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Assemblage de circuits imprimés automobiles à nouvelle énergie : parcourir le chemin à parcourir

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Table des matières
Article principal (H2)

L'industrie automobile connaît une transformation importante. Les véhicules à carburant traditionnels sont progressivement remplacés par des véhicules électriques (VE). Ce changement est motivé par le besoin d’options de transport plus propres et plus durables. Les véhicules électriques offrent de nombreux avantages, notamment des émissions réduites, des coûts de carburant réduits et un fonctionnement plus silencieux.

Au cœur de ces véhicules électriques se trouvent les cartes de circuits imprimés (PCB). Ces composants vitaux sont essentiels au fonctionnement des automobiles à énergies nouvelles. Les PCB constituent l'épine dorsale des systèmes électroniques du véhicule, permettant tout, de la gestion de la batterie au contrôle du moteur. Sans PCB avancés, l’électronique complexe des véhicules électriques ne fonctionnerait pas.

Cet article vise à plonger en profondeur dans le monde de l’assemblage de PCB automobiles à énergie nouvelle. Nous explorerons les différents types de PCB utilisés dans les véhicules électriques, leurs caractéristiques uniques et leurs rôles critiques.

Que vous soyez un professionnel de l'industrie automobile, un passionné de véhicules électriques ou simplement curieux de connaître la technologie derrière les véhicules électriques, cet article vous fournira des informations détaillées et précieuses.

Graphique d'une voiture avec l'électronique interne en surbrillance

Comprendre les PCB des véhicules à énergie nouvelle

Les cartes de circuits imprimés (PCB) constituent l’épine dorsale des systèmes électroniques des véhicules. Dans les véhicules électriques (VE), ils jouent un rôle encore plus crucial. Mais que sont les PCB et pourquoi sont-ils essentiels dans les automobiles à énergies nouvelles ?

Les PCB sont des cartes qui contiennent et connectent tous les composants électroniques d'un véhicule. Ils permettent aux signaux électriques de passer entre ces composants, garantissant ainsi le bon fonctionnement du véhicule. Les véhicules à carburant traditionnels utilisent des PCB pour diverses fonctions telles que le contrôle du moteur, les systèmes d'éclairage et les systèmes de divertissement. Cependant, dans les véhicules électriques, leur rôle est bien plus étendu et vital.

Importance des PCB dans les véhicules électriques

Dans les véhicules électriques, les PCB gèrent des systèmes électroniques complexes qui ne sont pas présents dans les véhicules traditionnels. Il s'agit notamment des systèmes de gestion de batterie, des contrôleurs de moteur et des systèmes de charge. Sans PCB avancés, les véhicules électriques ne fonctionneraient pas efficacement ni en toute sécurité.

Comparaison entre les PCB de véhicules traditionnels et les PCB de véhicules à énergie nouvelle

Les PCB des véhicules traditionnels sont conçus pour gérer des tâches plus simples avec une consommation d'énergie moindre. Ils gèrent des fonctions telles que l’injection de carburant, les systèmes de freinage et le divertissement embarqué. Ces panneaux sont conçus pour résister aux conditions d'un véhicule à carburant, notamment l'exposition à la chaleur et aux vibrations.

En revanche, les PCB des véhicules à énergie nouvelle sont conçus pour une puissance plus élevée et des tâches plus complexes. Ils doivent gérer la batterie, contrôler le moteur électrique et assurer une distribution efficace de l’énergie. Ces PCB sont souvent multicouches pour gérer la charge électrique accrue et sont construits avec des matériaux capables de résister à des températures plus élevées et à des conditions de fonctionnement plus rigoureuses.

Schéma-des-composants-internes-et-du-câblage-d'une-voiture

Composants clés des véhicules à énergie nouvelle

Les véhicules électriques (VE) comportent plusieurs composants uniques qui garantissent un fonctionnement efficace. Voici les éléments clés :

  1. Chargeur embarqué : Ce convertisseur convertit le courant alternatif d'une station de recharge en courant continu pour charger la batterie du véhicule de manière sûre et efficace.
  2. Batterie d'alimentation : Le cœur du VE, fournissant l’électricité pour alimenter tous les systèmes. Sa capacité détermine l'autonomie du véhicule.
  3. Stockage d'Energie: Stocke l'électricité pour une utilisation ultérieure, maintenant ainsi une alimentation électrique constante aux systèmes du véhicule.
  4. Distribution d'énergie: Ce système distribue l'électricité de la batterie aux différentes parties du véhicule, garantissant ainsi le bon fonctionnement de tous les systèmes.
  5. Moteur d'entraînement : Convertit l'énergie électrique en énergie mécanique, propulsant le véhicule avec un rendement élevé et un couple instantané.
  6. Régulateur de vitesse: Régule la vitesse du véhicule en contrôlant la puissance fournie au moteur d'entraînement, offrant ainsi une accélération et une décélération en douceur.

Principaux systèmes de contrôle de puissance dans les véhicules à énergie nouvelle

Les véhicules électriques (VE) s'appuient sur des systèmes de contrôle de puissance sophistiqués pour gérer efficacement leurs opérations. Ces systèmes comprennent l'unité de commande du véhicule (VCU), l'unité de commande du moteur (MCU) et le système de gestion de la batterie (BMS). Chaque système est construit sur des PCB, qui sont cruciaux pour leur fonctionnalité.

Unité de contrôle du véhicule (VCU)

L'unité de commande du véhicule (VCU) est le cerveau du véhicule électrique. Il supervise et gère le fonctionnement global du véhicule.

Les fonctions

  • Surveillance: Le VCU surveille les systèmes du véhicule et garantit leur bon fonctionnement.
  • Prise de décision: Il prend des décisions cruciales pour le système de contrôle de l'alimentation, telles que le moment où tirer de l'énergie de la batterie ou la manière de distribuer l'énergie aux différents composants.
  • Coordination: Le VCU se coordonne avec d'autres unités de contrôle, telles que le MCU et le BMS, pour garantir un fonctionnement transparent.

Exigences relatives aux PCB

  • Taille: Le PCB du VCU est relativement compact, environ 0,03 mètre carré.
  • Composants: Il comprend des circuits de contrôle et des logiciels d'algorithme, nécessitant une conception de PCB robuste et fiable pour gérer des fonctions complexes.

Unité de commande du moteur (MCU)

L'unité de commande du moteur (MCU) travaille en étroite collaboration avec le VCU pour gérer le moteur électrique du véhicule.

Les fonctions

  • Régulation: Le MCU régule le fonctionnement du moteur électrique sur la base des instructions du VCU.
  • Gestion de l'alimentation: Il contrôle l’alimentation électrique du moteur, garantissant une utilisation efficace de l’énergie.
  • Contrôle actuel : Le MCU convertit l'alimentation CC de la batterie en alimentation CA nécessaire au moteur électrique, gérant ainsi le flux de courant pour optimiser les performances.

Exigences relatives aux PCB

  • Taille: Le PCB du MCU est plus grand que celui du VCU, soit environ 0,15 mètre carré.
  • Composants: Il contient des circuits de contrôle et un logiciel d'algorithme conçus pour gérer des charges de puissance élevées et un contrôle précis du moteur.

Système de gestion de batterie (BMS)

Le système de gestion de batterie (BMS) est vital pour la santé et l’efficacité de la batterie du véhicule.

Les fonctions

  • Surveillance: Le BMS surveille la tension, le courant et l'état de charge (SOC) de la batterie.
  • Protection: Il protège la batterie des dommages en gérant les cycles de charge et de décharge.
  • Équilibrage: Le BMS équilibre toutes les cellules de la batterie, évitant ainsi la surcharge ou la décharge profonde.

Composants matériels

  • Unité de contrôle de batterie (BCU) : Le BCU contrôle les opérations du relais, estime le SOC et assure la protection électrique.
  • Unité de surveillance de la batterie (BMU) : Le BMU supervise les données de tension et le courant de la batterie, garantissant ainsi l'équilibre et la sécurité.

Exigences relatives aux PCB

  • Taille: Le PCB du BMS varie, l'unité de commande principale nécessitant environ 0,24 mètre carré et des couches supplémentaires pour les autres composants.
  • Complexité: Les PCB BMS sont généralement multicouches pour gérer les fonctions complexes de surveillance et de gestion nécessaires au système de batterie.

Applications des PCB pour véhicules à énergie nouvelle

Les cartes de circuits imprimés (PCB) dans les véhicules à énergies nouvelles sont cruciales pour de nombreuses applications. Ces cartes contrôlent divers systèmes électroniques, garantissant que le véhicule fonctionne efficacement et en toute sécurité. Voici quelques applications clés des PCB pour véhicules à énergie nouvelle :

Applications des PCB pour véhicules à énergie nouvelle

Systèmes de freinage

Les PCB jouent un rôle essentiel dans les systèmes de freinage des véhicules électriques. Ils contrôlent le système de freinage électronique, garantissant des temps de réponse rapides et efficaces. Ceci est crucial pour la sécurité et les performances du véhicule. Les systèmes de freinage avancés s'appuient sur des PCB pour surveiller et gérer la pression de freinage et la répartition de la force.

Contrôle du moteur

Les systèmes de contrôle moteur des véhicules électriques sont différents de ceux des véhicules traditionnels. Les PCB gèrent le moteur électrique, garantissant son fonctionnement fluide et efficace. Ils contrôlent l'alimentation électrique du moteur, surveillent ses performances et ajustent les opérations en fonction des besoins du véhicule. Cela permet d'optimiser les performances et la consommation d'énergie du véhicule.

Systèmes d'éclairage LED

L'éclairage LED est courant dans les véhicules modernes en raison de son efficacité et de sa durabilité. Les PCB sont essentiels pour contrôler ces systèmes d’éclairage. Ils gèrent l’alimentation électrique des LED, garantissant un éclairage cohérent et fiable. Les PCB permettent également des fonctionnalités avancées telles que l'éclairage adaptatif, qui ajuste la luminosité et la direction des lumières en fonction des conditions de conduite.

Unités de contrôle électronique (ECU)

Les unités de commande électroniques (ECU) contrôlent divers systèmes électroniques à l'intérieur du véhicule. Les PCB font partie intégrante de ces unités, fournissant les circuits et les connexions nécessaires. Les calculateurs gèrent tout, des performances du moteur à la stabilité du véhicule, faisant des PCB un composant essentiel pour garantir la fonctionnalité globale du véhicule.

Modules de logique de contrôle électronique (ECL)

Les modules ECL sont des unités spécialisées qui gèrent des opérations logiques complexes dans le véhicule. Les PCB de ces modules gèrent les chemins électroniques complexes requis pour ces opérations. Ils garantissent que les systèmes du véhicule communiquent efficacement et fonctionnent comme prévu. Ceci est essentiel pour les fonctionnalités avancées des véhicules électriques modernes.

Systèmes de navigation GPS

Les systèmes de navigation GPS sont un élément essentiel des véhicules modernes, fournissant une localisation et une assistance à la navigation en temps réel. Les PCB de ces systèmes gèrent les tâches de traitement et de communication de la fonctionnalité GPS. Ils garantissent une navigation précise et fiable, améliorant l’expérience de conduite et la sécurité.

Moniteurs de véhicules

Les moniteurs de véhicule fournissent des informations essentielles sur l'état et les performances du véhicule. Les PCB de ces moniteurs gèrent les processus de collecte et d’affichage des données. Ils garantissent que les conducteurs reçoivent des informations précises et opportunes sur l'état de leur véhicule, l'état de la batterie et d'autres paramètres critiques.

Systèmes radar

Les véhicules électriques utilisent de plus en plus de systèmes radar pour les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS) et les fonctionnalités de conduite autonome. Les PCB de ces systèmes gèrent le traitement des signaux radar, permettant des fonctionnalités telles que la détection de collision, l'assistance au maintien de voie et le régulateur de vitesse adaptatif. Ils garantissent que le système radar fonctionne de manière précise et fiable.

Caractéristiques uniques des PCB pour véhicules à énergie nouvelle

Les PCB pour véhicules à énergie nouvelle sont conçus pour répondre aux demandes spécifiques des véhicules électriques. Voici leurs principales caractéristiques :

  1. Résistance aux hautes températures : Les véhicules électriques génèrent une chaleur importante. Ces PCB sont fabriqués avec des matériaux capables de supporter des températures élevées, garantissant un fonctionnement stable et évitant la surchauffe.
  2. Fiabilité dans divers environnements : Les véhicules électriques fonctionnent dans diverses conditions, du froid extrême à la chaleur intense. Ces PCB sont fabriqués avec des matériaux durables pour fonctionner de manière fiable, quel que soit l'environnement, garantissant ainsi la longévité et la fiabilité du véhicule.
  3. Résistance à la saleté : Les véhicules rencontrent de la poussière et de la saleté qui peuvent affecter les systèmes électroniques. Ces PCB sont revêtus ou laminés pour résister à la saleté et éviter les courts-circuits, améliorant ainsi la durabilité et la fiabilité du véhicule.

Matériaux et technologies pour l'assemblage de circuits imprimés automobiles à nouvelles énergies

L'évolution rapide des véhicules à énergies nouvelles (NEV) exige des matériaux et des technologies innovants dans l'assemblage de circuits imprimés pour répondre à des normes de performances, de fiabilité et d'efficacité plus élevées.

Matériaux pour l'assemblage de PCB NEV

  1. Stratifiés haute fréquence : Ceux-ci sont essentiels pour les applications nécessitant une perte de signal minimale à hautes fréquences, telles que les radars, les GPS et autres systèmes de communication. Les matériaux tels que les variantes haute vitesse Rogers, Téflon et FR-4 sont populaires en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques et de leur faible absorption d'humidité.
  2. PCB à noyau métallique et en cuivre lourd : Les PCB à noyau métallique (MCPCB) et les PCB en cuivre lourd sont préférés pour l'électronique de puissance et les applications nécessitant une dissipation thermique efficace et une gestion de courant élevé. L'aluminium et le cuivre sont utilisés comme matériaux de substrat dans les MCPCB, équilibrant ainsi performances thermiques et rentabilité.
  3. Matériaux thermoconducteurs : Des matériaux à haute conductivité thermique, tels que les stratifiés chargés de céramique, sont utilisés pour gérer les défis thermiques des NEV. Ces matériaux aident à dissiper efficacement la chaleur, protégeant ainsi les composants sensibles des dommages thermiques.
  4. Matériaux flexibles et rigides : Le polyimide est largement utilisé dans les PCB flexibles et rigides pour ses excellentes propriétés électriques, sa flexibilité et sa stabilité thermique. Ces PCB sont cruciaux pour les applications limitées en espace et où un mouvement ou une flexion est nécessaire, comme dans les remplacements de caméras, de capteurs et de faisceaux de câbles.
Gros plan d'une carte PCB en cuivre lourd multicouche

Technologies pour l'assemblage de PCB NEV

  1. Technologie d'interconnexion haute densité (HDI) : Les PCB HDI présentent des lignes et des espaces plus fins, des vias plus petits et des densités de plages de connexion plus élevées que les PCB traditionnels. Cette technologie permet des conceptions plus compactes, légères et efficaces, cruciales pour les environnements électroniques densément peuplés des NEV.
  2. Technologies de finition de surface : Le choix de la finition de surface a un impact significatif sur la fiabilité et la longévité des PCB dans les applications automobiles. L'or par immersion au nickel autocatalytique (ENIG), l'argent par immersion (Ag) et les conservateurs de soudabilité organique (OSP) font partie des finitions préférées. Ils offrent une excellente planéité de surface, une excellente soudabilité et une excellente résistance à l'oxydation.
  3. Technologie des composants embarqués : L'intégration de composants passifs dans le substrat PCB permet de réduire l'encombrement de surface, de réduire les interférences électromagnétiques (EMI) et d'améliorer la gestion thermique. Cette technologie est particulièrement intéressante pour créer des modules électroniques de puissance compacts et efficaces.
  4. Techniques d'assemblage avancées : La technologie de montage en surface (SMT) reste la pierre angulaire de l'assemblage de PCB, mais des avancées telles que Package on Package (PoP), System in Package (SiP) et Through-Silicon Vias (TSV) sont de plus en plus utilisées. Ces techniques permettent des niveaux d'intégration plus élevés, de meilleures performances et des facteurs de forme plus petits, qui sont essentiels pour les systèmes complexes au sein des NEV.
  5. Impression 3D pour le prototypage et la fabrication : La fabrication additive ou impression 3D révolutionne le prototypage et la production de PCB. Il permet le prototypage rapide de PCB multicouches complexes avec une grande flexibilité de conception. Cette technologie accélère le processus de développement et permet une personnalisation que les méthodes de fabrication traditionnelles ne peuvent réaliser.

Processus de conception et de prototypage pour les PCB de véhicules à énergie nouvelle

La création de PCB pour les véhicules à énergies nouvelles implique plusieurs étapes méticuleuses. Chaque étape garantit que les PCB répondent aux normes élevées en matière de performances efficaces et fiables. Voici un aperçu du processus de conception et de prototypage :

Circuit imprimé vert avec divers composants électroniques

Détermination des spécifications

La première étape consiste à définir les spécifications du PCB. Cela comprend plusieurs facteurs clés :

  • Épaisseur du panneau : Décider de l'épaisseur appropriée en fonction des exigences du véhicule.
  • Nombre de couches : Déterminer le nombre de couches dont le PCB a besoin pour gérer des circuits complexes.
  • Type de materiau: Choisir des matériaux comme le FR-4 ou des matériaux haute fréquence pour des applications spécifiques.
  • Exigences d'impédance : Garantir que le PCB peut gérer l’impédance électrique nécessaire à une transmission stable du signal.
  • Options de finition : Pour protéger le PCB, sélectionnez des finitions telles que HASL (Hot Air Solder Leveling) ou ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold).
  • Paramètres de taille et d'espacement des trous : Définition des dimensions des vias et de l'espacement pour s'adapter au placement des composants et aux connexions électriques.

Vérification des erreurs dans la conception

Une fois les spécifications déterminées, l'étape suivante consiste à créer le schéma de circuit imprimé à l'aide d'un logiciel de conception spécialisé. Durant cette phase :

  • Vérifications des règles de conception (DRC) : Le logiciel vérifie la mise en page par rapport aux règles de conception pour identifier tout problème d'espacement ou de placement.
  • Vérifications des règles électriques (ERC) : Garantit que les connexions électriques répondent aux exigences de conception, évitant ainsi les courts-circuits et autres problèmes électriques.

Générer des fichiers Gerber

Une fois la conception finalisée et sans erreur, les fichiers Gerber sont générés. Ces fichiers sont :

  • Standard d'industrie: Les fichiers Gerber fournissent des descriptions détaillées de la conception du PCB, y compris les couches de cuivre, les masques de soudure, la sérigraphie et les trous de perçage.
  • Indispensable pour la fabrication : Ces fichiers guident les fabricants dans la fabrication des PCB avec précision conformément aux spécifications de conception.

Création de documents empilés

Pour les PCB multicouches, la création de documents empilés est cruciale. Ces documents:

  • Définir la disposition des calques : Spécifiez l'ordre et la disposition des couches PCB, y compris les couches de signaux, les plans d'alimentation et les plans de masse.
  • Maintenir l'intégrité du signal : Cela permet de contrôler l'impédance et d'assurer la stabilité mécanique, ce qui est vital pour les performances du PCB.

Fabrication de prototypes

Une fois les documents de conception et d’empilement prêts, le processus de fabrication du prototype commence. Cela implique:

  • Processus soustractif : Grattez le cuivre indésirable de la carte pour créer les modèles de circuit souhaités.
  • Finitions des surfaces : L'application de finitions comme HASL ou ENIG protège les traces de cuivre et assure une bonne soudabilité.

Assemblage et tests de PCB

Une fois les cartes prototypes fabriquées, les composants sont assemblés sur les PCB. Ce processus comprend :

  • Technologie de montage en surface (SMT) : Placer et souder des composants directement sur la surface du PCB.
  • Technologie traversante (THT) : Insérer les composants à travers les trous du PCB et les souder sur le côté opposé.
  • Tests rigoureux : Effectuer des tests fonctionnels et de conformité pour garantir que le PCB fonctionne comme prévu et répond à toutes les spécifications.

Affinement de la conception itérative

Si des problèmes sont identifiés lors des tests, la conception est affinée. Cette étape implique :

  • Résolution des problèmes identifiés : Apporter les corrections nécessaires à la conception en fonction des résultats des tests.
  • Optimisation des performances : Améliorer continuellement la conception pour améliorer les performances et la fiabilité du PCB.

En suivant ces étapes détaillées, les fabricants peuvent garantir que les PCB des véhicules à énergie nouvelle sont conçus, prototypés et validés pour répondre aux normes les plus élevées. Ce processus méticuleux est essentiel pour créer des PCB fiables et performants qui prennent en charge les systèmes électroniques avancés des véhicules électriques.

Conclusion

Les cartes de circuits imprimés (PCB) sont essentielles au fonctionnement des véhicules à énergie nouvelle. Ils gèrent et contrôlent les systèmes électroniques complexes nécessaires au fonctionnement des véhicules électriques (VE). De l'unité de commande du véhicule (VCU) et de l'unité de commande du moteur (MCU) au système de gestion de batterie (BMS), les PCB garantissent que chaque partie du véhicule fonctionne de manière transparente.

L’avenir des PCB automobiles à nouvelles énergies semble prometteur. Alors que la demande de véhicules électriques continue d’augmenter, les progrès de la technologie des PCB amélioreront encore leur efficacité et leur fiabilité. Les innovations dans les matériaux et les processus de fabrication conduiront à des PCB encore plus robustes et performants, soutenant l’évolution des véhicules électriques.

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