汽車線路板式電器盒的設(shè)計(jì)技術(shù)

趙平堂，趙凡琪，凌文丹，李志攀，葛君超

（1.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院 汽車電子電器及其功能材料研究中心，河南 鶴壁 458030；2.天海集團(tuán)汽車電子電器工程研究院，河南 鶴壁 458030；3.鄭州煒盛電子科技有限公司，河南 鄭州 450000）

智能化是汽車技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，在汽車智能化發(fā)展的同時(shí)，特別是自動(dòng)駕駛的出現(xiàn)，汽車的電子功能模塊不斷增加，被稱為汽車電氣系統(tǒng)神經(jīng)樞紐的汽車電器盒是汽車電子功能模塊的電源分配中心［1］，在設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加的同時(shí)，其安全、可靠性的要求也就越來越高。汽車電器盒主要由塑料殼體、線路板、匯流條、連接器端子、熔斷絲、繼電器等零部件組成。電器盒一般分為直插式、匯流條式、印刷線路板式3種，其中印刷線路板 （PCB）式電器盒是由線路板將焊接端子、熔斷絲、繼電器等集成在一起，起到集中控制、線路簡潔、易于安裝維修的作用。該電器盒整體性能優(yōu)于直插式和匯流條式電器盒，并且針對(duì)不同車型該電器盒電路板可進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)［2］，成為汽車主機(jī)廠的首選。隨著汽車智能化、電動(dòng)化的發(fā)展，汽車線路板式電器盒的設(shè)計(jì)技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。

1 線路板設(shè)計(jì)新技術(shù)

線路板不僅支持整個(gè)電器盒的元件，而且對(duì)電器盒的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，是電器盒做功的靈魂。電器盒的線路板初始階段是采用單板雙面或雙板四面 （圖1），各層電路之間采用支撐柱固定在一起。這種結(jié)構(gòu)容易造成電路之間相互接觸，造成性能不穩(wěn)定，且體積大、成本高、效率低。而且線路板回路的設(shè)計(jì)是電流從電源輸入端進(jìn)入上層線路板，經(jīng)過上層線路板的一個(gè)短插頭通過熔斷絲進(jìn)入另外一個(gè)短插頭，然后從上層線路板經(jīng)過焊接支撐柱進(jìn)入下層線路板，最后從標(biāo)準(zhǔn)插頭輸出，電流在電器盒內(nèi)通過的回路比較長，回路電阻較大，電壓降較大，造成回路發(fā)熱量比較大，溫升值比較高，燒毀電器盒及車輛的風(fēng)險(xiǎn)非常高。

圖1 兩塊雙層結(jié)構(gòu)

針對(duì)此問題劉鳳軍等則設(shè)計(jì)了一種汽車電器盒的新型線路板結(jié)構(gòu)［3］（圖2），其包括上層線路板2、下層線路板6、設(shè)于上層線路板上的電源輸入端1和熔斷絲4、設(shè)于下層線路板上的標(biāo)準(zhǔn)插頭7，熔斷絲4匹配一個(gè)短插頭3和一個(gè)長插頭5，該短插頭3與電源輸入端1電氣連接，上層線路板2通過該長插頭5與下層線路板6電氣相連。長插頭5從上層線路板2的過孔8穿過焊接于下層線路板6上。在汽車電器盒的線路板結(jié)構(gòu)中采用匹配一個(gè)長插頭5的熔斷絲直接將上、下兩層線路板相連接，不僅縮短了回路，減小了回路電阻，消除了燒毀電器盒及車輛的隱患，而且省去了連接上下層線路板回路的焊接支撐柱，降低了生產(chǎn)成本，簡化了焊裝工藝，提高了生產(chǎn)效率，電器盒的整體性能得到提高。

尤其是最近開發(fā)的單塊多層線路板［4］（圖3）每塊至少有3層電路4，每兩層電路之間設(shè)有絕緣層3，在最上一層的上表面和最下一層的下表面上設(shè)有阻焊膜2，由于在不同層之間根據(jù)情況需要電路連接，可以用通孔、埋孔或盲孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同方式的連接。通孔要在粘結(jié)多層板之前還需要鉆孔，將上下位置的電路層相應(yīng)銅線對(duì)起來，讓孔壁帶銅，然后進(jìn)行孔電鍍，讓孔導(dǎo)通，形成鍍通孔，這樣就相當(dāng)于導(dǎo)線將電路串聯(lián)起來了。盲孔是將幾層內(nèi)部電路與表面電路連接，不須穿透整個(gè)板子，埋孔則只連接內(nèi)部的電路多層電路之間。線路板上焊接有插頭5、插座1、導(dǎo)電片、元器件。單塊多層線路板電器盒不僅使各層電路分開，避免不必要的接觸，同時(shí)減少了焊接支撐柱、塑料支撐柱，成本優(yōu)勢(shì)明顯、焊裝流程簡單、回路路徑較短、電壓降小，符合市場(chǎng)對(duì)汽車配件輕量化的要求。

圖2 新型線路板結(jié)構(gòu)

圖3 單塊多層線路板爆炸圖

一款車型的前艙電器盒采用多層線路板 （圖4）后電源輸入端采用匯流條結(jié)構(gòu)；慢熔熔斷絲與匯流條共端取電；大功率長時(shí)負(fù)載盡可能均布，滿足熱量不聚集的原則；通過多次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)該P(yáng)CB線路板溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持在92～125.1℃，溫度最高點(diǎn)溫升值為45.1℃ （測(cè)試環(huán)境溫度80℃）。全部滿足設(shè)計(jì)之初的標(biāo)準(zhǔn) （所有測(cè)試點(diǎn)溫升不超過55℃）。

圖4 一款單塊多層線路板

為提高線路板的載流能力，天海［2］和奇瑞［5］研究開發(fā)了一種新的汽車印刷電路板 （圖5）。該汽車印刷電路板，在印刷電路板本體的下表面上設(shè)置了一層導(dǎo)流銅板，該導(dǎo)流銅板通過管腳與印刷電路板本體導(dǎo)通，輔助印刷電路板本體導(dǎo)通電流，從而提高了印刷電路板的載流能力。同時(shí)導(dǎo)流匯流條可以根據(jù)大電流功能負(fù)載的分布進(jìn)行不同形狀的設(shè)計(jì)，能改善PCB板不利于進(jìn)行不規(guī)則形狀設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。導(dǎo)流匯流條可以通過設(shè)計(jì)成多個(gè)插腳對(duì)PCB板進(jìn)行多點(diǎn)供電，避免PCB板從一點(diǎn)供電的局限性，提升了電器盒性能，同時(shí)使整個(gè)電器盒布置更規(guī)則［2］。

圖5 一種帶銅導(dǎo)流板的汽車印刷電路板

2 繼電器插座設(shè)計(jì)

電器盒中繼電器是其重要組成部分，起到分配控制電路的重要作用。結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)MICRO和MINI繼電器插腳分布和尺寸，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)繼電器插座結(jié)構(gòu)與之匹配。利用MINI繼電器和MICRO繼電器中有兩個(gè)插腳的布局是一樣的，范存建等在設(shè)計(jì)中充分利用這兩個(gè)插腳，設(shè)計(jì)的混合插座［6］（圖6中1），為了防止繼電器與插座之間出現(xiàn)退位現(xiàn)象，在插座上面設(shè)置了卡子2，在混合繼電器的各個(gè)插孔內(nèi)設(shè)置了掛臺(tái)，卡子的插腳和繼電器混合插座的各個(gè)插孔是對(duì)應(yīng)一致的?；旌侠^電器插座不僅方便客戶隨時(shí)替換使用MICRO型和MINI型繼電器，產(chǎn)品多樣化、平臺(tái)化程度大大增加，而且降低前期設(shè)計(jì)大量備用繼電器插座的模具制造成本和避免后期因繼電器型號(hào)更改引起的模具整改費(fèi)用。

針對(duì)PCB上用的熔斷絲端子和繼電器端子采用傳統(tǒng)的端子插座裝配方式為人工裝配成本很高的問題，最近行業(yè)中又出現(xiàn)了使用音叉端子的易于裝配、能自動(dòng)化插裝的電器盒線路板 （圖5）。音叉式結(jié)構(gòu)端子，對(duì)端子進(jìn)行“大減重”，僅保留了與性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)。我們開發(fā)的音叉端子結(jié)構(gòu) （專利已受理） （圖7）通用性好，可以實(shí)現(xiàn)一件多用，通過不同組合，可同時(shí)適配多種電氣元件，大大提高了產(chǎn)品裝配效率。同時(shí)通過彈性鋼卡可以保證音叉端子對(duì)熔斷絲、繼電器的夾持力，提高了電流承載能力［7］。

圖6 繼電器混合插座

3 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

傳統(tǒng)情況下，汽車電器盒的熔斷絲處沒有設(shè)置報(bào)警功能，同時(shí)保護(hù)功能設(shè)置簡單，造成汽車電器盒的使用壽命一般，同時(shí)存在一定的安全隱患，影響到了安全駕駛。李蕊設(shè)計(jì)了一種汽車電器盒熔斷絲報(bào)警裝置［8］，采用電流傳感器、控制主機(jī)和蜂鳴器組成的反饋控制回路，能夠在電器盒內(nèi)電流過載熔斷熔斷絲的同時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音提醒使用者及時(shí)處理。劉乾等［9］則以MLX90601系列紅外測(cè)溫模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)線路板電器盒溫度的檢測(cè)和報(bào)警，避免電器故障蔓延。

圖7 音叉端子

4 電器盒小型化設(shè)計(jì)

汽車的發(fā)展正朝著高度集成的方向發(fā)展，越來越多的技術(shù)融入汽車行業(yè)，各種各樣的控制單元、執(zhí)行器及輔助零部件占據(jù)更多的空間，汽車電器盒的小型化是必然的趨勢(shì)。小型熔斷絲Mini，Micro2、3已開始普遍采用。體積更小的組合式的慢熔熔斷絲也已出現(xiàn)。繼電器更是不斷精細(xì)化，體積明顯縮小，輕的PCB小電流或大電流繼電器逐步代替較重的插裝式繼電器。采用Z向排布的方法［10］，小范圍內(nèi)熔斷絲和繼電器等零部件的集成也是減小繼電器體積的一種方法，將多個(gè)繼電器整合為一個(gè)模塊，為便于維修更換熔斷絲，將熔斷絲放置于模塊的頂部，體積大大減小的同時(shí)，也可以作為標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)通用化。孫韻等設(shè)計(jì)了一種小型多功能汽車電器盒［11］（圖8），采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，將所有繼電器集中在繼電器插槽區(qū)，將所有熔斷絲安裝在熔斷絲插槽區(qū)，熔斷絲與繼電器成排設(shè)置，有利于實(shí)現(xiàn)高度集成化，實(shí)現(xiàn)電器盒的小型化，同時(shí)通過設(shè)置多個(gè)迷你熔斷絲1、J-case熔斷絲2、微型繼電器3和迷你繼電器4，實(shí)現(xiàn)多功能化。

圖8 一種小型多功能汽車電器盒

5 智能化

最初汽車智能電器盒是將負(fù)載電路板和BCM電路板集成在一起［12］（圖9），既具有傳統(tǒng)電器盒的電源分配和負(fù)載保護(hù)功能，又融合了BCM的智能邏輯控制功能，在方便安裝和布置的同時(shí)，也為了減少線束轉(zhuǎn)接帶來的布置成本上的一系列壓力，節(jié)約了成本。

圖9 集成化智能電器盒

汽車電器盒中電源分配單元裝配的繼電器線圈回路長時(shí)間加載電流造成電能損耗，絕大部分以熱能的方式散發(fā)到產(chǎn)品內(nèi)部，促使環(huán)境溫度升高，造成工作環(huán)境惡化。車輛負(fù)載回路工作電流異常時(shí)，通過熔斷絲熔斷保護(hù)回路導(dǎo)線和負(fù)載，這種保護(hù)方式是被動(dòng)式的一次性保護(hù)，故障處理后需要重新裝配新的熔斷絲，智能化程度較低。繼電器的結(jié)構(gòu)形式造成其質(zhì)量和體積較大，尤其是大電流功率型繼電器更大；大電流感性負(fù)載的熔斷絲的質(zhì)量和體積也較大。針對(duì)目前的技術(shù)問題，劉鳳軍等設(shè)計(jì)了一種自我控制的汽車電子式電源分配單元［13］（圖10），包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有線路板，所述線路板上設(shè)有微處理控制器 （MCU）2、SBC模塊和若干個(gè)高驅(qū)動(dòng)芯片1，SBC模塊集成有電壓轉(zhuǎn)換模塊和CAN總線接口模塊，電壓轉(zhuǎn)換模塊與外界電源相連接，CAN總線，MOSFET高驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用與其他控制單元或配套電路的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自我診斷或保護(hù)、故障報(bào)警及提示等功能，更容易實(shí)現(xiàn)CAN總線技術(shù)的應(yīng)用［10］。接口模塊通過CAN總線與儀表盤顯示屏相連接；實(shí)現(xiàn)對(duì)過流故障精確切斷開關(guān)，對(duì)負(fù)載回路主動(dòng)保護(hù)，智能化程度較高；在線直接顯示過流回路編號(hào)或高驅(qū)動(dòng)芯片編號(hào)，提高了維護(hù)方便性。

圖10 智能電器盒線路板

6 結(jié)論

總之，印刷線路板電器盒在做好常規(guī)的防水設(shè)計(jì)、繼電器熔斷絲插座的設(shè)計(jì)的同時(shí)，核心部件線路板出現(xiàn)多層化及與銅條結(jié)合增加載流能力的趨勢(shì)，音叉端子的出現(xiàn)提升了電器盒自動(dòng)化插裝水平，而電器盒整體不斷向小型化、與電子模塊集成化及智能化的方向發(fā)展，特別是MOSFET高驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用與其他控制單元或配套電路的結(jié)合，將使汽車電器盒迎來新的技術(shù)革命。