柔性电路板(FPC)是以柔性覆铜板为基础材料制造的一种电子设备连接器件,具有高密度配线、优良的弯折性、轻量化和工艺灵活性等优点。FPC可分为单层、双层、多层和软硬结合版四种类型。
在汽车领域,无论是传统燃油车辆还是智能汽车,FPC在汽车电子系统中都有着广泛的应用。汽车电子系统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。考虑到结构和空间因素,未来的新能源汽车将大量采用FPC替代传统的线束系统,其应用范围涵盖了电池BMS、车辆照明、门控系统、摄像头模组等多个部分。
在一辆电动汽车中,可能会使用多达100多条FPC。其中,电池BMS和车辆摄像头模块中的FPC应用价值最高,也是当前发展的重点领域。
特别是在电池BMS中,由于电池的成本和空间利用是关键问题,目前电池容量的技术发展已接近极限,因此需要从结构设计上寻求效率提升。采用FPC替代传统的BMS布线方式,不仅可以确保性能稳定性,还能减少因呼吸导致的上盖摩擦风险。
长远来看,主板和从板的电路甚至可能被芯片取代,而这些芯片可以安装在FPC上,从而提高产品的稳定性、节省空间并降低成本(尽管目前成本优势尚未显现)。技术迭代的过程往往涉及到更基础层面的改进。
在新能源汽车中,FPC在电池BMS系统中的采集线应用至关重要,用于监控动力电池电芯的电压和温度,实现数据采集和传输,并具备过流保护功能,保护电芯免受异常短路的影响。
以往,新能源汽车动力电池采集线通常采用传统铜线线束方案,但当需要处理大量的电流信号时,这种方案会占用大量空间。相比之下,FPC因其高度集成、超薄厚度、超柔软度等特点,在安全性、轻量化、布局规整等方面具有显著优势。
FPC的薄厚度使得电池包结构可以定制,装配时可通过机械手臂抓取直接放置在电池包上,自动化程度高,适合大规模生产,因此FPC替代铜线线束的趋势明显。
在动力电池模组中,FPC具有以下优势:
高度集成:集成Fuse、连接器、片式NTC和铝/镍端子,提供优良且一致的电性能,适应小型化、高密度安装的需求,实现三度空间布线和外形的灵活改变,满足元器件装配和导线连接一体化的要求。
自动化组装:组装速度快、精准,有利于实现自动化。使用FPC采样可以降低Module集成工艺复杂度,FPC与电池busbar的连接可实现自动化焊接,有效减少人工成本。即使在无法实现自动化焊接的情况下,采用传统螺丝锁紧的方式,仍然可以减少人工投入。
超薄厚度:线路区厚度仅为0.34mm,NTC处为2mm。
超柔软度:线路区可实现90°、180°弯折组装。
轻量化:在整车使用时,相比线束方案可减重约1kg。
成本优势:虽然FPC本身的成本不高,但其连接成本相较于传统方案有大幅度降低。
由于FPC的高度集成、超薄厚度、超柔软度等优点,在安全性、轻量化、布局规整等方面优于铜线线束。此外,FPC的薄厚度和定制化能力使其能够通过机械手臂进行自动化装配,适合大规模生产。
因此,FPC替代铜线线束的趋势明确。当前,FPC方案已经成为大部分新款新能源汽车的首选。FPC正向CCS(Cells Contact System)集成发展,通过与塑胶结构件、铜铝排等组件结合,构成电气连接与信号检测的结构部件。
软包和硬包电池在FPC方案上有所不同,各厂家的做法也有所差异,包括末端连接器的不同连接形式,如压接、焊接等,都有各自的实施方案。FPC的最大优势在于其灵活性,能够随着电池控制技术的迭代升级而演变出多种形态,是一种定制化的产品。
FPC技术自1950年首次推出以来,虽然并非新技术,但在汽车领域的应用正如其他传统技术跨界到汽车领域一样逐渐普及。传统汽车的线束系统复杂且混乱,多接口带来了高昂的成本和电子系统的复杂性。在智能汽车时代,车辆电脑的算法能力已经远超过当前的连接技术,因此载体的变革只是时间问题。马斯克此前推出的新型线束专利技术便是对此认识的体现,该技术更加先进。
目前,FPC在电动汽车中最主要的应用还是在电池板块,因为电池技术是当前制约整车性能的关键因素之一。提高电池技术、减小尺寸和降低成本至关重要。无论是CTP还是CTC技术,都是通过简化内部结构元件和提高电池组体积利用率来间接提升系统能量密度。如果固态电池能够在2025年实现量产,电池技术将迎来飞速发展。
动力电池通常由Pack、Module和Cell组成,并通过BMS进行控制。多个电芯构成模组,需要对电芯的电压和温度等参数进行监控。传统上,这一功能通过模组采样线束组件实现。然而,随着技术的发展,为了满足新型电动汽车大规模生产对高效化、自动化的要求,业界开始采用集成总线,减少人工装配和布线错误,以满足汽车生产高度自动化的需求,实现电压采集、电池保护和电池之间的电力传输。因此,目前各大厂商普遍采用FPC+Connector的形式替代传统的采样线束组件。此外,FPC还可以监控充电过程。
在国内市场,多家电池厂拥有自己的技术方案,活跃的供应商众多,如安捷利、景旺、安费诺、莫仕、恒美、硅翔等。
尽管没有精确计算过传统模组线束组件与FPC组件的成本差异,但根据AVL内部分析和安费诺的资料,采用FPC技术有望大幅降低成本。然而,FPC的制造技术需要重资产投入,并非短时间内通过少量投资和人力就能实现盈利的产业。
从模组上盖的角度来看,拥有NTC和FPC技术的厂家具有一定优势,若能在busbar焊接技术上有所突破,则更具竞争力。具备这三项技术并能综合成本和稳定性做出优秀产品的厂家,在当前国内市场环境下,业务前景广阔。
Connector和结构件的生产相对独立,市场上有很多能够生产的厂家。NTC可以购买现成产品,BUSBAR加工也有很多厂家能够完成。然而,FPC和焊接是两个需要较高成本和经验的技术环节,应重点关注在这些方面具有优势的厂家。
在智能汽车时代,FPC在电池上的大量自动化应用是未来发展的趋势。从长远来看,随着技术升级,车辆中许多低压线束单元有可能被逐步替代,特别是在对信号抗干扰要求越来越高的智能化车辆中。这也与上述逻辑相一致。
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