متطلبات لوحات الدوائر المطبوعة في أنظمة الإلكترونيات في السيارات (2) أنظمة التحكم في المركبات

الوصف التعريفي: تعرف على متطلبات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لأنظمة التحكم في مركبات EV، بما في ذلك VCU و ECU و TCU و ABS/ESC ووحدات التوجيه. استكشف تصميم لوحات الدوائر المطبوعة الحرجة للسلامة، والامتثال لمعيار ISO 26262، واللوحات متعددة الطبقات، واستراتيجيات تصميم EMI/EMC.

مقدمة

تعمل أنظمة التحكم في المركبات بمثابة “الدماغ والأعصاب” للمركبات الكهربائية (EVs)، حيث تنسق وظائف القيادة وآليات السلامة. تعمل الوحدات الهامة مثل وحدة التحكم في المركبات (VCU)، ووحدة التحكم في المحرك (ECU للطرازات الهجينة)، ووحدة التحكم في ناقل الحركة (TCU)، وفرامل الانتظار الإلكترونية (EPB)، والتوجيه الكهربائي (EPS)، ووحدات التحكم في المكابح (ABS/ESC) معًا لضمان التشغيل السلس، والاستجابة السريعة، وحماية الركاب. نظرًا لطبيعتها الحرجة للسلامة، فإن أي عطل في هذه الأنظمة يمكن أن يعرض سلامة السيارة للخطر بشكل مباشر، مما يجعل تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة لأنظمة التحكم حجر الزاوية في موثوقية المركبات الكهربائية. تحدد هذه المقالة متطلبات لوحات الدوائر المطبوعة المحددة، وتحديات التصنيع، والاتجاهات الناشئة في أنظمة التحكم في مركبات EV.

نظرة عامة على أنظمة التحكم في المركبات

تتكون أنظمة التحكم في المركبات الكهربائية من وحدات متخصصة متعددة، لكل منها أدوار مميزة في تشغيل السيارة:

• VCU (وحدة التحكم في المركبات): تعمل كمنسق مركزي، يدير عمليات السيارة بشكل عام بما في ذلك توزيع عزم الدوران، وإدارة الطاقة، والتبديل بين أوضاع القيادة.

• ECU (وحدة التحكم في المحرك، للمركبات الهجينة): تنظم التآزر بين محركات الاحتراق والمحركات الكهربائية في المركبات الكهربائية الهجينة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود وإخراج الطاقة.

• TCU (وحدة التحكم في ناقل الحركة): تضبط تغييرات التروس في ناقل الحركة الهجين أو متعدد السرعات في المركبات الكهربائية، مما يضمن توصيل الطاقة بسلاسة وكفاءة الطاقة.

• وحدة EPS (التوجيه الكهربائي): توفر مساعدة توجيه دقيقة وحساسة للسرعة، مما يعزز القدرة على المناورة وراحة السائق.

• ABS/ESC (نظام المكابح المانعة للانغلاق/التحكم الإلكتروني في الثبات): يمنع قفل العجلات أثناء الكبح ويحافظ على ثبات السيارة أثناء المناورات المفاجئة، وهو أمر بالغ الأهمية لمنع الحوادث.

• EPB (وحدة التحكم في فرامل الانتظار الإلكترونية): يدير تفعيل فرامل الانتظار وتحريرها، ويتكامل مع أنظمة أمان السيارة لزيادة السلامة.

متطلبات تصميم لوحات الدوائر المطبوعة

لتلبية المتطلبات الصارمة للتشغيل الحرج للسلامة، يجب أن تلتزم لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بنظام التحكم في السيارة بمعايير تصميم متخصصة:

1. السلامة الوظيفية (ISO 26262 ASIL-D)

تعتبر السلامة الوظيفية ذات أهمية قصوى، مع الامتثال لمعيار ISO 26262، وهو المعيار العالمي لسلامة السيارات الوظيفية. تشمل الاستراتيجيات الرئيسية:

• الدوائر الزائدة عن الحاجة: تكرار المسارات الحرجة لضمان استمرار التشغيل حتى في حالة تعطل إحدى الدوائر.

• تصميم MCU المزدوج: توفر وحدات التحكم الدقيقة المتوازية إجراءات آمنة، مع آليات فحص متبادل للكشف عن الحالات الشاذة.

• تخطيط مقاوم للأخطاء: يتم ترتيب مسارات ومكونات لوحات الدوائر المطبوعة لتقليل مخاطر الفشل في نقطة واحدة، مع عزل بين الدوائر الحرجة وغير الحرجة.

2. التوافق الكهرومغناطيسي (EMC/EMI)

تعمل أنظمة التحكم في بيئات كهرومغناطيسية مليئة بالضوضاء من المحركات والبطاريات والأجهزة الإلكترونية الأخرى. يتضمن تخفيف EMC/EMI:

• طائرات أرضية مخصصة: تعمل طبقات أرضية منفصلة للإشارات الرقمية والتناظرية والطاقة على تقليل التداخل.

• طبقات محمية: تمنع التدريع المعدني حول مسارات الإشارات الحساسة الإشعاع الكهرومغناطيسي من تعطيل العمليات.

• سلامة الإشارة الصارمة: يحافظ التوجيه ذو المعاوقة المتحكم بها وتقليل أطوال المسارات على جودة الإشارة في مسارات الاتصال عالية السرعة.

3. مقاومة البيئة القاسية

تتحمل وحدات التحكم في السيارة ظروفًا قاسية، مما يتطلب:

• تحمل درجة الحرارة الواسع: التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية لتحمل بيئات حجرة المحرك والجزء السفلي من السيارة.

• مقاومة الرطوبة العالية: الحماية من التكثف وتغلغل الرطوبة، وهو أمر بالغ الأهمية للموثوقية في المناخات المتنوعة.

• مقاومة الصدمات والاهتزازات: تقوية هيكلية للبقاء على قيد الحياة من الاهتزازات الناتجة عن الطريق وأحمال التأثير.

4. موثوقية متعددة الطبقات

تتطلب وظائف التحكم المعقدة هياكل لوحات دوائر مطبوعة متطورة:

• تراكمات 4–8 طبقات: تعمل تكوينات الطبقات المحسنة على فصل مسارات الطاقة والأرض والإشارة، مما يقلل من التداخل.

• التأريض الاستراتيجي: يؤدي التأريض النجمي وتقسيم المستوى الأرضي إلى تقليل انتشار الضوضاء بين المكونات الحساسة.

الجدول 1: ظروف التشغيل النموذجية لوحدات التحكم

تحديات التصنيع

يتضمن إنتاج لوحات الدوائر المطبوعة لأنظمة التحكم في السيارة عقبات فنية فريدة:

• سلامة الإشارة مقابل التعامل مع الطاقة: يتطلب دمج الدوائر الرقمية (إشارات التحكم)، والتناظرية (مدخلات المستشعر)، والطاقة على لوحة دوائر مطبوعة واحدة تقسيمًا دقيقًا لتجنب التداخل بين المكونات عالية الطاقة ومنخفضة الجهد.

• مقاومة الاهتزاز: تعتبر اللوحات السميكة (1.6–2.4 مم) ذات المحتوى العالي من الألياف الزجاجية ضرورية لتحمل الاهتزاز المستمر، ولكن هذا يزيد من تعقيد التصنيع في الحفر والتصفيح.

• تنفيذ التصميم الزائد عن الحاجة: تتطلب دوائر السلامة ذات الطبقات المزدوجة ووضع المكونات المتوازية محاذاة دقيقة أثناء التصنيع، مع تفاوتات صارمة لضمان أداء كلا المسارين الزائدين بشكل متطابق.

الجدول 2: هياكل طبقات لوحات الدوائر المطبوعة لوحدات التحكم في السيارة

الاتجاهات المستقبلية

تدفع التطورات في تكنولوجيا المركبات الكهربائية إلى التطور في لوحات الدوائر المطبوعة لنظام التحكم:

• وحدات التحكم المدعومة بالذكاء الاصطناعي: زيادة تكامل قوة الحوسبة، مع لوحات الدوائر المطبوعة التي تدعم المعالجات عالية الأداء لتحليل البيانات في الوقت الفعلي وخوارزميات التحكم التكيفية.

• تكامل وحدة التحكم في المجال: يؤدي دمج وحدات ECU/VCU المتعددة في عدد أقل من اللوحات عالية الأداء إلى تقليل تعقيد الأسلاك، مما يتطلب لوحات دوائر مطبوعة بعدد طبقات أعلى (10–12 طبقة) وتوجيه إشارات متقدم.

• المواد المتقدمة: يؤدي اعتماد صفائح عالية Tg (≥180 درجة مئوية) إلى تحسين الثبات الحراري، بينما تعمل الطلاءات المتوافقة على تحسين مقاومة الرطوبة والمواد الكيميائية في البيئات القاسية.

الجدول 3: متطلبات السلامة ISO 26262 مقابل استراتيجيات لوحات الدوائر المطبوعة

الخلاصة

تتطلب أنظمة التحكم في السيارة سلامة وموثوقية لا هوادة فيها من تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، مع الامتثال لمعيار ISO 26262 الذي يعمل كمتطلب أساسي. يجب أن تتحمل لوحات الدوائر المطبوعة هذه درجات الحرارة القصوى والاهتزاز والتداخل الكهرومغناطيسي مع الحفاظ على سلامة الإشارة الدقيقة. مع تقدم تكنولوجيا المركبات الكهربائية، ستتميز لوحات الدوائر المطبوعة لنظام التحكم في المستقبل بتكامل أعلى، ووحدات تحكم في المجال أكثر ذكاءً، ومواد متقدمة، مما يضمن بقائها العمود الفقري الحاسم للتنقل الكهربائي الآمن والفعال.