Os Requisitos para Placas de Circuito Impresso em Sistemas Eletrônicos Automotivos (1) Sistemas de Energia

Meta Descrição: Descubra os principais requisitos de projeto e fabricação de PCB para sistemas de energia e energia de veículos elétricos (EV), incluindo baterias, BMS, carregadores de bordo, conversores DC-DC e inversores de tração. Saiba mais sobre projeto de PCB de alta tensão, gerenciamento térmico, placas de cobre espessas e padrões de isolamento.

Introdução

Os sistemas de energia e energia servem como o núcleo dos veículos elétricos (EVs), permitindo o armazenamento, conversão e distribuição de energia elétrica que impulsiona a operação do veículo. Componentes críticos, como baterias, sistemas de gerenciamento de bateria (BMS), carregadores de bordo (OBC), conversores DC-DC, inversores de tração e caixas de junção de alta tensão, trabalham em conjunto para garantir um fluxo de energia eficiente e seguro. Esses sistemas operam em condições extremas, lidando com altas tensões que variam de 400V a 800V (e até 1200V em modelos avançados) e grandes correntes que atingem centenas de amperes. Como resultado, o projeto e a fabricação de placas de circuito impresso (PCBs) para esses sistemas são fundamentais para garantir a confiabilidade, segurança e desempenho geral do veículo. Este artigo aborda os requisitos específicos de PCB, os desafios técnicos e as tendências emergentes em sistemas de energia e energia de veículos elétricos.

Visão geral dos sistemas de energia e energia de veículos elétricos

Os sistemas de energia e energia de veículos elétricos consistem em vários módulos interconectados, cada um com funções distintas, mas compartilhando demandas comuns por confiabilidade, segurança e eficiência térmica:

• Bateria e BMS: A bateria armazena energia elétrica, enquanto o BMS monitora a tensão da célula, a temperatura e o estado de carga, equilibrando as células para maximizar o desempenho e a vida útil.

• Carregador de bordo (OBC): Converte corrente alternada (AC) da rede em corrente contínua (DC) para carregar a bateria, com a eficiência impactando diretamente a velocidade de carregamento.

• Conversor DC-DC: Reduz a alta tensão da bateria (normalmente 400V) para tensões mais baixas (12V ou 48V) para alimentar sistemas auxiliares, como luzes, infoentretenimento e sensores.

• Inversor de tração e controlador do motor: Converte DC da bateria em corrente alternada (AC) para acionar o motor elétrico, um processo crítico para a aceleração e eficiência do veículo.

• Caixa de junção de alta tensão: Distribui com segurança a energia de alta tensão por todo o veículo, incorporando mecanismos de proteção para evitar sobrecargas ou curtos-circuitos.

• Controle de frenagem regenerativa: Captura a energia cinética durante a frenagem e a converte de volta em energia elétrica para armazenamento na bateria, aumentando a eficiência energética.

Requisitos de projeto de PCB para sistemas de energia e energia

Para atender às demandas de operação de alta tensão e alta corrente, as PCBs do sistema de energia de veículos elétricos devem aderir a critérios de projeto rigorosos:

1. Manuseio de alta tensão e alta corrente

A capacidade de gerenciar grandes correntes sem superaquecimento ou perda de tensão é fundamental. Isso requer:

• Camadas de cobre espessas: A espessura do cobre da PCB varia de 2oz a 6oz (com 1oz equivalente a 35μm), e as placas de núcleo de metal são frequentemente usadas para componentes como inversores de tração para aumentar a capacidade de transporte de corrente.

• Trilhas largas e barras de barramento integradas: Larguras de trilha expandidas e barras de barramento de cobre embutidas minimizam a resistência e reduzem a perda de energia, crítico para caminhos de alta corrente.

2. Padrões de isolamento e segurança

A operação de alta tensão exige isolamento robusto para evitar arcos e riscos elétricos:

• Distâncias de escoamento e folga: Para linhas de alta tensão, essas distâncias são tipicamente ≥4mm–8mm para evitar a quebra do isolamento.

• Conformidade com os padrões globais: As PCBs devem atender à IEC 60664 (para escoamento/folga), UL 796 (certificação de alta tensão) e IPC-2221 (regras gerais de espaçamento), conforme detalhado na Tabela 2.

3. Gerenciamento térmico

O calor excessivo pode degradar o desempenho e encurtar a vida útil dos componentes. As estratégias de gerenciamento térmico incluem:

• Vias térmicas, cobre embutido e substratos metálicos: Esses recursos aprimoram a dissipação de calor de componentes de alta potência.

• Laminados de alta Tg e baixo CTE: Laminados com uma temperatura de transição vítrea (Tg) de ≥170°C e baixo coeficiente de expansão térmica (CTE) resistem à deformação sob flutuações de temperatura.

4. Materiais multicamadas e híbridos

Sistemas de energia complexos exigem estruturas de PCB avançadas:

• Empilhamentos de 6–12 camadas: Comum em módulos de energia para separar camadas de energia, terra e sinal, reduzindo a interferência.

• Materiais híbridos: Combinações de FR-4 com substratos de alta frequência ou cerâmicos (por exemplo, para dispositivos inversores SiC/GaN) otimizam o desempenho para componentes específicos.

Tabela 1: Níveis de tensão e corrente vs. Espessura do cobre da PCB

Desafios de fabricação

A produção de PCBs para sistemas de energia de veículos elétricos envolve vários obstáculos técnicos:

• Processamento de cobre espesso: A corrosão de camadas de cobre ≥4oz é propensa a socavações, exigindo controle preciso para manter a precisão das trilhas.

• Isolamento de alta tensão: Equilibrar o projeto compacto do módulo com as distâncias de escoamento/folga necessárias é um desafio, pois a miniaturização geralmente entra em conflito com as necessidades de isolamento.

• Laminação de material híbrido: A combinação de materiais como FR-4 e cerâmica ou PTFE exige controle rigoroso sobre a pressão e a temperatura de laminação para evitar a delaminação.

• Testes de confiabilidade: As PCBs devem passar por testes rigorosos de ciclagem térmica, envelhecimento por umidade, vibração e isolamento de alta tensão para garantir a durabilidade em ambientes automotivos adversos.

Tabela 2: Padrões de segurança e isolamento de PCB

Tendências futuras no projeto de PCB de energia de veículos elétricos

À medida que a tecnologia de veículos elétricos avança, o projeto de PCB está evoluindo para atender a novas demandas:

• Semicondutores de banda larga: Dispositivos de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), conhecidos por alta eficiência e frequência, exigem estruturas de PCB de baixa indutância e baixa perda para maximizar o desempenho.

• Eletrônica de potência embutida: PCBs com barras de barramento de cobre embutidas reduzem a resistência e o tamanho do módulo, melhorando a eficiência energética.

• Soluções térmicas avançadas: Substratos de PCB refrigerados a líquido estão sendo adotados para inversores para lidar com cargas de calor mais altas de semicondutores de última geração.

• Integração e miniaturização: O aumento da integração de funções em módulos de PCB únicos reduz a complexidade e o peso do sistema, aumentando a eficiência do veículo.

Tabela 3: Comparação de materiais de PCB para sistemas de energia de veículos elétricos

Conclusão

Os sistemas de energia e energia de veículos elétricos impõem exigências rigorosas ao projeto e fabricação de PCB, desde camadas de cobre espessas e isolamento de alta tensão até gerenciamento térmico avançado e integração de materiais híbridos. Como a espinha dorsal da entrega de energia segura e eficiente, essas PCBs são críticas para o desempenho dos veículos elétricos modernos. Com a crescente adoção da mobilidade elétrica, a necessidade de PCBs de alto desempenho, com certificação de segurança e termicamente robustos só aumentará. Os fabricantes que dominarem essas tecnologias desempenharão um papel fundamental em impulsionar a revolução da mobilidade elétrica.