Persyaratan untuk Papan Sirkuit Cetak dalam Sistem Elektronik Otomotif (1) Sistem Daya & Energi

Meta Deskripsi: Temukan persyaratan desain dan manufaktur PCB utama untuk sistem daya dan energi EV, termasuk paket baterai, BMS, pengisi daya on-board, konverter DC-DC, dan inverter traksi. Pelajari tentang desain PCB tegangan tinggi, manajemen termal, papan tembaga tebal, dan standar isolasi.

Introduksi

Sistem daya dan energi berfungsi sebagai inti dari kendaraan listrik (EV), memungkinkan penyimpanan, konversi, dan distribusi energi listrik yang menggerakkan pengoperasian kendaraan. Komponen penting seperti paket baterai, sistem manajemen baterai (BMS), pengisi daya on-board (OBC), konverter DC-DC, inverter traksi, dan kotak sambungan tegangan tinggi bekerja bersama untuk memastikan aliran energi yang efisien dan aman. Sistem ini beroperasi dalam kondisi ekstrem, menangani tegangan tinggi mulai dari 400V hingga 800V (dan hingga 1200V dalam model canggih) dan arus besar yang mencapai ratusan ampere. Akibatnya, desain dan manufaktur papan sirkuit cetak (PCB) untuk sistem ini sangat penting untuk memastikan keandalan, keselamatan, dan kinerja keseluruhan kendaraan. Artikel ini membahas persyaratan PCB khusus, tantangan teknis, dan tren yang muncul dalam sistem daya dan energi EV.

Ikhtisar Sistem Daya & Energi EV

Sistem daya dan energi EV terdiri dari beberapa modul yang saling berhubungan, masing-masing dengan fungsi yang berbeda tetapi berbagi tuntutan umum untuk keandalan, keselamatan, dan efisiensi termal:

• Paket Baterai & BMS: Paket baterai menyimpan energi listrik, sementara BMS memantau tegangan sel, suhu, dan status pengisian daya, menyeimbangkan sel untuk memaksimalkan kinerja dan masa pakai.

• Pengisi Daya On-Board (OBC): Mengubah arus bolak-balik (AC) dari jaringan menjadi arus searah (DC) untuk mengisi daya paket baterai, dengan efisiensi yang secara langsung memengaruhi kecepatan pengisian daya.

• Konverter DC-DC: Menurunkan daya tegangan tinggi dari baterai (biasanya 400V) ke tegangan yang lebih rendah (12V atau 48V) untuk memberi daya pada sistem tambahan seperti lampu, infotainment, dan sensor.

• Inverter Traksi & Pengontrol Motor: Mengubah DC dari baterai menjadi arus bolak-balik (AC) untuk menggerakkan motor listrik, sebuah proses yang sangat penting untuk akselerasi dan efisiensi kendaraan.

• Kotak Sambungan Tegangan Tinggi: Mendistribusikan daya tegangan tinggi secara aman ke seluruh kendaraan, menggabungkan mekanisme pelindung untuk mencegah kelebihan beban atau korsleting.

• Kontrol Pengereman Regeneratif: Menangkap energi kinetik selama pengereman dan mengubahnya kembali menjadi energi listrik untuk disimpan dalam baterai, meningkatkan efisiensi energi.

Persyaratan Desain PCB untuk Sistem Daya & Energi

Untuk memenuhi tuntutan pengoperasian tegangan tinggi, arus tinggi, PCB sistem daya EV harus mematuhi kriteria desain yang ketat:

1. Penanganan Tegangan Tinggi dan Arus Tinggi

Kemampuan untuk mengelola arus besar tanpa panas berlebih atau kehilangan tegangan adalah hal yang mendasar. Ini membutuhkan:

• Lapisan tembaga tebal: Ketebalan tembaga PCB berkisar dari 2oz hingga 6oz (dengan 1oz setara dengan 35μm), dan papan inti logam sering digunakan untuk komponen seperti inverter traksi untuk meningkatkan kapasitas pembawa arus.

• Jalur lebar dan busbar terintegrasi: Lebar jalur yang diperluas dan busbar tembaga tertanam meminimalkan resistansi dan mengurangi kehilangan daya, sangat penting untuk jalur arus tinggi.

2. Standar Isolasi dan Keselamatan

Pengoperasian tegangan tinggi menuntut isolasi yang kuat untuk mencegah busur dan bahaya listrik:

• Jarak rambat dan jarak bebas: Untuk saluran tegangan tinggi, jarak ini biasanya ≥4mm–8mm untuk menghindari kerusakan isolasi.

• Kepatuhan terhadap standar global: PCB harus memenuhi IEC 60664 (untuk rambat/jarak bebas), UL 796 (sertifikasi tegangan tinggi), dan IPC-2221 (aturan spasi umum), seperti yang dirinci dalam Tabel 2.

3. Manajemen Termal

Panas berlebih dapat menurunkan kinerja dan memperpendek masa pakai komponen. Strategi manajemen termal meliputi:

• Vias termal, tembaga tertanam, dan substrat logam: Fitur-fitur ini meningkatkan pembuangan panas dari komponen berdaya tinggi.

• Laminasi High-Tg dan low-CTE: Laminasi dengan suhu transisi gelas (Tg) ≥170°C dan koefisien ekspansi termal (CTE) rendah tahan terhadap pelengkungan di bawah fluktuasi suhu.

4. Bahan Multilapis & Hibrida

Sistem daya yang kompleks membutuhkan struktur PCB canggih:

• Susunan tumpukan 6–12 lapis: Umum dalam modul daya untuk memisahkan lapisan daya, ground, dan sinyal, mengurangi interferensi.

• Bahan hibrida: Kombinasi FR-4 dengan substrat frekuensi tinggi atau keramik (misalnya, untuk perangkat inverter SiC/GaN) mengoptimalkan kinerja untuk komponen tertentu.

Tabel 1: Tingkat Tegangan & Arus vs. Ketebalan Tembaga PCB

Tantangan Manufaktur

Memproduksi PCB untuk sistem daya EV melibatkan beberapa kendala teknis:

• Pemrosesan tembaga tebal: Etching lapisan tembaga ≥4oz rentan terhadap pemotongan, membutuhkan kontrol yang tepat untuk mempertahankan akurasi jejak.

• Isolasi tegangan tinggi: Menyeimbangkan desain modul yang ringkas dengan jarak rambat/jarak bebas yang diperlukan adalah tantangan, karena miniaturisasi seringkali bertentangan dengan kebutuhan isolasi.

• Laminasi bahan hibrida: Menggabungkan bahan seperti FR-4 dan keramik atau PTFE membutuhkan kontrol yang ketat terhadap tekanan dan suhu laminasi untuk menghindari delaminasi.

• Pengujian keandalan: PCB harus menjalani siklus termal yang ketat, penuaan kelembaban, getaran, dan pengujian isolasi tegangan tinggi untuk memastikan daya tahan di lingkungan otomotif yang keras.

Tabel 2: Standar Keselamatan & Isolasi PCB

Tren Masa Depan dalam Desain PCB Daya EV

Seiring kemajuan teknologi EV, desain PCB berkembang untuk memenuhi tuntutan baru:

• Semikonduktor Bandgap Lebar: Perangkat silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN), yang dikenal karena efisiensi dan frekuensi tinggi, membutuhkan struktur PCB induktansi rendah, rugi rendah untuk memaksimalkan kinerja.

• Elektronik Daya Tertanam: PCB dengan busbar tembaga tertanam mengurangi resistansi dan ukuran modul, meningkatkan efisiensi energi.

• Solusi Termal Lanjutan: Substrat PCB berpendingin cairan sedang diadopsi untuk inverter untuk menangani beban panas yang lebih tinggi dari semikonduktor generasi berikutnya.

• Integrasi & Miniaturisasi: Meningkatkan integrasi fungsi ke dalam modul PCB tunggal mengurangi kompleksitas dan berat sistem, meningkatkan efisiensi kendaraan.

Tabel 3: Perbandingan Bahan PCB untuk Sistem Daya EV

Kesimpulan

Sistem daya dan energi EV memberikan tuntutan yang ketat pada desain dan manufaktur PCB, mulai dari lapisan tembaga tebal dan isolasi tegangan tinggi hingga manajemen termal canggih dan integrasi bahan hibrida. Sebagai tulang punggung pengiriman energi yang aman dan efisien, PCB ini sangat penting untuk kinerja EV modern. Dengan percepatan adopsi mobilitas listrik, kebutuhan akan PCB bersertifikasi keselamatan, berkinerja tinggi, dan tahan panas hanya akan meningkat. Produsen yang menguasai teknologi ini akan memainkan peran kunci dalam mendorong revolusi mobilitas listrik maju.