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（鋰電池）上的應(yīng)用——新能源汽車FPC

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人氣：1626發(fā)布日期：2024-08-07 08:36【大中小】

（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、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100多條的FPC應(yīng)用，這個里面當屬電池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險，這也是目前各家的主流做法，甚至從長遠看，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功能；保護汽車動力電池電芯，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一個電極，當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，從而達到元器件裝配和導線連接的一體化。

可實現(xiàn)自動化組裝：組裝快、精準，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電材料上以外，它也可用作覆蓋層，作為防護性涂覆，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。

覆蓋膜保護膠片（Cover Film）

覆蓋膜保護膠片：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)

補強板（PI Stiffener Film）

補強板：補強FPC的機械強度，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，保護線路板內(nèi)線路不受外界（強電磁區(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)遠遠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。