composants exigent un alignement précis lors de la fabrication, avec des tolérances strictes pour garantir que les deux chemins redondants fonctionnent de manière identique.

Tableau 2 : Structures de couches de PCB pour les modules de contrôle des véhicules

Tendances futures

Les progrès de la technologie des VE stimulent l'évolution des PCB des systèmes de contrôle :

• Unités de contrôle basées sur l'IA: Intégration accrue de la puissance de calcul, avec des PCB prenant en charge des processeurs hautes performances pour l'analyse des données en temps réel et les algorithmes de contrôle adaptatifs.

• Intégration du contrôleur de domaine: La consolidation de plusieurs ECU/VCU en moins de cartes hautes performances réduit la complexité du câblage, nécessitant des PCB avec un nombre de couches plus élevé (10 à 12 couches) et un routage de signaux avancé.

• Matériaux avancés: L'adoption de stratifiés à Tg élevé (≥ 180 °C) améliore la stabilité thermique, tandis que les revêtements conformes améliorent la résistance à l'humidité et aux produits chimiques dans les environnements difficiles.

Tableau 3 : Exigences de sécurité ISO 26262 vs. stratégies de PCB

Conclusion

Les systèmes de contrôle des véhicules exigent une sécurité et une fiabilité sans compromis de la conception des PCB, la conformité à la norme ISO 26262 servant d'exigence fondamentale. Ces PCB doivent résister aux températures extrêmes, aux vibrations et aux interférences électromagnétiques tout en maintenant une intégrité de signal précise. À mesure que la technologie des VE progresse, les futurs PCB des systèmes de contrôle présenteront une intégration plus élevée, des contrôleurs de domaine plus intelligents et des matériaux avancés, garantissant qu'ils restent l'épine dorsale essentielle d'une mobilité électrique sûre et efficace.