FPC(柔性电路板)在新能源汽车上的应用

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通过2018年调研显示,宁德时代和比亚迪已经在 Pack 环节批量化应用FPC,而这两家企业也是国内动力电池的第一梯队。据公开信息显示,特斯拉、国轩高科、中航锂电、塔菲尔、欣旺达、孚能等企业也纷纷开始应用FPC。目前,FPC已成为绝大部分新能源汽车新车型的最主要选择,在新上市的新能源汽车中得到了广泛应用。

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FPC(柔性电路板)介绍

柔性电路板(FPC,Flexible Printed Circuit)是以柔性覆铜板为基材制成的一种电路板,作为信号传输的媒介应用于电子产品的连接,具备配线组装密度高、弯折性好、轻量化、工艺灵活等特点。FPC一般可分为单层 FPC、双层 FPC、多层 FPC 和软硬结合板。  文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/application-of-fpc-in-new-energy-vehicles/

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图 1:柔性电路板 FPC 的特点  文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/application-of-fpc-in-new-energy-vehicles/

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表 1:FPC 分类  文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/application-of-fpc-in-new-energy-vehicles/

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复杂又繁琐的汽车线束系统

对于汽车而言,无论是燃油车辆,还是智能车辆都有大量的FPC的应用,主要存在于汽车电子板块,汽车电子是汽车电子控制装置和汽车电子控制装置的总称。主要包括发动机控制系统、底盘控制系统和汽车电子控制系统;而从结构、空间等考虑,未来新能源汽肯定会大量采用FPC代替线束,会在车辆多个部位应用实现,所以FPC技术在汽车电子,尤其智能汽车上是一个非常重要的趋势,尤其在电池BMS、车辆照明系统、门控系统、摄像头模组等。 文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/application-of-fpc-in-new-energy-vehicles/

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一般一辆电动汽车上会高达100多条的FPC应用,这个里面当属电池BMS里的FPC和车辆摄像头模块的应用价值最高,也是重点发展领域。  文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/application-of-fpc-in-new-energy-vehicles/

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而BMS 的FPC应用在电池里,对于电池而言成本和空间是两个比较重要的问题。

就目前技术而言,电池的容量基本上到了极致,大家都是在问结构要效率,怎么最大程度利用空间,而电池组的尺寸几乎是固定的,所以在PACK中能装入多少电池其实是有限制的,而利用FPC替代传统的BMS布线,既保证了性能的稳定,同时也可以减少了呼吸带来上盖摩擦的风险,这也是目前各家的主流做法,甚至从长远看,主板和从板的电路都可以用芯片替代,而芯片可以装在FPC上,能够最大程度提高产品的稳定性、节省空间和降低成本(虽然目前而言,成本还没有啥优势)所以对于任何一个技术迭代而言,越往后其实越是往基础层面走的。 

  

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FPC在新能源汽车的应用

采集线是新能源汽车BMS系统所需配备的重要部件,实现监控新能源动力电池电芯的电压和温度;连接数据采集和传输并自带过流保护功能;保护汽车动力电池电芯,异常短路自动断开等功能。

此前新能源汽车动力电池采集线采用传统铜线线束方案,常规线束由铜线外部包围塑料而成,连接电池包时每一根线束到达一个电极,当动力电池包电流信号很多时,需要很多根线束配合,对空间的挤占大。

Pack 装配环节,传统线束依赖工人手工将端口固定在电池包上,自动化程度低。相较铜线线束,FPC 由于其高度集成、超薄厚度、超柔软度等特点,在安全性、轻量化、布局规整等方面具备突出优势,此外 FPC 厚度薄,电池包结构定制,装配时可通过机械手臂抓取直接放置电池包上,自动化程度高,适合规模化大批量生产,FPC 替代铜线线束趋势明确。

FPC在动力电池模组中应有中有以下优势

高度集成:自嵌入式Fuse、连接器、片式NTC、铝/镍端子;不仅提供优良而一致的电性能,能满足更小型和更高密度安装的设计需要三度空间布线且外型可顺空间的局限做改变,适用于向高密度、小型化、高可靠方向发展的需要,从而达到元器件装配和导线连接的一体化。

可实现自动化组装:组装快、精准,利于实现自动化;在装配和容错这里,可以避免很多线束设计中由于手工出现的差错,在接插件层面也减少了很多插错的机会。使用FPC采样,可降低Module集成工艺复杂度,FPC与电池busbar(汇流排)的连接可实现自动化焊接,有效减少了人工成本。即使客户在无法成熟实现自动化焊接的情况下,采用传统螺丝锁紧的方式,仍然可以有效降低了人工的投入。

超薄厚度:线路区0.34mm,NTC处2mm。

超柔软度:线路区可实现90°、180°弯折组装。

轻量化:整车使用时,可比线束方案减重约1kg。

成本优势:从成本来看,FPC本身的成本并不高,对于连接成本而言,是有很大的降低的幅度。

相较铜线线束,FPC 由于其高度集成、超薄厚度、超柔软度等特点,在安全性、轻量化、布局规整等方面具备突出优势,此外 FPC 厚度薄,电池包结构定制,装配时可通过机械手臂抓取直接放置电池包上,自动化程度高,适合规模化大批量生产,FPC 替代铜线线束趋势明确。

目前 FPC 方案已经成为绝大部分新能源汽车新车型的最主要选择。

FPC 向 CCS(Cells Contact System,集成母排,线束板集成件)集成。CCS 产品由 FPC、塑胶结构件、铜铝排等组成,铜铝排将多个电芯通过激光焊接进行串并联,FPC 通过与铜铝排、塑胶结构件连接从而构成电气连接与信号检测结构部件。

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FPC生产流程

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FPC方案

一般来说,软包和硬包电池是有不同的FPC方案,各家做法也不太一样,包括末端的连接器不同连接形式有不同的方案(压接、焊接等)FPC最大的好处在于其灵活性,在它能随着电池控制技术的迭代升级,会演变出很多形式,本身也是一种定制化的产品。  

  

FPC的技术从1950年就首次推出了,技术层面并不是一个新技术,在汽车上使用FPC技术,会像其它传统技术跨界到汽车上一样顺畅,杀死传统的永远不是同行业,传统汽车的线束系统复杂又凌乱,多接口给车辆电子系统带来复杂高昂的成本,智能汽车时代,车辆电脑的算法能力已经远远超过目前的连接技术,所以载体的变革只是时间问题,意识到这点的马斯克之前就推出新的线束专利技术,该技术更像一种见于线束和FPC之间的产物,目的还是最大化程度的去掉整车复杂的线束,构建更高的电子化系统。  

tesla线束专利技术  

对于动力电池而言,一般是由Pack -module- cell 构成,动力电池一般是通过BMS来实现控制,多个电芯构成了模组,而模组就需要对电芯的电压和温度等实现监控,传统都是通过模组采样线束组件来实现,随着技术的发展,为满足新型电动汽车大规模生产对高效化、自动化的要求,采用集成总线,减少人工装配和布线错误,满足汽车生产高度自动化的要求,实现电压采集、电池保护和电池之间的电力传输,目前各家都采用了FPC+Connector 的形式替代了传统采样线束组件,而且FPC还可以监控充电过程。  

国内目前各家电池厂都有自己的技术方案,活跃的供应商也比较多, 比较知名的比如壹连科技、安捷利、景旺、安费诺、莫仕、恒美、硅翔等。  

虽然没有仔细算过传统模组线束组件和FPC组件相比成本差异几何,但是从AVL内部分析和安费诺的资料来看,成本还是会下降很多的,但FPC的制造技术如之前的文章所说,还是需要重资产的,并不是一个随便招几个人投点钱就能短期获利的产业。  

其实从模组上盖的角度来看,拥有NTC、FPC技术的厂家会具备一点优势,如果能对busbar的焊接技术有心得那就更好了,有这3块技术的厂家,如果综合成本和稳定性能做的好点,那在国内目前这个状态下,基本上不愁生意。  

connector相对来说独立性比较强,能做的厂家一大把,同样结构件也是,能做的公司一堆;NTC可以买现成的、BUSBAR加工厂都能做、FPC和焊接是2个需要成本和经验的地方,重点是需要关注谁家在这2个方面有优势。  

智能汽车时代,FPC在电池上的大量自动化应用只是时间问题,从长远看,车辆很多的低压线束单元都有可能逐步会随着技术的升级被替代,尤其车辆越来越智能对信号抗干扰要求越来越严格的时代。  

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