新能源汽車高壓配電盒高低壓集成PCB 一體化研究

周知義

（微宏動力系統（湖州） 有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 前言

隨著全球能源緊缺、環境污染、氣候變暖等問題的日趨嚴重，環境保護和清潔能源越來越受到各國政府及人民的關注，各行各業也越來越重視新能源的發展。目前，中國各地區都在大力發展新能源領域，特別是新能源汽車行業的發展尤為迅速。而在這些領域中，動力電池PACK技術是不可或缺的。動力電池PACK是指基于車廠客戶不同車型的個性化需求，對動力電池BMS方案、熱管理、空間尺寸、結構強度、系統接口、IP等級和防護等進行定制化研發與設計，通過各種成熟技術的交互使用實現動力電池組各模塊的有機結合，保障核心儲能裝置電芯的安全性和穩定性，有效提升動力電池系統與不同廠商不同車型的匹配性和應用性。動力電池PACK包括模組、電池電子部件、高壓電路、過流保護裝置、電池箱以及其它外部系統（如冷卻、高壓、輔助低壓、通信等） 接口。目前，純電動汽車的動力電池電壓大都在200～400V，全車高壓用電器如電機控制器、空調系統、DC/DC系統、充電系統等，若直接與動力電池相連接，則會造成動力電池線束雜亂的現象，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，電動汽車需要增加高壓配電盒對動力電池高壓進行分配，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一體化設計的方案、設計規范、檢驗標準及應用進行研究。

2 高壓配電盒高低壓集成PCB一體化設計方案

2.1 高壓配電盒概述

PDU（Power Distribution Unit，高壓分配單元），負責新能源汽車高壓系統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、高壓采樣、低壓控制等功能，保護和監控高壓系統的運行。高壓配電盒內部的電氣零件，如熔斷器、繼電器、霍爾傳感器、預充電電阻、銅排、BMS、絕緣模塊等依次安裝在配電盒體內[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，防護等級達到IP67，具有電流、電壓采集功能。可以實時監控高壓連接的狀態和絕緣狀態，對高壓安全和高壓配電進行管理， 實現對各路輸出信號的分別控制，并具有過流、過壓、過溫保護功能。目前，高壓配電盒逐漸運用在新能源汽車領域，當車輛發生碰撞或翻車時，可及時切斷高壓回路。同時高壓配電盒還具備CAN通信功能，可實時交換數據。

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，并可實現電子元器件自動插裝或貼裝、自動焊錫、自動檢測，保證了電子產品的一致性及品質可靠性，提高了勞動生產效率，降低了成本，且便于維修，使電子產品小型化、輕量化。根據電路層數，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，導線則集中在另一面上，在設計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的電路連接，即“導孔”。導孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導線相連接。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。板子的層數并不代表有幾層獨立的布線層，在特殊情況下會加入空層來控制板厚，通常層數都是偶數。隨著新能源汽車的迅猛發展，鑒于PCB作為電路連接和集成具有諸多優點，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 設計思路

高壓配電箱內各個電器件的連接多采用線束連接的方式，在布線時需將線束按照正、負極性及高低壓進行區分，并分別進行固定。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，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，因為裸露的銅排存在較大的安全隱患。若各個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。在設計時，可將熔斷器、低壓繼電器等直接焊接在PCB板上，并在板上預留低壓和高壓接口。同時運用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計

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

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

2） 每個電氣零件都通過PCB板進行電氣連接。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PCB上還集成有屏蔽層、絕緣層等用以保護。

高低壓PCB一體化布置示意如圖3所示。熔斷器、電阻、發光二極管以及銅排等按照不同的層級排布，各個層級之間設置有屏蔽層、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

這種方式的電路設計，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PCB上可以集成熔斷器、繼電器、各個電氣連接的插口。此種方式不僅可以大大減少箱體內線束的布置空間，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，節省人工成本。

2.5 設計規范與工藝要求

1） PCB板上銅箔線路的承載能力設計：PCB的載流能力與線寬、線厚（銅箔厚度）、允許溫升有關。一般在銅箔厚度固定的情況下PCB走線越寬，載流能力越大，設計時可參考表1數據[3]。

表1 載流能力表

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

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

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

5） PCB高壓板設計要求：材質選擇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。設計需注意相鄰的銅排之間應留足夠的電氣間隙，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，為方便生產裝配及螺栓規格統一，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域表面處理采用沉金或沉錫工藝（優先采用沉金），鍍層厚度6μm±1μm。阻焊油采用環保型，符合Rosh認證，并統一顏色。標識統一字體，字體清晰，不脫落，標識位置合理，容易觀察到。

6） 高壓板制造工藝要求：耐高溫大于200℃，5min內無燃點；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、圖號和生產批次；按照國標QC/T 413—2002要求，使用5%鹽水試驗72h，表面無變化。

3 檢驗標準

PCB完成試制后，需要對產品的基材、阻焊、字符、線路、標識、孔、外形、功能、可靠性及外觀等項目進行檢驗，檢驗標準見表2。

表2 檢驗標準表

4 應用結果及技術現狀分析

PCB的應用領域非常廣，常用于電力自動化、家電、汽車、玩具、辦公設備、手機、電腦等領域。動力電池作為新能源行業，屬于近幾年新興領域，PCB板的應用并未得到特別廣泛的關注。而高低壓一體化的PCB形式，因為制作工藝相對復雜、設計線路難度較高、成本相對較高等原因，并未大規模應用在新能源的領域中。

普通的PDU線路設計方法簡單，一體化的PCB板上線路設計相對復雜。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，提升生產效率，節省人工成本。

5 總結

新能源領域很多技術都處在完善和進步的階段。用高低壓集成PCB來代替常規的分體式銅排、線束連接具有一定的優勢。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，也利于后期維護和保養。將高壓和低壓集成在一塊PCB板上，雖然具有更高的安全性，但若某個線路或器件發生故障或短路，那么整塊板子很有可能將不能再使用。其次，每個PDU內部電氣件的布置各不相同，若不能批量生產PCB板，那么成本將是其被限制廣泛應用的一個主要因素。