FPC在新能源汽車（鋰電池）上的應用

摘要

通過2018年調研顯示，寧德時代和比亞迪已經在 Pack 環節批量化應用FPC，而這兩家企業也是國內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、孚能等企業也紛紛開始應用FPC。目前，FPC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用

FPC(柔性電路板）介紹

柔性電路板（FPC，Flexible Printed Circuit）是以柔性覆銅板為基材制成的一種電路板，作為信號傳輸的媒介應用于電子產品的連接，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 和軟硬結合版。

表 1：FPC 分類

復雜又繁瑣的汽車線束系統

對于汽車而言，無論是燃油車輛，還是智能車輛都有大量的FPC的應用，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。主要包括發動機控制系統、底盤控制系統和汽車電子控制系統；而從結構、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用實現，所以FPC技術在汽車電子，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、門控系統、攝像頭模組等；

一般一輛電動汽車上會高達100多條的FPC應用，這個里面當屬電池BMS里的FPC和車輛攝像頭模塊的應用價值最高，也是重點發展領域。

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

就目前技術而言，電池的容量基本上到了極致，大家都是在問結構要效率，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替代傳統的BMS布線，既保證了性能的穩定，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品的穩定性、節省空間和降低成本（雖然目前而言，成本還沒有啥優勢）所以對于任何一個技術迭代而言，越往后其實越是往基礎層面走的。

FPC在新能源汽車的應用

采集線是新能源汽車BMS系統所需配備的重要部件，實現監控新能源動力電池電芯的電壓和溫度；連接數據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銅線線束方案，常規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 裝配環節，傳統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，FPC 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、布局規整等方面具備突出優勢，此外 FPC 厚度薄，電池包結構定制，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，適合規模化大批量生產，FPC 替代銅線線束趨勢明確。

FPC在動力電池模組中應有中有以下優勢

高度集成：自嵌入式Fuse、連接器、片式NTC、鋁/鎳端子；不僅提供優良而一致的電性能，能滿足更小型和更高密度安裝的設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。

可實現自動化組裝：組裝快、精準，利于實現自動化；在裝配和容錯這里，可以避免很多線束設計中由于手工出現的差錯，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集成工藝復雜度，FPC與電池busbar（匯流排）的連接可實現自動化焊接，有效減少了人工成本。即使客戶在無法成熟實現自動化焊接的情況下，采用傳統螺絲鎖緊的方式，仍然可以有效降低了人工的投入。

超薄厚度：線路區0.34mm，NTC處2mm。

超柔軟度：線路區可實現90°、180°彎折組裝。

輕量化：整車使用時，可比線束方案減重約1kg。

成本優勢：從成本來看，FPC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，FPC 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、布局規整等方面具備突出優勢，此外 FPC 厚度薄，電池包結構定制，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，適合規模化大批量生產，FPC 替代銅線線束趨勢明確。

目前 FPC 方案已經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 產品由 FPC、塑膠結構件、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，FPC 通過與銅鋁排、塑膠結構件連接從而構成電氣連接與信號檢測結構部件。

組成材料

1、絕緣薄膜

絕緣薄膜形成了電路的基礎層，粘接劑將銅箔粘接至了絕緣層上。在多層設計中，它再與內層粘接在一起。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，吸收的潮濕很小，但是不耐高溫。

聚酯的熔化點為250℃，玻璃轉化溫度（Tg）為80℃，這限制了它們在要求進行大量端部焊接的應用場合的使用。在低溫應用場合，它們呈現出剛性。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境中使用的產品上。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合，聚酯絕緣材料一般是與聚酯粘接劑相結合。與具有相同特性的材料相結合的優點，在干焊接好了以后，或者經多次層壓循環操作以后，能夠具有尺寸的穩定性。在粘接劑中其它的重要特性是較低的介電常數、較高的絕緣阻值、高的玻璃轉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件，它們能夠提供尺寸的穩定性，為元器件和導線的安置提供了物理支撐，以及應力的釋放。粘接劑將剛性構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面上涂覆有粘接劑而形成。粘接層片提供了環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表面具有光澤，而另一側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，常常經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，還具有硬質平滑的特點，它適合于應用在要求動態撓曲的場合之中。

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用方式，覆蓋層粘接覆蓋絕緣薄膜是為了形成疊層構造的電路。粘接劑的覆蓋涂覆所采用的篩網印刷技術。不是所有的疊層結構均包含粘接劑，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的疊層構造相比較，具有更佳的導熱率。由于無粘接劑柔性電路的薄型結構特點，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構的柔性電路無法使用的工作環境之中。

基本結構

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

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。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，保護線路板內線路不受外界（強電磁區或易受干擾區）干擾

FPC生產流程

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的迭代升級，會演變出很多形式，本身也是一種定制化的產品。

FPC的技術從1950年就首次推出了，技術層面并不是一個新技術，在汽車上使用FPC技術，會像其它傳統技術跨界到汽車上一樣順暢，殺死傳統的永遠不是同行業，傳統汽車的線束系統復雜又凌亂，多接口給車輛電子系統帶來復雜高昂的成本，智能汽車時代，車輛電腦的算法能力已經遠遠超過目前的連接技術，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，該技術更像一種見于線束和FPC之間的產物，目的還是最大化程度的去掉整車復雜的線束，構建更高的電子化系統。

tesla線束專利技術

Trackwise將會給勞斯拉斯提供FPC技術

就目前而言，我們看到的FPC在電動汽車上應用最多的還是在電池板塊，畢竟電池技術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，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電池組節省了一些內部結構元件，提高了電池組體積的利用率，間接提高了系統的能量密度而已，如果固態電池能夠在2025年這個元年實現量產，那電池技術會迎來一個飛速發展。

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

國內目前各家電池廠都有自己的技術方案，活躍的供應商也比較多， 比較知名的比如壹連科技、安捷利、景旺、安費諾、莫仕、恒美、硅翔等。

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

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

connector相對來說獨立性比較強，能做的廠家一大把，同樣結構件也是，能做的公司一堆；NTC可以買現成的、BUSBAR加工廠都能做、FPC和焊接是2個需要成本和經驗的地方，重點是需要關注誰家在這2個方面有優勢。

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

審核編輯：湯梓紅