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(鋰電池)上的應(yīng)用——新能源汽車FPC

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(鋰電池)上的應(yīng)用,新能源汽車FPC

Application of FPC in New Energy Vehicles (Lithium Batteries)

通過2018年調(diào)研顯示,寧德時代和比亞迪已經(jīng)在 Pack 環(huán)節(jié)批量化應(yīng)用FPC,而這兩家企業(yè)也是國內(nèi)動力電池的第一梯隊。具公開信息顯示,特斯拉、國軒高科、中航鋰電、塔菲爾、欣旺達(dá)、孚能等企業(yè)也紛紛開始應(yīng)用FPC。目前,F(xiàn)PC已成為絕大部分新能源汽車新車型的最主要選擇,在新上市的新能源汽車中得到了廣泛應(yīng)用

 

FPC(柔性電路板)介紹

柔性電路板(FPC,F(xiàn)lexible Printed Circuit)是以柔性覆銅板為基材制成的一種電路板,作為信號傳輸?shù)拿浇閼?yīng)用于電子產(chǎn)品的連接,具備配線組裝密度高、彎折性好、輕量化、工藝靈活等特點。FPC一般可分為單層 FPC、雙層 FPC、多層 FPC 和軟硬結(jié)合版。

圖 1:柔性電路板 FPC 的特點

 

表 1:FPC 分類

復(fù)雜又繁瑣的汽車線束系統(tǒng)

 

對于汽車FPC而言,無論是燃油車輛,還是智能車輛都有大量的FPC的應(yīng)用,主要存在于汽車電子板塊,汽車電子是汽車電子控制裝置和汽車電子控制裝置的總稱。主要包括發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和汽車電子控制系統(tǒng);而從結(jié)構(gòu)、空間等考慮,未來新能源汽肯定會大量采用FPC代替線束,會在車輛多個部位應(yīng)用實現(xiàn),所以FPC技術(shù)在汽車電子,尤其智能汽車上是一個非常重要的趨勢,尤其在電池BMS、車輛照明系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、攝像頭模組等;

一般一輛電動汽車上會高達(dá)100多條的FPC應(yīng)用,這個里面當(dāng)屬電池BMS里的FPC和車輛攝像頭模塊的應(yīng)用價值最高,也是重點發(fā)展領(lǐng)域。

 

 

而BMS 的FPC應(yīng)用在電池里,對于電池而言成本和空間是兩個比較重要的問題。

就目前技術(shù)而言,電池的容量基本上到了極致,大家都是在問結(jié)構(gòu)要效率,怎么最大程度利用空間,而電池組的尺寸幾乎是固定的,所以在PACK中能裝入多少電池其實是有限制的,而利用FPC替代傳統(tǒng)的BMS布線,既保證了性能的穩(wěn)定,同時也可以減少了呼吸帶來上蓋摩擦的風(fēng)險,這也是目前各家的主流做法,甚至從長遠(yuǎn)看,主板和從板的電路都可以用芯片替代,而芯片可以裝在FPC上,能夠最大程度提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、節(jié)省空間和降低成本(雖然目前而言,成本還沒有啥優(yōu)勢)所以對于任何一個技術(shù)迭代而言,越往后其實越是往基礎(chǔ)層面走的。

 

FPC在新能源汽車的應(yīng)用

采集線是新能源汽車BMS系統(tǒng)所需配備的重要部件,實現(xiàn)監(jiān)控新能源動力電池電芯的電壓和溫度;連接數(shù)據(jù)采集和傳輸并自帶過流保護(hù)功能;保護(hù)汽車動力電池電芯,異常短路自動斷開等功能。

此前新能源汽車動力電池采集線采用傳統(tǒng)銅線線束方案,常規(guī)線束由銅線外部包圍塑料而成,連接電池包時每一根線束到達(dá)一個電極,當(dāng)動力電池包電流信號很多時,需要很多根線束配合,對空間的擠占大。

Pack 裝配環(huán)節(jié),傳統(tǒng)線束依賴工人手工將端口固定在電池包上,自動化程度低。相較銅線線束,F(xiàn)PC 由于其高度集成、超薄厚度、超柔軟度等特點,在安全性、輕量化、布局規(guī)整等方面具備突出優(yōu)勢,此外 FPC 厚度薄,電池包結(jié)構(gòu)定制,裝配時可通過機(jī)械手臂抓取直接放置電池包上,自動化程度高,適合規(guī)?;笈可a(chǎn),F(xiàn)PC 替代銅線線束趨勢明確。

FPC在動力電池模組中應(yīng)有中有以下優(yōu)勢

高度集成:自嵌入式Fuse、連接器、片式NTC、鋁/鎳端子;不僅提供優(yōu)良而一致的電性能,能滿足更小型和更高密度安裝的設(shè)計需要三度空間布線且外型可順空間的局限做改變,適用于向高密度、小型化、高可靠方向發(fā)展的需要,從而達(dá)到元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化。

可實現(xiàn)自動化組裝:組裝快、精準(zhǔn),利于實現(xiàn)自動化;在裝配和容錯這里,可以避免很多線束設(shè)計中由于手工出現(xiàn)的差錯,在接插件層面也減少了很多插錯的機(jī)會。使用FPC采樣,可降低Module集成工藝復(fù)雜度,F(xiàn)PC與電池busbar(匯流排)的連接可實現(xiàn)自動化焊接,有效減少了人工成本。即使客戶在無法成熟實現(xiàn)自動化焊接的情況下,采用傳統(tǒng)螺絲鎖緊的方式,仍然可以有效降低了人工的投入。

超薄厚度:線路區(qū)0.34mm,NTC處2mm。

超柔軟度:線路區(qū)可實現(xiàn)90°、180°彎折組裝。

輕量化:整車使用時,可比線束方案減重約1kg。

成本優(yōu)勢:從成本來看,F(xiàn)PC本身的成本并不高,對于連接成本而言,是有很大的降低的幅度。

 

相較銅線線束,F(xiàn)PC 由于其高度集成、超薄厚度、超柔軟度等特點,在安全性、輕量化、布局規(guī)整等方面具備突出優(yōu)勢,此外 FPC 厚度薄,電池包結(jié)構(gòu)定制,裝配時可通過機(jī)械手臂抓取直接放置電池包上,自動化程度高,適合規(guī)?;笈可a(chǎn),F(xiàn)PC 替代銅線線束趨勢明確。

目前 FPC 方案已經(jīng)成為絕大部分新能源汽車新車型的最主要選擇。FPC 向 CCS(Cells Contact System,集成母排,線束板集成件)集成。CCS 產(chǎn)品由 FPC、塑膠結(jié)構(gòu)件、銅鋁排等組成,銅鋁排將多個電芯通過激光焊接進(jìn)行串并聯(lián),F(xiàn)PC 通過與銅鋁排、塑膠結(jié)構(gòu)件連接從而構(gòu)成電氣連接與信號檢測結(jié)構(gòu)部件。

組成材料

1、絕緣薄膜

絕緣薄膜形成了電路的基礎(chǔ)層,粘接劑將銅箔粘接至了絕緣層上。在多層設(shè)計中,它再與內(nèi)層粘接在一起。它們也被用作防護(hù)性覆蓋,以使電路與灰塵和潮濕相隔絕,并且能夠降低在撓曲期間的應(yīng)力,銅箔形成了導(dǎo)電層。

 

絕緣薄膜材料有許多種類,但是最為常用的是聚酷亞胺和聚酯材料。目前在美國所有柔性電路制造商中接近80%使用聚酰亞胺薄膜材料,另外約20%采用了聚酯薄膜材料。聚酰亞胺材料具有非易燃性,幾何尺寸穩(wěn)定,具有較高的抗扯強(qiáng)度,并且具有承受焊接溫度的能力,聚酯,也稱為聚乙烯雙苯二甲酸鹽(Polyethyleneterephthalate簡稱:PET),其物理性能類似于聚酰亞胺,具有較低的介電常數(shù),吸收的潮濕很小,但是不耐高溫。

 

聚酯的熔化點為250℃,玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為80℃,這限制了它們在要求進(jìn)行大量端部焊接的應(yīng)用場合的使用。在低溫應(yīng)用場合,它們呈現(xiàn)出剛性。盡管如此,它們還是適合于使用在諸如電話和其它無需暴露在惡劣環(huán)境中使用的產(chǎn)品上。聚酰亞胺絕緣薄膜通常與聚酰亞胺或者丙烯酸粘接劑相結(jié)合,聚酯絕緣材料一般是與聚酯粘接劑相結(jié)合。與具有相同特性的材料相結(jié)合的優(yōu)點,在干焊接好了以后,或者經(jīng)多次層壓循環(huán)操作以后,能夠具有尺寸的穩(wěn)定性。在粘接劑中其它的重要特性是較低的介電常數(shù)、較高的絕緣阻值、高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度和低的吸潮率。

 

2、導(dǎo)體

在一些柔性電路中,采用了由鋁材或者不銹鋼所形成的剛性構(gòu)件,它們能夠提供尺寸的穩(wěn)定性,為元器件和導(dǎo)線的安置提供了物理支撐,以及應(yīng)力的釋放。粘接劑將剛性構(gòu)件和柔性電路粘接在了一起。另外還有一種材料有時也被應(yīng)用于柔性電路之中,它就是粘接層片,它是在絕緣薄膜的兩側(cè)面上涂覆有粘接劑而形成。粘接層片提供了環(huán)境防護(hù)和電子絕緣功能,并且能夠消除一層薄膜,以及具有粘接層數(shù)較少的多層的能力。

 

銅箔適合于使用在柔性電路之中,它可以采用電淀積(Electrodeposited簡稱:ED),或者鍍制。采用電淀積的銅箔一側(cè)表面具有光澤,而另一側(cè)被加工的表面暗淡無光澤。它是具有柔順性的材料,可以被制成許多種厚度和寬度,ED銅箔的無光澤一側(cè),常常經(jīng)特別處理后改善其粘接能力。鍛制銅箔除了具有柔韌性以外,還具有硬質(zhì)平滑的特點,它適合于應(yīng)用在要求動態(tài)撓曲的場合之中。

 

3、粘接劑

粘接劑除了用于將絕緣薄膜粘接至導(dǎo)電材料上以外,它也可用作覆蓋層,作為防護(hù)性涂覆,以及覆蓋性涂覆。兩者之間的主要差異在于所使用的應(yīng)用方式,覆蓋層粘接覆蓋絕緣薄膜是為了形成疊層構(gòu)造的電路。粘接劑的覆蓋涂覆所采用的篩網(wǎng)印刷技術(shù)。不是所有的疊層結(jié)構(gòu)均包含粘接劑,沒有粘接劑的疊層形成了更薄的電路和更大的柔順性。它與采用粘接劑為基礎(chǔ)的疊層構(gòu)造相比較,具有更佳的導(dǎo)熱率。由于無粘接劑柔性電路的薄型結(jié)構(gòu)特點,以及由于消除了粘接劑的熱阻,從而提高了導(dǎo)熱率,它可以使用在基于粘接劑疊層結(jié)構(gòu)的柔性電路無法使用的工作環(huán)境之中。

 

 

基本結(jié)構(gòu)

銅箔基板(Copper Film)

銅箔:基本分成電解銅與壓延銅兩種。厚度上常見的為1oz 1/2oz 和 1/3 oz

基板膠片:常見的厚度有1mil與1/2mil兩種。

膠(接著劑):厚度依客戶要求而決定。

覆蓋膜保護(hù)膠片(Cover Film)

覆蓋膜保護(hù)膠片:表面絕緣用。常見的厚度有1mil與1/2mil

膠(接著劑):厚度依客戶要求而決定

離形紙:避免接著劑在壓著前沾附異物;便于作業(yè)

 

補(bǔ)強(qiáng)板(PI Stiffener Film)

補(bǔ)強(qiáng)板:補(bǔ)強(qiáng)FPC的機(jī)械強(qiáng)度,方便表面實裝作業(yè)。常見的厚度有3mil到9mil

膠(接著劑):厚度依客戶要求而決定

離形紙:避免接著劑在壓著前沾附異物

EMI:電磁屏蔽膜,保護(hù)線路板內(nèi)線路不受外界(強(qiáng)電磁區(qū)或易受干擾區(qū))干擾

 

 

FPC生產(chǎn)流程

FPC方案

一般來說,軟包和硬包電池是有不同的FPC方案,各家做法也不太一樣,包括末端的連接器不同連接形式有不同的方案(壓接、焊接等)FPC最大的好處在于其靈活性,在它能隨著電池控制技術(shù)的迭代升級,會演變出很多形式,本身也是一種定制化的產(chǎn)品。

FPC的技術(shù)從1950年就首次推出了,技術(shù)層面并不是一個新技術(shù),在汽車上使用FPC技術(shù),會像其它傳統(tǒng)技術(shù)跨界到汽車上一樣順暢,殺死傳統(tǒng)的永遠(yuǎn)不是同行業(yè),傳統(tǒng)汽車的線束系統(tǒng)復(fù)雜又凌亂,多接口給車輛電子系統(tǒng)帶來復(fù)雜高昂的成本,智能汽車時代,車輛電腦的算法能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的連接技術(shù),所以載體的變革只是時間問題,意識到這點的馬斯克之前就推出新的線束專利技術(shù),該技術(shù)更像一種見于線束和FPC之間的產(chǎn)物,目的還是最大化程度的去掉整車復(fù)雜的線束,構(gòu)建更高的電子化系統(tǒng)。

tesla線束專利技術(shù)

 

Trackwise將會給勞斯拉斯提供FPC技術(shù)

就目前而言,我們看到的FPC在電動汽車上應(yīng)用最多的還是在電池板塊,畢竟電池技術(shù)是先階段困擾整車的最重要的因素之一,怎么樣提高電池技術(shù),降低尺寸、降低成本毫無疑問是最重要的目的,無論是CTP 還是CTC,其實如上篇文章所說,比如CTP電池組節(jié)省了一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件,提高了電池組體積的利用率,間接提高了系統(tǒng)的能量密度而已,如果固態(tài)電池能夠在2025年這個元年實現(xiàn)量產(chǎn),那電池技術(shù)會迎來一個飛速發(fā)展。

對于動力電池而言,一般是由Pack -module- cell 構(gòu)成,動力電池一般是通過BMS來實現(xiàn)控制,多個電芯構(gòu)成了模組,而模組就需要對電芯的電壓和溫度等實現(xiàn)監(jiān)控,傳統(tǒng)都是通過模組采樣線束組件來實現(xiàn),隨著技術(shù)的發(fā)展,為滿足新型電動汽車大規(guī)模生產(chǎn)對高效化、自動化的要求,采用集成總線,減少人工裝配和布線錯誤,滿足汽車生產(chǎn)高度自動化的要求,實現(xiàn)電壓采集、電池保護(hù)和電池之間的電力傳輸,目前各家都采用了FPC+Connector 的形式替代了傳統(tǒng)采樣線束組件,而且FPC還可以監(jiān)控充電過程。

國內(nèi)目前各家電池廠都有自己的技術(shù)方案,活躍的供應(yīng)商也比較多, 比較知名的比如壹連科技、安捷利、景旺、安費(fèi)諾、莫仕、恒美、硅翔等。

雖然沒有仔細(xì)算過傳統(tǒng)模組線束組件和FPC組件相比成本差異幾何,但是從AVL內(nèi)部分析和安費(fèi)諾的資料來看,成本還是會下降很多的,但FPC的制造技術(shù)如之前的文章所說,還是需要重資產(chǎn)的,并不是一個隨便招幾個人投點錢就能短期獲利的產(chǎn)業(yè)。

 

其實從模組上蓋的角度來看,擁有NTC、FPC技術(shù)的廠家會具備一點優(yōu)勢,如果能對busbar的焊接技術(shù)有心得那就更好了,有這3塊技術(shù)的廠家,如果綜合成本和穩(wěn)定性能做的好點,那在國內(nèi)目前這個狀態(tài)下,基本上不愁生意。

connector相對來說獨立性比較強(qiáng),能做的廠家一大把,同樣結(jié)構(gòu)件也是,能做的公司一堆;NTC可以買現(xiàn)成的、BUSBAR加工廠都能做、FPC和焊接是2個需要成本和經(jīng)驗的地方,重點是需要關(guān)注誰家在這2個方面有優(yōu)勢。

智能汽車時代,F(xiàn)PC在電池上的大量自動化應(yīng)用只是時間問題,從長遠(yuǎn)看,車輛很多的低壓線束單元都有可能逐步會隨著技術(shù)的升級被替代,尤其車輛越來越智能對信號抗干擾要求越來越嚴(yán)格的時代。

 

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