PCB สำหรับ EV และ BMS: คู่มือออกแบบ Battery Management System

# PCB สำหรับ EV และ BMS: คู่มือออกแบบ Battery Management System

Electric Vehicle (EV) กำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว และ Battery Management System (BMS) เป็นหัวใจสำคัญ บทความนี้ครอบคลุมการออกแบบ PCB สำหรับ EV และ BMS

---

สารบัญ

1. BMS คืออะไร?
2. ความท้าทายในการออกแบบ
3. High Current Design
4. Thermal Management
5. Isolation & Safety
6. Material Selection

---

BMS คืออะไร? {#what-is-bms}

Battery Management System ทำหน้าที่ควบคุมและปกป้อง battery pack:

```

BMS Functions

═══════════════════════════════════════════════════════════

Monitoring:

├── Cell voltage (per cell)

├── Pack voltage

├── Current (charge/discharge)

├── Temperature (multiple points)

└── State of Charge (SoC)

Protection:

├── Over-voltage protection

├── Under-voltage protection

├── Over-current protection

├── Short circuit protection

├── Over-temperature protection

└── Cell balancing

Communication:

├── CAN bus (automotive)

├── SPI/I2C (internal)

├── Battery status reporting

└── Fault diagnostics

═══════════════════════════════════════════════════════════

```

BMS Architecture

```

Typical EV BMS Architecture

═══════════════════════════════════════════════════════════

Battery Pack

┌─────────────────────────────────────────────────────┐

│ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │

│ │Cell │ │Cell │ │Cell │ │Cell │ │Cell │ │Cell │ │

│ │ 1 │ │ 2 │ │ 3 │ │ ... │ │ n-1 │ │ n │ │

│ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ │

│ │ │ │ │ │ │ │

│ ┌──┴───────┴───────┴───────┴───────┴───────┴──┐ │

│ │ Cell Monitoring IC │ │

│ │ (AFE: Analog Front End) │ │

│ └─────────────────────┬───────────────────────┘ │

│ │ (Isolated) │

│ ┌─────────────────────┴───────────────────────┐ │

│ │ BMS Master MCU │ │

│ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │

│ │ │SoC │ │Cell │ │Fault│ │Comm │ │ │

│ │ │Calc │ │Bal │ │Mgmt │ │CAN │ │ │

│ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │

│ └─────────────────────────────────────────────┘ │

│ │ │

└────────────────────────┼───────────────────────────┘

│

┌────────┴────────┐

│ Vehicle ECU │

│ (via CAN) │

└─────────────────┘

═══════════════════════════════════════════════════════════

```

> มุมมองผู้เชี่ยวชาญ: "BMS ต้องทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในทุกสภาวะ — ตั้งแต่ร้อนจัดถึงหนาวจัด และต้องทนต่อ vibration ตลอดอายุการใช้งานรถ 15+ ปี" — Hommer Zhao

---

ความท้าทายในการออกแบบ {#challenges}

EV/BMS PCB Design Challenges

---

High Current Design {#high-current}

Current Carrying Capacity

```

PCB Trace Current Carrying (IPC-2152)

═══════════════════════════════════════════════════════════

Formula: I = k × ΔT^b × A^c

Where:

├── I = Current (A)

├── ΔT = Temperature rise (°C)

├── A = Cross-sectional area (mils²)

├── k, b, c = Constants from IPC

Example for 2oz copper, external layer, 20°C rise:

For higher currents (>50A):

├── Use busbar/copper pour

├── Multiple parallel traces

├── External copper bars

└── Aluminum or IMS PCB

═══════════════════════════════════════════════════════════

```

High Current Techniques

---

Thermal Management {#thermal}

Heat Sources in BMS

```

BMS Thermal Hotspots

═══════════════════════════════════════════════════════════

Main Heat Sources:

├── Power MOSFETs (switching losses)

├── Current sense resistors

├── DC-DC converters

├── Precharge resistor

└── Balancing circuits

Thermal Design Goals:

├── Component Tj < rated max (typically 125°C)

├── PCB temp < 100°C

├── Ambient range: -40 to +85°C

└── Minimize thermal gradients

═══════════════════════════════════════════════════════════

```

PCB Thermal Solutions

Thermal Via Design

```

Thermal Via Array Design

═══════════════════════════════════════════════════════════

Power MOSFET Thermal Pad:

Top View:

┌─────────────────────────────────────┐

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ ←─ Thermal vias (0.3mm)

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

│ ○ ○ ○ ○ ┌─────────┐ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

│ ○ ○ ○ ○ │ MOSFET │ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

│ ○ ○ ○ ○ │ D2PAK │ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

│ ○ ○ ○ ○ └─────────┘ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │

└─────────────────────────────────────┘

Design Rules:

├── Via diameter: 0.3-0.5mm

├── Via pitch: 1.0-1.2mm

├── Via plating: 25μm+ (filled preferred)

├── Bottom plane: Copper pour for spreading

└── Heatsink attachment if needed

═══════════════════════════════════════════════════════════

```

---

Isolation & Safety {#safety}

High Voltage Isolation

EV BMS ต้องแยก high voltage (HV) จาก low voltage (LV):

Creepage & Clearance for EV

Isolation Techniques

```

BMS Isolation Architecture

═══════════════════════════════════════════════════════════

HV Side │ LV Side

(Battery voltage) │ (12V system)

│

┌─────────────────┐ │ ┌─────────────────┐

│ Cell Monitor │ │ │ Main MCU │

│ AFE IC │ │ │ │

└────────┬────────┘ │ └────────┬────────┘

│ │ │

│ ╔═══════════╧═══════════╗ │

│ ║ ISOLATION BARRIER ║ │

│ ║ (>2500Vrms) ║ │

│ ╚═══════════╤═══════════╝ │

│ │ │

┌────┴────┐ ┌────┴────┐ ┌────┴────┐

│ isoSPI │ │Isolated │ │ CAN │

│ │──────│DC-DC │────│ │

│ │ │Power │ │ │

└─────────┘ └─────────┘ └─────────┘

Isolation Components:

├── Digital isolators (capacitive/magnetic)

├── Isolated DC-DC converters

├── Optocouplers (legacy)

└── Transformer-based isolation

═══════════════════════════════════════════════════════════

```

---

Material Selection {#materials}

PCB Materials for EV/BMS

Surface Finish

---

คำถามที่พบบ่อย

Q1: ต้องใช้ Aluminum PCB สำหรับ BMS ไหม?

A: ไม่จำเป็น สำหรับ:

• Low/medium current: FR4 + thermal vias พอ
• High power stage: Aluminum หรือ IMS แนะนำ
• ผสมได้: FR4 for control + MCPCB for power

Q2: BMS ต้อง IATF 16949 ไหม?

A: ถ้าขายให้ OEM ต้องใช้ IATF 16949 เป็นข้อบังคับ

Q3: Lead time สำหรับ EV PCB?

A: ขึ้นกับ complexity:

• Standard FR4: 2-3 weeks
• Heavy copper: 3-4 weeks
• MCPCB: 3-4 weeks
• Ceramic: 6-8 weeks

---

บทสรุป

> สรุปจากผู้เชี่ยวชาญ: "EV/BMS PCB เป็นการรวมความท้าทายหลายด้าน — high current, high voltage, thermal, และ automotive reliability ต้องวางแผน design อย่างรอบคอบตั้งแต่แรก เพราะการแก้ไขทีหลังมีค่าใช้จ่ายสูง" — Hommer Zhao

---

บริการของเรา

PCB Thailand สำหรับ EV/BMS:

• Aluminum PCB - Power stage
• Multilayer PCB - Control boards
• Heavy Copper - High current

Industries: Automotive

ติดต่อเรา สำหรับ EV/BMS PCB requirements

---

บทความที่เกี่ยวข้อง

• Aluminum PCB vs FR4
• LED PCB Thermal Management
• Automotive IATF 16949