周知义

（微宏动力系统（湖州） 有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 前言

随着全球能源紧缺、环境污染、气候变暖等问题的日趋严重，环境保护和清洁能源越来越受到各国政府及人民的关注，各行各业也越来越重视新能源的发展。目前，中国各地区都在大力发展新能源领域，特别是新能源汽车行业的发展尤为迅速。而在这些领域中，动力电池PACK技术是不可或缺的。动力电池PACK是指基于车厂客户不同车型的个性化需求，对动力电池BMS方案、热管理、空间尺寸、结构强度、系统接口、IP等级和防护等进行定制化研发与设计，通过各种成熟技术的交互使用实现动力电池组各模块的有机结合，保障核心储能装置电芯的安全性和稳定性，有效提升动力电池系统与不同厂商不同车型的匹配性和应用性。动力电池PACK包括模组、电池电子部件、高压电路、过流保护装置、电池箱以及其它外部系统（如冷却、高压、辅助低压、通信等） 接口。目前，纯电动汽车的动力电池电压大都在200～400V，全车高压用电器如电机控制器、空调系统、DC/DC系统、充电系统等，若直接与动力电池相连接，则会造成动力电池线束杂乱的现象，这不仅增加成本，占用整车空间，也大大增加了整车安全隐患。因此，电动汽车需要增加高压配电盒对动力电池高压进行分配，从而给各高压部件供电。本文以高低压线束PCB一体化为研究目的，针对高压配电盒高低压集成PCB一体化设计的方案、设计规范、检验标准及应用进行研究。

2 高压配电盒高低压集成PCB一体化设计方案

2.1 高压配电盒概述

PDU（Power Distribution Unit，高压分配单元），负责新能源汽车高压系统中的电源分配与管理，为整车提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能，保护和监控高压系统的运行。高压配电盒内部的电气零件，如熔断器、继电器、霍尔传感器、预充电电阻、铜排、BMS、绝缘模块等依次安装在配电盒体内[1]，见图1。

图1 PDU电气零件布置图

高压配电盒一般采用钣金或铸铝外壳和接插件，防护等级达到IP67，具有电流、电压采集功能。可以实时监控高压连接的状态和绝缘状态，对高压安全和高压配电进行管理， 实现对各路输出信号的分别控制，并具有过流、过压、过温保护功能。目前，高压配电盒逐渐运用在新能源汽车领域，当车辆发生碰撞或翻车时，可及时切断高压回路。同时高压配电盒还具备CAN通信功能，可实时交换数据。

2.2 PCB概述

PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板），是重要的电力电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体[2]。电力电子设备采用PCB集成形式，由于同类印制板的一致性，从而避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子产品的一致性及品质可靠性，提高了劳动生产效率，降低了成本，且便于维修，使电子产品小型化、轻量化。根据电路层数，PCB可分为单面板、双面板和多层板。单面板（Single-sided Boards） 的零件集中在一面，导线则集中在另一面上，在设计线路上有许多的限制。双面板（Double-sided Boards） 的两面都有布线，在两面间必须有适当的电路连接，即“导孔”。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。多层板（Multi-layer Boards） 为了增加可以布线的面积，用上了更多的单面或双面的布线板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层，在特殊情况下会加入空层来控制板厚，通常层数都是偶数。随着新能源汽车的迅猛发展，鉴于PCB作为电路连接和集成具有诸多优点，高压大电流的特种PCB板以及高低压集成一体化PCB板也成为探索的方向。

2.3 设计思路

高压配电箱内各个电器件的连接多采用线束连接的方式，在布线时需将线束按照正、负极性及高低压进行区分，并分别进行固定。由于大电流采用的线束线径较粗，在有限的空间里折弯的难度比较大。同时，线束容易凌乱，占用整车空间的尺寸也较大。若将电流较大的电路改用铜排连接，则必须将裸露的铜排用绝缘材料包裹好，因为裸露的铜排存在较大的安全隐患。若各个电气零部件的连接方式由铜排、线束改为PCB板，则可将低压与高压的连接部分分层布置，并用PCB板包覆连接电器件的铜排。此种方式不仅可以大大减少箱体内线束的布置空间，更能有效提高电器件的连接可靠性。高压和低压电路集成在PCB板上，分层布置。在设计时，可将熔断器、低压继电器等直接焊接在PCB板上，并在板上预留低压和高压接口。同时运用PCB板包覆铜排的方式，可以最大限度保证人身安全。此种布置方式不仅可以节省空间，还可以减少由于线束损坏、接触不良等造成的整车故障。

2.4 元器件布置及布线设计

以PDU高压配电盒为例，其内部的电气零件，如熔断器、继电器、霍尔传感器、预充电电阻、铜排、BMS、绝缘模块等依次安装在配电盒体内。图2为PDU电气原理图。

1） 将高压线路用PCB实现，低压电路仍然通过线束连接方式来实现。PCB板中将高压电气连接的铜排包覆，并做好绝缘处理，在一定程度上节约了PDU内部空间，提升了装配效率，美观性也更好。低压部分用线束连接，因为线束少，可靠性、美观性等都得到改善。

2） 每个电气零件都通过PCB板进行电气连接。高压电路和低压电路分布在不同层的PCB板上，杜绝干扰。同时PCB上还集成有屏蔽层、绝缘层等用以保护。

高低压PCB一体化布置示意如图3所示。熔断器、电阻、发光二极管以及铜排等按照不同的层级排布，各个层级之间设置有屏蔽层、绝缘层、丝印油层，如图4所示。

图3 简易PCB一体化示意图

图4 层级分布示意图

这种方式的电路设计，可以将低压与高压的连接部分分层布置，并用PCB板包覆连接电器件的铜排。同时PCB上可以集成熔断器、继电器、各个电气连接的插口。此种方式不仅可以大大减少箱体内线束的布置空间，更能有效提高电器件的连接可靠性，整体布置更加美观，并大大提升了装配效率，节省人工成本。

2.5 设计规范与工艺要求

1） PCB板上铜箔线路的承载能力设计：PCB的载流能力与线宽、线厚（铜箔厚度）、允许温升有关。一般在铜箔厚度固定的情况下PCB走线越宽，载流能力越大，设计时可参考表1数据[3]。

表1 载流能力表

2） PCB板上不同的导电铜箔之间的距离设计要求：高压线路之间的爬电距离一般应大于等于3mm，高压线路之间的电气间隙应大于等于2.5mm。高压线路与低压信号线路之间的爬电距离应大于等于4mm，高压线路与低压信号线路之间的电气间隙应大于等于3mm。低压信号线路之间的最小间距应大于0.26mm。当PCB板上用开槽来增加其电气间隙时，则槽宽应大于等于1mm。

3） PCB板上开孔设计要求：如果开孔是为了螺钉固定PCB板用，则孔不应开在导电图形上。螺钉固定PCB板后，螺钉头不应跨越在任何2条线以上的导电图形上，且其距离要离导电图形至少大于等于1mm。

4） 其它设计要求：PCB板上的高压线路与低压信号线路应布线分明，不应将其排布混在一起，避免干扰。

5） PCB高压板设计要求：材质选择FR4+T2紫铜，高压电连接及固定涨铆螺母使用不锈钢镀镍，铜排厚度3.0mm，PCB厚度4mm。设计需注意相邻的铜排之间应留足够的电气间隙，完全绝缘隔离的电气间距不小于6mm，非完全绝缘隔离的最小爬电距离大于12mm，同电极之间可适当减少间距，为防止短路，不同电极之间必须做好绝缘隔离并保持合理的安全距离。固定件采用涨铆工艺，为方便生产装配及螺栓规格统一，减少螺栓种类，开孔尺寸尽量保持一致。高压零部件电连接区域表面处理采用沉金或沉锡工艺（优先采用沉金），镀层厚度6μm±1μm。阻焊油采用环保型，符合Rosh认证，并统一颜色。标识统一字体，字体清晰，不脱落，标识位置合理，容易观察到。

6） 高压板制造工艺要求：耐高温大于200℃，5min内无燃点；表面形变小于0.003mm/cm2；铜排裸露部分平整度误差小于0.003mm/cm2；M5/M6涨铆螺纹扭力大于8N·m，M8涨铆螺纹扭力大于10N·m；丝印使用白色油墨，除功能字符以外，板面必须有LOGO、物料代码、图号和生产批次；按照国标QC/T 413—2002要求，使用5%盐水试验72h，表面无变化。

3 检验标准

PCB完成试制后，需要对产品的基材、阻焊、字符、线路、标识、孔、外形、功能、可靠性及外观等项目进行检验，检验标准见表2。

表2 检验标准表

4 应用结果及技术现状分析

PCB的应用领域非常广，常用于电力自动化、家电、汽车、玩具、办公设备、手机、电脑等领域。动力电池作为新能源行业，属于近几年新兴领域，PCB板的应用并未得到特别广泛的关注。而高低压一体化的PCB形式，因为制作工艺相对复杂、设计线路难度较高、成本相对较高等原因，并未大规模应用在新能源的领域中。

普通的PDU线路设计方法简单，一体化的PCB板上线路设计相对复杂。首先，PCB板的布置形式不如线束灵活，线束在一定程度上可以折弯，且排故方便。其次，PCB板的成本相对线束来说要高。但是PCB板一体化的形式具有较高的可靠性和安全性，对于高压配电盒来说，PCB的形式安全性更高，同时由于采用集成一体化可以使高压控制盒体积尺寸小型化、轻量化，一体化亦可以减少繁琐的安装工序，提升生产效率，节省人工成本。

5 总结

新能源领域很多技术都处在完善和进步的阶段。用高低压集成PCB来代替常规的分体式铜排、线束连接具有一定的优势。但是针对高压配电盒PDU，从成本以及维修方便性考虑，高压电路部分采用PCB板包覆铜排，低压电路部分采用线束连接，不仅美观、可靠，也利于后期维护和保养。将高压和低压集成在一块PCB板上，虽然具有更高的安全性，但若某个线路或器件发生故障或短路，那么整块板子很有可能将不能再使用。其次，每个PDU内部电气件的布置各不相同，若不能批量生产PCB板，那么成本将是其被限制广泛应用的一个主要因素。