汽车线路板式电器盒的设计技术

赵平堂，赵凡琪，凌文丹，李志攀，葛君超

（1.鹤壁汽车工程职业学院 汽车电子电器及其功能材料研究中心，河南 鹤壁 458030；2.天海集团汽车电子电器工程研究院，河南 鹤壁 458030；3.郑州炜盛电子科技有限公司，河南 郑州 450000）

智能化是汽车技术的重要发展方向之一，在汽车智能化发展的同时，特别是自动驾驶的出现，汽车的电子功能模块不断增加，被称为汽车电气系统神经枢纽的汽车电器盒是汽车电子功能模块的电源分配中心［1］，在设计复杂性增加的同时，其安全、可靠性的要求也就越来越高。汽车电器盒主要由塑料壳体、线路板、汇流条、连接器端子、熔断丝、继电器等零部件组成。电器盒一般分为直插式、汇流条式、印刷线路板式3种，其中印刷线路板 （PCB）式电器盒是由线路板将焊接端子、熔断丝、继电器等集成在一起，起到集中控制、线路简洁、易于安装维修的作用。该电器盒整体性能优于直插式和汇流条式电器盒，并且针对不同车型该电器盒电路板可进行改进设计［2］，成为汽车主机厂的首选。随着汽车智能化、电动化的发展，汽车线路板式电器盒的设计技术也面临着许多挑战。

1 线路板设计新技术

线路板不仅支持整个电器盒的元件，而且对电器盒的稳定性起着至关重要的作用，是电器盒做功的灵魂。电器盒的线路板初始阶段是采用单板双面或双板四面 （图1），各层电路之间采用支撑柱固定在一起。这种结构容易造成电路之间相互接触，造成性能不稳定，且体积大、成本高、效率低。而且线路板回路的设计是电流从电源输入端进入上层线路板，经过上层线路板的一个短插头通过熔断丝进入另外一个短插头，然后从上层线路板经过焊接支撑柱进入下层线路板，最后从标准插头输出，电流在电器盒内通过的回路比较长，回路电阻较大，电压降较大，造成回路发热量比较大，温升值比较高，烧毁电器盒及车辆的风险非常高。

图1 两块双层结构

针对此问题刘凤军等则设计了一种汽车电器盒的新型线路板结构［3］（图2），其包括上层线路板2、下层线路板6、设于上层线路板上的电源输入端1和熔断丝4、设于下层线路板上的标准插头7，熔断丝4匹配一个短插头3和一个长插头5，该短插头3与电源输入端1电气连接，上层线路板2通过该长插头5与下层线路板6电气相连。长插头5从上层线路板2的过孔8穿过焊接于下层线路板6上。在汽车电器盒的线路板结构中采用匹配一个长插头5的熔断丝直接将上、下两层线路板相连接，不仅缩短了回路，减小了回路电阻，消除了烧毁电器盒及车辆的隐患，而且省去了连接上下层线路板回路的焊接支撑柱，降低了生产成本，简化了焊装工艺，提高了生产效率，电器盒的整体性能得到提高。

尤其是最近开发的单块多层线路板［4］（图3）每块至少有3层电路4，每两层电路之间设有绝缘层3，在最上一层的上表面和最下一层的下表面上设有阻焊膜2，由于在不同层之间根据情况需要电路连接，可以用通孔、埋孔或盲孔的结构进行不同方式的连接。通孔要在粘结多层板之前还需要钻孔，将上下位置的电路层相应铜线对起来，让孔壁带铜，然后进行孔电镀，让孔导通，形成镀通孔，这样就相当于导线将电路串联起来了。盲孔是将几层内部电路与表面电路连接，不须穿透整个板子，埋孔则只连接内部的电路多层电路之间。线路板上焊接有插头5、插座1、导电片、元器件。单块多层线路板电器盒不仅使各层电路分开，避免不必要的接触，同时减少了焊接支撑柱、塑料支撑柱，成本优势明显、焊装流程简单、回路路径较短、电压降小，符合市场对汽车配件轻量化的要求。

图2 新型线路板结构

图3 单块多层线路板爆炸图

一款车型的前舱电器盒采用多层线路板 （图4）后电源输入端采用汇流条结构；慢熔熔断丝与汇流条共端取电；大功率长时负载尽可能均布，满足热量不聚集的原则；通过多次的实验数据该PCB线路板温升实验数据保持在92～125.1℃，温度最高点温升值为45.1℃ （测试环境温度80℃）。全部满足设计之初的标准 （所有测试点温升不超过55℃）。

图4 一款单块多层线路板

为提高线路板的载流能力，天海［2］和奇瑞［5］研究开发了一种新的汽车印刷电路板 （图5）。该汽车印刷电路板，在印刷电路板本体的下表面上设置了一层导流铜板，该导流铜板通过管脚与印刷电路板本体导通，辅助印刷电路板本体导通电流，从而提高了印刷电路板的载流能力。同时导流汇流条可以根据大电流功能负载的分布进行不同形状的设计，能改善PCB板不利于进行不规则形状设计的缺点。导流汇流条可以通过设计成多个插脚对PCB板进行多点供电，避免PCB板从一点供电的局限性，提升了电器盒性能，同时使整个电器盒布置更规则［2］。

图5 一种带铜导流板的汽车印刷电路板

2 继电器插座设计

电器盒中继电器是其重要组成部分，起到分配控制电路的重要作用。结构工程师根据MICRO和MINI继电器插脚分布和尺寸，设计对应继电器插座结构与之匹配。利用MINI继电器和MICRO继电器中有两个插脚的布局是一样的，范存建等在设计中充分利用这两个插脚，设计的混合插座［6］（图6中1），为了防止继电器与插座之间出现退位现象，在插座上面设置了卡子2，在混合继电器的各个插孔内设置了挂台，卡子的插脚和继电器混合插座的各个插孔是对应一致的。混合继电器插座不仅方便客户随时替换使用MICRO型和MINI型继电器，产品多样化、平台化程度大大增加，而且降低前期设计大量备用继电器插座的模具制造成本和避免后期因继电器型号更改引起的模具整改费用。

针对PCB上用的熔断丝端子和继电器端子采用传统的端子插座装配方式为人工装配成本很高的问题，最近行业中又出现了使用音叉端子的易于装配、能自动化插装的电器盒线路板 （图5）。音叉式结构端子，对端子进行“大减重”，仅保留了与性能相关的结构。我们开发的音叉端子结构 （专利已受理） （图7）通用性好，可以实现一件多用，通过不同组合，可同时适配多种电气元件，大大提高了产品装配效率。同时通过弹性钢卡可以保证音叉端子对熔断丝、继电器的夹持力，提高了电流承载能力［7］。

图6 继电器混合插座

3 监控报警系统

传统情况下，汽车电器盒的熔断丝处没有设置报警功能，同时保护功能设置简单，造成汽车电器盒的使用寿命一般，同时存在一定的安全隐患，影响到了安全驾驶。李蕊设计了一种汽车电器盒熔断丝报警装置［8］，采用电流传感器、控制主机和蜂鸣器组成的反馈控制回路，能够在电器盒内电流过载熔断熔断丝的同时，蜂鸣器发出警报声音提醒使用者及时处理。刘乾等［9］则以MLX90601系列红外测温模块实现了对整个线路板电器盒温度的检测和报警，避免电器故障蔓延。

图7 音叉端子

4 电器盒小型化设计

汽车的发展正朝着高度集成的方向发展，越来越多的技术融入汽车行业，各种各样的控制单元、执行器及辅助零部件占据更多的空间，汽车电器盒的小型化是必然的趋势。小型熔断丝Mini，Micro2、3已开始普遍采用。体积更小的组合式的慢熔熔断丝也已出现。继电器更是不断精细化，体积明显缩小，轻的PCB小电流或大电流继电器逐步代替较重的插装式继电器。采用Z向排布的方法［10］，小范围内熔断丝和继电器等零部件的集成也是减小继电器体积的一种方法，将多个继电器整合为一个模块，为便于维修更换熔断丝，将熔断丝放置于模块的顶部，体积大大减小的同时，也可以作为标准模块实现通用化。孙韵等设计了一种小型多功能汽车电器盒［11］（图8），采用模块化的设计理念，将所有继电器集中在继电器插槽区，将所有熔断丝安装在熔断丝插槽区，熔断丝与继电器成排设置，有利于实现高度集成化，实现电器盒的小型化，同时通过设置多个迷你熔断丝1、J-case熔断丝2、微型继电器3和迷你继电器4，实现多功能化。

图8 一种小型多功能汽车电器盒

5 智能化

最初汽车智能电器盒是将负载电路板和BCM电路板集成在一起［12］（图9），既具有传统电器盒的电源分配和负载保护功能，又融合了BCM的智能逻辑控制功能，在方便安装和布置的同时，也为了减少线束转接带来的布置成本上的一系列压力，节约了成本。

图9 集成化智能电器盒

汽车电器盒中电源分配单元装配的继电器线圈回路长时间加载电流造成电能损耗，绝大部分以热能的方式散发到产品内部，促使环境温度升高，造成工作环境恶化。车辆负载回路工作电流异常时，通过熔断丝熔断保护回路导线和负载，这种保护方式是被动式的一次性保护，故障处理后需要重新装配新的熔断丝，智能化程度较低。继电器的结构形式造成其质量和体积较大，尤其是大电流功率型继电器更大；大电流感性负载的熔断丝的质量和体积也较大。针对目前的技术问题，刘凤军等设计了一种自我控制的汽车电子式电源分配单元［13］（图10），包括壳体，壳体内设有线路板，所述线路板上设有微处理控制器 （MCU）2、SBC模块和若干个高驱动芯片1，SBC模块集成有电压转换模块和CAN总线接口模块，电压转换模块与外界电源相连接，CAN总线，MOSFET高驱动芯片的应用与其他控制单元或配套电路的结合，可以实现自我诊断或保护、故障报警及提示等功能，更容易实现CAN总线技术的应用［10］。接口模块通过CAN总线与仪表盘显示屏相连接；实现对过流故障精确切断开关，对负载回路主动保护，智能化程度较高；在线直接显示过流回路编号或高驱动芯片编号，提高了维护方便性。

图10 智能电器盒线路板

6 结论

总之，印刷线路板电器盒在做好常规的防水设计、继电器熔断丝插座的设计的同时，核心部件线路板出现多层化及与铜条结合增加载流能力的趋势，音叉端子的出现提升了电器盒自动化插装水平，而电器盒整体不断向小型化、与电子模块集成化及智能化的方向发展，特别是MOSFET高驱动芯片的应用与其他控制单元或配套电路的结合，将使汽车电器盒迎来新的技术革命。