周知義

（微宏動(dòng)力系統(tǒng)（湖州） 有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 前言

隨著全球能源緊缺、環(huán)境污染、氣候變暖等問題的日趨嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)和清潔能源越來越受到各國政府及人民的關(guān)注，各行各業(yè)也越來越重視新能源的發(fā)展。目前，中國各地區(qū)都在大力發(fā)展新能源領(lǐng)域，特別是新能源汽車行業(yè)的發(fā)展尤為迅速。而在這些領(lǐng)域中，動(dòng)力電池PACK技術(shù)是不可或缺的。動(dòng)力電池PACK是指基于車廠客戶不同車型的個(gè)性化需求，對動(dòng)力電池BMS方案、熱管理、空間尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、系統(tǒng)接口、IP等級和防護(hù)等進(jìn)行定制化研發(fā)與設(shè)計(jì)，通過各種成熟技術(shù)的交互使用實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組各模塊的有機(jī)結(jié)合，保障核心儲能裝置電芯的安全性和穩(wěn)定性，有效提升動(dòng)力電池系統(tǒng)與不同廠商不同車型的匹配性和應(yīng)用性。動(dòng)力電池PACK包括模組、電池電子部件、高壓電路、過流保護(hù)裝置、電池箱以及其它外部系統(tǒng)（如冷卻、高壓、輔助低壓、通信等） 接口。目前，純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池電壓大都在200～400V，全車高壓用電器如電機(jī)控制器、空調(diào)系統(tǒng)、DC/DC系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等，若直接與動(dòng)力電池相連接，則會(huì)造成動(dòng)力電池線束雜亂的現(xiàn)象，這不僅增加成本，占用整車空間，也大大增加了整車安全隱患。因此，電動(dòng)汽車需要增加高壓配電盒對動(dòng)力電池高壓進(jìn)行分配，從而給各高壓部件供電。本文以高低壓線束PCB一體化為研究目的，針對高壓配電盒高低壓集成PCB一體化設(shè)計(jì)的方案、設(shè)計(jì)規(guī)范、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 高壓配電盒高低壓集成PCB一體化設(shè)計(jì)方案

2.1 高壓配電盒概述

PDU（Power Distribution Unit，高壓分配單元），負(fù)責(zé)新能源汽車高壓系統(tǒng)中的電源分配與管理，為整車提供充放電控制、高壓部件上電控制、電路過載短路保護(hù)、高壓采樣、低壓控制等功能，保護(hù)和監(jiān)控高壓系統(tǒng)的運(yùn)行。高壓配電盒內(nèi)部的電氣零件，如熔斷器、繼電器、霍爾傳感器、預(yù)充電電阻、銅排、BMS、絕緣模塊等依次安裝在配電盒體內(nèi)[1]，見圖1。

圖1 PDU電氣零件布置圖

高壓配電盒一般采用鈑金或鑄鋁外殼和接插件，防護(hù)等級達(dá)到IP67，具有電流、電壓采集功能?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)控高壓連接的狀態(tài)和絕緣狀態(tài)，對高壓安全和高壓配電進(jìn)行管理， 實(shí)現(xiàn)對各路輸出信號的分別控制，并具有過流、過壓、過溫保護(hù)功能。目前，高壓配電盒逐漸運(yùn)用在新能源汽車領(lǐng)域，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞或翻車時(shí)，可及時(shí)切斷高壓回路。同時(shí)高壓配電盒還具備CAN通信功能，可實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。

2.2 PCB概述

PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板），是重要的電力電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體[2]。電力電子設(shè)備采用PCB集成形式，由于同類印制板的一致性，從而避免了人工接線的差錯(cuò)，并可實(shí)現(xiàn)電子元器件自動(dòng)插裝或貼裝、自動(dòng)焊錫、自動(dòng)檢測，保證了電子產(chǎn)品的一致性及品質(zhì)可靠性，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，降低了成本，且便于維修，使電子產(chǎn)品小型化、輕量化。根據(jù)電路層數(shù)，PCB可分為單面板、雙面板和多層板。單面板（Single-sided Boards） 的零件集中在一面，導(dǎo)線則集中在另一面上，在設(shè)計(jì)線路上有許多的限制。雙面板（Double-sided Boards） 的兩面都有布線，在兩面間必須有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接，即“導(dǎo)孔”。導(dǎo)孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。多層板（Multi-layer Boards） 為了增加可以布線的面積，用上了更多的單面或雙面的布線板。板子的層數(shù)并不代表有幾層獨(dú)立的布線層，在特殊情況下會(huì)加入空層來控制板厚，通常層數(shù)都是偶數(shù)。隨著新能源汽車的迅猛發(fā)展，鑒于PCB作為電路連接和集成具有諸多優(yōu)點(diǎn)，高壓大電流的特種PCB板以及高低壓集成一體化PCB板也成為探索的方向。

2.3 設(shè)計(jì)思路

高壓配電箱內(nèi)各個(gè)電器件的連接多采用線束連接的方式，在布線時(shí)需將線束按照正、負(fù)極性及高低壓進(jìn)行區(qū)分，并分別進(jìn)行固定。由于大電流采用的線束線徑較粗，在有限的空間里折彎的難度比較大。同時(shí)，線束容易凌亂，占用整車空間的尺寸也較大。若將電流較大的電路改用銅排連接，則必須將裸露的銅排用絕緣材料包裹好，因?yàn)槁懵兜你~排存在較大的安全隱患。若各個(gè)電氣零部件的連接方式由銅排、線束改為PCB板，則可將低壓與高壓的連接部分分層布置，并用PCB板包覆連接電器件的銅排。此種方式不僅可以大大減少箱體內(nèi)線束的布置空間，更能有效提高電器件的連接可靠性。高壓和低壓電路集成在PCB板上，分層布置。在設(shè)計(jì)時(shí)，可將熔斷器、低壓繼電器等直接焊接在PCB板上，并在板上預(yù)留低壓和高壓接口。同時(shí)運(yùn)用PCB板包覆銅排的方式，可以最大限度保證人身安全。此種布置方式不僅可以節(jié)省空間，還可以減少由于線束損壞、接觸不良等造成的整車故障。

2.4 元器件布置及布線設(shè)計(jì)

以PDU高壓配電盒為例，其內(nèi)部的電氣零件，如熔斷器、繼電器、霍爾傳感器、預(yù)充電電阻、銅排、BMS、絕緣模塊等依次安裝在配電盒體內(nèi)。圖2為PDU電氣原理圖。

1） 將高壓線路用PCB實(shí)現(xiàn)，低壓電路仍然通過線束連接方式來實(shí)現(xiàn)。PCB板中將高壓電氣連接的銅排包覆，并做好絕緣處理，在一定程度上節(jié)約了PDU內(nèi)部空間，提升了裝配效率，美觀性也更好。低壓部分用線束連接，因?yàn)榫€束少，可靠性、美觀性等都得到改善。

2） 每個(gè)電氣零件都通過PCB板進(jìn)行電氣連接。高壓電路和低壓電路分布在不同層的PCB板上，杜絕干擾。同時(shí)PCB上還集成有屏蔽層、絕緣層等用以保護(hù)。

高低壓PCB一體化布置示意如圖3所示。熔斷器、電阻、發(fā)光二極管以及銅排等按照不同的層級排布，各個(gè)層級之間設(shè)置有屏蔽層、絕緣層、絲印油層，如圖4所示。

圖3 簡易PCB一體化示意圖

圖4 層級分布示意圖

這種方式的電路設(shè)計(jì)，可以將低壓與高壓的連接部分分層布置，并用PCB板包覆連接電器件的銅排。同時(shí)PCB上可以集成熔斷器、繼電器、各個(gè)電氣連接的插口。此種方式不僅可以大大減少箱體內(nèi)線束的布置空間，更能有效提高電器件的連接可靠性，整體布置更加美觀，并大大提升了裝配效率，節(jié)省人工成本。

2.5 設(shè)計(jì)規(guī)范與工藝要求

1） PCB板上銅箔線路的承載能力設(shè)計(jì)：PCB的載流能力與線寬、線厚（銅箔厚度）、允許溫升有關(guān)。一般在銅箔厚度固定的情況下PCB走線越寬，載流能力越大，設(shè)計(jì)時(shí)可參考表1數(shù)據(jù)[3]。

表1 載流能力表

2） PCB板上不同的導(dǎo)電銅箔之間的距離設(shè)計(jì)要求：高壓線路之間的爬電距離一般應(yīng)大于等于3mm，高壓線路之間的電氣間隙應(yīng)大于等于2.5mm。高壓線路與低壓信號線路之間的爬電距離應(yīng)大于等于4mm，高壓線路與低壓信號線路之間的電氣間隙應(yīng)大于等于3mm。低壓信號線路之間的最小間距應(yīng)大于0.26mm。當(dāng)PCB板上用開槽來增加其電氣間隙時(shí)，則槽寬應(yīng)大于等于1mm。

3） PCB板上開孔設(shè)計(jì)要求：如果開孔是為了螺釘固定PCB板用，則孔不應(yīng)開在導(dǎo)電圖形上。螺釘固定PCB板后，螺釘頭不應(yīng)跨越在任何2條線以上的導(dǎo)電圖形上，且其距離要離導(dǎo)電圖形至少大于等于1mm。

4） 其它設(shè)計(jì)要求：PCB板上的高壓線路與低壓信號線路應(yīng)布線分明，不應(yīng)將其排布混在一起，避免干擾。

5） PCB高壓板設(shè)計(jì)要求：材質(zhì)選擇FR4+T2紫銅，高壓電連接及固定漲鉚螺母使用不銹鋼鍍鎳，銅排厚度3.0mm，PCB厚度4mm。設(shè)計(jì)需注意相鄰的銅排之間應(yīng)留足夠的電氣間隙，完全絕緣隔離的電氣間距不小于6mm，非完全絕緣隔離的最小爬電距離大于12mm，同電極之間可適當(dāng)減少間距，為防止短路，不同電極之間必須做好絕緣隔離并保持合理的安全距離。固定件采用漲鉚工藝，為方便生產(chǎn)裝配及螺栓規(guī)格統(tǒng)一，減少螺栓種類，開孔尺寸盡量保持一致。高壓零部件電連接區(qū)域表面處理采用沉金或沉錫工藝（優(yōu)先采用沉金），鍍層厚度6μm±1μm。阻焊油采用環(huán)保型，符合Rosh認(rèn)證，并統(tǒng)一顏色。標(biāo)識統(tǒng)一字體，字體清晰，不脫落，標(biāo)識位置合理，容易觀察到。

6） 高壓板制造工藝要求：耐高溫大于200℃，5min內(nèi)無燃點(diǎn)；表面形變小于0.003mm/cm2；銅排裸露部分平整度誤差小于0.003mm/cm2；M5/M6漲鉚螺紋扭力大于8N·m，M8漲鉚螺紋扭力大于10N·m；絲印使用白色油墨，除功能字符以外，板面必須有LOGO、物料代碼、圖號和生產(chǎn)批次；按照國標(biāo)QC/T 413—2002要求，使用5%鹽水試驗(yàn)72h，表面無變化。

3 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

PCB完成試制后，需要對產(chǎn)品的基材、阻焊、字符、線路、標(biāo)識、孔、外形、功能、可靠性及外觀等項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)表

4 應(yīng)用結(jié)果及技術(shù)現(xiàn)狀分析

PCB的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，常用于電力自動(dòng)化、家電、汽車、玩具、辦公設(shè)備、手機(jī)、電腦等領(lǐng)域。動(dòng)力電池作為新能源行業(yè)，屬于近幾年新興領(lǐng)域，PCB板的應(yīng)用并未得到特別廣泛的關(guān)注。而高低壓一體化的PCB形式，因?yàn)橹谱鞴に囅鄬?fù)雜、設(shè)計(jì)線路難度較高、成本相對較高等原因，并未大規(guī)模應(yīng)用在新能源的領(lǐng)域中。

普通的PDU線路設(shè)計(jì)方法簡單，一體化的PCB板上線路設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。首先，PCB板的布置形式不如線束靈活，線束在一定程度上可以折彎，且排故方便。其次，PCB板的成本相對線束來說要高。但是PCB板一體化的形式具有較高的可靠性和安全性，對于高壓配電盒來說，PCB的形式安全性更高，同時(shí)由于采用集成一體化可以使高壓控制盒體積尺寸小型化、輕量化，一體化亦可以減少繁瑣的安裝工序，提升生產(chǎn)效率，節(jié)省人工成本。

5 總結(jié)

新能源領(lǐng)域很多技術(shù)都處在完善和進(jìn)步的階段。用高低壓集成PCB來代替常規(guī)的分體式銅排、線束連接具有一定的優(yōu)勢。但是針對高壓配電盒PDU，從成本以及維修方便性考慮，高壓電路部分采用PCB板包覆銅排，低壓電路部分采用線束連接，不僅美觀、可靠，也利于后期維護(hù)和保養(yǎng)。將高壓和低壓集成在一塊PCB板上，雖然具有更高的安全性，但若某個(gè)線路或器件發(fā)生故障或短路，那么整塊板子很有可能將不能再使用。其次，每個(gè)PDU內(nèi)部電氣件的布置各不相同，若不能批量生產(chǎn)PCB板，那么成本將是其被限制廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。