汽車線路板式電器盒的設計技術

趙平堂，趙凡琪，凌文丹，李志攀，葛君超

（1.鶴壁汽車工程職業學院 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）

智能化是汽車技術的重要發展方向之一，在汽車智能化發展的同時，特別是自動駕駛的出現，汽車的電子功能模塊不斷增加，被稱為汽車電氣系統神經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］，在設計復雜性增加的同時，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于直插式和匯流條式電器盒，并且針對不同車型該電器盒電路板可進行改進設計［2］，成為汽車主機廠的首選。隨著汽車智能化、電動化的發展，汽車線路板式電器盒的設計技術也面臨著許多挑戰。

1 線路板設計新技術

線路板不僅支持整個電器盒的元件，而且對電器盒的穩定性起著至關重要的作用，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。這種結構容易造成電路之間相互接觸，造成性能不穩定，且體積大、成本高、效率低。而且線路板回路的設計是電流從電源輸入端進入上層線路板，經過上層線路板的一個短插頭通過熔斷絲進入另外一個短插頭，然后從上層線路板經過焊接支撐柱進入下層線路板，最后從標準插頭輸出，電流在電器盒內通過的回路比較長，回路電阻較大，電壓降較大，造成回路發熱量比較大，溫升值比較高，燒毀電器盒及車輛的風險非常高。

圖1 兩塊雙層結構

針對此問題劉鳳軍等則設計了一種汽車電器盒的新型線路板結構［3］（圖2），其包括上層線路板2、下層線路板6、設于上層線路板上的電源輸入端1和熔斷絲4、設于下層線路板上的標準插頭7，熔斷絲4匹配一個短插頭3和一個長插頭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構中采用匹配一個長插頭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，降低了生產成本，簡化了焊裝工藝，提高了生產效率，電器盒的整體性能得到提高。

尤其是最近開發的單塊多層線路板［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有阻焊膜2，由于在不同層之間根據情況需要電路連接，可以用通孔、埋孔或盲孔的結構進行不同方式的連接。通孔要在粘結多層板之前還需要鉆孔，將上下位置的電路層相應銅線對起來，讓孔壁帶銅，然后進行孔電鍍，讓孔導通，形成鍍通孔，這樣就相當于導線將電路串聯起來了。盲孔是將幾層內部電路與表面電路連接，不須穿透整個板子，埋孔則只連接內部的電路多層電路之間。線路板上焊接有插頭5、插座1、導電片、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，同時減少了焊接支撐柱、塑料支撐柱，成本優勢明顯、焊裝流程簡單、回路路徑較短、電壓降小，符合市場對汽車配件輕量化的要求。

圖2 新型線路板結構

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構；慢熔熔斷絲與匯流條共端取電；大功率長時負載盡可能均布，滿足熱量不聚集的原則；通過多次的實驗數據該PCB線路板溫升實驗數據保持在92～125.1℃，溫度最高點溫升值為45.1℃ （測試環境溫度80℃）。全部滿足設計之初的標準 （所有測試點溫升不超過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置了一層導流銅板，該導流銅板通過管腳與印刷電路板本體導通，輔助印刷電路板本體導通電流，從而提高了印刷電路板的載流能力。同時導流匯流條可以根據大電流功能負載的分布進行不同形狀的設計，能改善PCB板不利于進行不規則形狀設計的缺點。導流匯流條可以通過設計成多個插腳對PCB板進行多點供電，避免PCB板從一點供電的局限性，提升了電器盒性能，同時使整個電器盒布置更規則［2］。

圖5 一種帶銅導流板的汽車印刷電路板

2 繼電器插座設計

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。結構工程師根據MICRO和MINI繼電器插腳分布和尺寸，設計對應繼電器插座結構與之匹配。利用MINI繼電器和MICRO繼電器中有兩個插腳的布局是一樣的，范存建等在設計中充分利用這兩個插腳，設計的混合插座［6］（圖6中1），為了防止繼電器與插座之間出現退位現象，在插座上面設置了卡子2，在混合繼電器的各個插孔內設置了掛臺，卡子的插腳和繼電器混合插座的各個插孔是對應一致的。混合繼電器插座不僅方便客戶隨時替換使用MICRO型和MINI型繼電器，產品多樣化、平臺化程度大大增加，而且降低前期設計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更改引起的模具整改費用。

針對PCB上用的熔斷絲端子和繼電器端子采用傳統的端子插座裝配方式為人工裝配成本很高的問題，最近行業中又出現了使用音叉端子的易于裝配、能自動化插裝的電器盒線路板 （圖5）。音叉式結構端子，對端子進行“大減重”，僅保留了與性能相關的結構。我們開發的音叉端子結構 （專利已受理） （圖7）通用性好，可以實現一件多用，通過不同組合，可同時適配多種電氣元件，大大提高了產品裝配效率。同時通過彈性鋼卡可以保證音叉端子對熔斷絲、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 監控報警系統

傳統情況下，汽車電器盒的熔斷絲處沒有設置報警功能，同時保護功能設置簡單，造成汽車電器盒的使用壽命一般，同時存在一定的安全隱患，影響到了安全駕駛。李蕊設計了一種汽車電器盒熔斷絲報警裝置［8］，采用電流傳感器、控制主機和蜂鳴器組成的反饋控制回路，能夠在電器盒內電流過載熔斷熔斷絲的同時，蜂鳴器發出警報聲音提醒使用者及時處理。劉乾等［9］則以MLX90601系列紅外測溫模塊實現了對整個線路板電器盒溫度的檢測和報警，避免電器故障蔓延。

圖7 音叉端子

4 電器盒小型化設計

汽車的發展正朝著高度集成的方向發展，越來越多的技術融入汽車行業，各種各樣的控制單元、執行器及輔助零部件占據更多的空間，汽車電器盒的小型化是必然的趨勢。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。繼電器更是不斷精細化，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，將多個繼電器整合為一個模塊，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，也可以作為標準模塊實現通用化。孫韻等設計了一種小型多功能汽車電器盒［11］（圖8），采用模塊化的設計理念，將所有繼電器集中在繼電器插槽區，將所有熔斷絲安裝在熔斷絲插槽區，熔斷絲與繼電器成排設置，有利于實現高度集成化，實現電器盒的小型化，同時通過設置多個迷你熔斷絲1、J-case熔斷絲2、微型繼電器3和迷你繼電器4，實現多功能化。

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載電路板和BCM電路板集成在一起［12］（圖9），既具有傳統電器盒的電源分配和負載保護功能，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，也為了減少線束轉接帶來的布置成本上的一系列壓力，節約了成本。

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間加載電流造成電能損耗，絕大部分以熱能的方式散發到產品內部，促使環境溫度升高，造成工作環境惡化。車輛負載回路工作電流異常時，通過熔斷絲熔斷保護回路導線和負載，這種保護方式是被動式的一次性保護，故障處理后需要重新裝配新的熔斷絲，智能化程度較低。繼電器的結構形式造成其質量和體積較大，尤其是大電流功率型繼電器更大；大電流感性負載的熔斷絲的質量和體積也較大。針對目前的技術問題，劉鳳軍等設計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，殼體內設有線路板，所述線路板上設有微處理控制器 （MCU）2、SBC模塊和若干個高驅動芯片1，SBC模塊集成有電壓轉換模塊和CAN總線接口模塊，電壓轉換模塊與外界電源相連接，CAN總線，MOSFET高驅動芯片的應用與其他控制單元或配套電路的結合，可以實現自我診斷或保護、故障報警及提示等功能，更容易實現CAN總線技術的應用［10］。接口模塊通過CAN總線與儀表盤顯示屏相連接；實現對過流故障精確切斷開關，對負載回路主動保護，智能化程度較高；在線直接顯示過流回路編號或高驅動芯片編號，提高了維護方便性。

圖10 智能電器盒線路板

6 結論

總之，印刷線路板電器盒在做好常規的防水設計、繼電器熔斷絲插座的設計的同時，核心部件線路板出現多層化及與銅條結合增加載流能力的趨勢，音叉端子的出現提升了電器盒自動化插裝水平，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展，特別是MOSFET高驅動芯片的應用與其他控制單元或配套電路的結合，將使汽車電器盒迎來新的技術革命。