FPC en vehículos eléctricos: aplicaciones, beneficios, integración con BMS y tendencias futuras (Power Lithium Batteries)

En la industria automotriz, los FPC se utilizan ampliamente tanto en vehículos de gasolina como en vehículos inteligentes, principalmente en el sector de la electrónica automotriz. La electrónica automotriz engloba el término general para las unidades de control electrónico para automóviles y los sistemas relacionados.

Aplicaciones de FPC en la electrónica automotriz

Sistema de arnés de cableado automotriz complejo y engorroso

Estos incluyen principalmente sistemas de control del motor, sistemas de gestión de baterías (BMS), sistemas de control del chasis y sistemas de control electrónico para automóviles.

Teniendo en cuenta factores como la estructura y el espacio, los futuros vehículos de nueva energía adoptarán sin duda los FPC a gran escala para sustituir los mazos de cables, con aplicaciones en múltiples partes del vehículo.

FPC en EV

Por lo tanto, la tecnología FPC representa una tendencia muy importante en la electrónica automotriz, particularmente en vehículos inteligentes, especialmente en sistemas de gestión de baterías (BMS), sistemas de iluminación de vehículos, sistemas de control de puertas y módulos de cámara.

FPC de auto

Normalmente, un vehículo eléctrico incorpora más de 100 FPC. Entre ellos, los FPC utilizados en los módulos BMS de la batería y en los módulos de la cámara del vehículo ofrecen el mayor valor de aplicación y representan áreas clave de desarrollo.

FPC de BMS

• Ventajas de FPC en los sistemas de gestión de baterías (BMS)

En lo que respecta a la aplicación de FPC en BMS dentro de los paquetes de baterías, el costo y el espacio son dos consideraciones críticas para las baterías.

Con la tecnología actual, la capacidad de las baterías prácticamente ha alcanzado su límite.

La industria se centra en la eficiencia estructural y en maximizar la utilización del espacio, pero el tamaño de los paquetes de baterías es en gran medida fijo.

En consecuencia, existen límites inherentes a la cantidad de celdas que se pueden alojar dentro de un paquete.

Sustituir el cableado tradicional del sistema de gestión de baterías (BMS) por cables flexibles (FPC) garantiza un rendimiento estable y reduce el riesgo de fricción entre la tapa superior y la batería debido a la expansión y contracción. Esta práctica se ha convertido en la norma en el sector.

A largo plazo, incluso los circuitos de las placas principal y auxiliar podrían sustituirse por chips que se pueden montar en circuitos impresos flexibles (FPC).

Esto maximizaría la estabilidad del producto, ahorraría espacio y reduciría los costos (aunque actualmente no existe una ventaja de costos significativa).

Por lo tanto, con cada iteración tecnológica, la atención se desplaza cada vez más hacia el nivel fundamental.

BMS FPCB

Aplicaciones de FPC en vehículos de nueva energía

Los cables de adquisición de datos son componentes críticos de los sistemas BMS de vehículos de nueva energía, ya que permiten la monitorización del voltaje y la temperatura en las celdas de las baterías de nueva energía; facilitan la recopilación y transmisión de datos al tiempo que incorporan protección contra sobrecorriente; y protegen las celdas de la batería del vehículo mediante funciones como la desconexión automática en caso de cortocircuitos anormales.

Anteriormente, los cables de adquisición de datos para las baterías de los vehículos de nueva energía utilizaban soluciones tradicionales de cableado de cobre.

Los arneses convencionales constan de cables de cobre recubiertos de plástico; al conectarse al paquete de baterías, cada cable se conecta a un solo electrodo.

Cuando el paquete de baterías genera una gran cantidad de señales de corriente, se requieren numerosos arneses, lo que resulta en un consumo de espacio significativo.

Durante el proceso de ensamblaje del paquete de baterías, los arneses tradicionales dependen del trabajo manual para fijar los terminales al paquete de baterías, lo que da como resultado bajos niveles de automatización.

En comparación con los mazos de cables de cobre, los FPC ofrecen claras ventajas en cuanto a seguridad, reducción de peso y disposición ordenada gracias a su alta integración, perfil ultrafino y excepcional flexibilidad.

Además, debido a que los FPC son delgados y permiten estructuras de paquetes de baterías personalizadas, se pueden colocar directamente sobre el paquete de baterías mediante brazos robóticos durante el ensamblaje, lo que permite altos niveles de automatización y los hace adecuados para la producción a gran escala y en grandes volúmenes.

La tendencia a sustituir los mazos de cables de cobre por cables FPC es evidente.

• Los FPC ofrecen las siguientes ventajas en los módulos de baterías de potencia:

1. Alta integración:

Gracias a sus fusibles integrados, conectores, termistores NTC de chip y terminales de aluminio/níquel, los FPC no solo proporcionan un rendimiento eléctrico excelente y constante, sino que también cumplen con los requisitos de diseño para instalaciones más pequeñas y de mayor densidad.

Permiten el enrutamiento tridimensional y pueden adaptar su forma a las limitaciones espaciales, lo que las hace idóneas para la tendencia hacia la alta densidad, la miniaturización y la alta fiabilidad. Esto logra la integración del ensamblaje de componentes y la conexión de cables.

2. Permite el ensamblaje automatizado:

El montaje rápido y preciso facilita la automatización, ya que elimina muchos errores causados ​​por el trabajo manual en los diseños tradicionales de mazos de cables y reduce significativamente el riesgo de una inserción incorrecta de los conectores.

El uso de FPC (circuito impreso flexible) reduce la complejidad de los procesos de integración de módulos.

La conexión entre el FPC y la barra colectora de la batería se puede realizar mediante soldadura automatizada, lo que reduce eficazmente los costes laborales.

Aunque los clientes no puedan implementar la soldadura automatizada y opten por los métodos tradicionales de fijación con tornillos, los costes laborales aún pueden reducirse significativamente.

3. Perfil ultrafino:

0.34 mm en la zona del circuito y 2 mm en el NTC.

4. Flexibilidad excepcional:

La zona del circuito admite flexiones de 90° y 180° durante el montaje.

5. Ligero:

Cuando se utiliza en un vehículo, puede reducir el peso en aproximadamente 1 kg en comparación con una solución de cableado tradicional.

6. Ventaja de costos:

Desde el punto de vista de los costes, el FPC en sí no es caro y reduce significativamente los costes de conexión.

En comparación con los arneses de cables de cobre, FPC Ofrecen ventajas significativas en términos de seguridad, reducción de peso y diseño ordenado gracias a su alta integración, perfil ultrafino y excepcional flexibilidad.

Además, dado que los FPC son delgados y los paquetes de baterías están diseñados a medida, se pueden colocar directamente sobre el paquete de baterías mediante brazos robóticos durante el ensamblaje, lo que permite un alto grado de automatización y los hace adecuados para la producción a gran escala y en grandes volúmenes.

La tendencia a que los cables flexibles (FPC) reemplacen los mazos de cables de cobre es evidente.

Actualmente, las soluciones FPC se han convertido en la opción principal para la gran mayoría de los nuevos modelos de vehículos eléctricos. Los FPC se integran en el CCS (Sistema de Contacto de Celdas), que combina barras colectoras y componentes del arnés de cableado.

Los productos de CCS se componen de FPC, componentes estructurales de plástico y barras colectoras de cobre-aluminio.

Las barras conductoras de cobre-aluminio conectan varias celdas de batería en configuraciones en serie y en paralelo mediante soldadura láser, mientras que los FPC forman estructuras de conexión eléctrica y detección de señales al conectarse a las barras conductoras y a los componentes de plástico.

CSS

• Materiales de composición

1. Película aislante

La película aislante forma la capa base del circuito, y un adhesivo une la lámina de cobre a la capa aislante.

En los diseños multicapa, se adhiere además a las capas internas.

Estas películas también sirven como cubierta protectora para aislar el circuito del polvo y la humedad, y ayudan a reducir la tensión durante la flexión.

La lámina de cobre forma la capa conductora.

Existen muchos tipos de materiales para películas aislantes, pero los más utilizados son la poliimida y el poliéster.

Actualmente, casi el 80 % de los fabricantes de circuitos flexibles en Estados Unidos utilizan materiales de película de poliimida, mientras que aproximadamente el 20 % utiliza materiales de película de poliéster. Los materiales de poliimida son ininflamables, dimensionalmente estables, poseen una alta resistencia a la tracción y pueden soportar temperaturas de soldadura.

El poliéster, también conocido como tereftalato de polietileno (PET), tiene propiedades físicas similares a las de la poliimida, con una constante dieléctrica más baja y una absorción mínima de humedad, pero no es resistente al calor.

El poliéster tiene un punto de fusión de 250 °C y una temperatura de transición vítrea (Tg) de 80 °C, lo que limita su uso en aplicaciones que requieren soldadura de bordes extensa. En aplicaciones de baja temperatura, se vuelve rígido.

No obstante, son adecuados para su uso en productos como teléfonos y otros artículos que no necesitan estar expuestos a entornos hostiles.

Las películas aislantes de poliimida se combinan normalmente con adhesivos de poliimida o acrílicos, mientras que los materiales aislantes de poliéster se combinan generalmente con adhesivos de poliéster.

La ventaja de combinarlos con materiales que comparten propiedades similares es que mantienen la estabilidad dimensional después de la soldadura en seco o después de múltiples ciclos de laminación.

Otras propiedades importantes de los adhesivos incluyen una constante dieléctrica baja, una alta resistencia de aislamiento, una alta temperatura de transición vítrea y una baja absorción de humedad.

2. Conductores

Algunos circuitos flexibles incorporan componentes rígidos fabricados en aluminio o acero inoxidable.

Estos elementos proporcionan estabilidad dimensional, soporte físico para la colocación de componentes y conductores, y alivio de tensiones.

El adhesivo une los componentes rígidos al circuito flexible.

Otro material que a veces se utiliza en circuitos flexibles es el laminado adhesivo, que se forma recubriendo ambas caras de una película aislante con adhesivo.

El laminado adhesivo proporciona protección ambiental y aislamiento eléctrico, elimina la necesidad de una capa de película separada y permite la creación de estructuras multicapa con menos capas adhesivas.

La lámina de cobre es adecuada para su uso en circuitos flexibles y puede producirse mediante electrodeposición (ED) o galvanoplastia.

La lámina de cobre electrodepositada tiene una superficie brillante en un lado, mientras que la superficie procesada en el otro lado es opaca y mate.

Es un material flexible que se puede fabricar en una amplia gama de espesores y anchos.

La cara mate de la lámina de cobre electroforético suele recibir un tratamiento especial para mejorar sus propiedades adhesivas.

Además de su flexibilidad, la lámina de cobre laminada se caracteriza por su dureza y suavidad, lo que la hace adecuada para aplicaciones que requieren flexión dinámica.

3. Adhesivos

Además de unir películas aislantes a materiales conductores, los adhesivos también pueden servir como capas de recubrimiento, revestimientos protectores y recubrimientos de encapsulado.

La principal diferencia entre ambos radica en sus métodos de aplicación: los adhesivos de capa de recubrimiento unen películas aislantes para formar estructuras de circuitos laminados.

La técnica de serigrafía se utiliza para el recubrimiento adhesivo. No todas las estructuras laminadas incluyen adhesivo; los laminados sin adhesivo dan como resultado circuitos más delgados y mayor flexibilidad.

En comparación con las estructuras laminadas basadas en adhesivos, ofrecen una conductividad térmica superior.

Gracias al perfil delgado de los circuitos flexibles sin adhesivos y a la conductividad térmica mejorada que resulta de la eliminación de la resistencia térmica causada por los adhesivos, pueden utilizarse en entornos operativos donde no se pueden utilizar circuitos flexibles basados ​​en estructuras laminadas con adhesivos.

Estructura basica

• Película de cobre

Lámina de cobre: ​​Generalmente se divide en cobre electrolítico y cobre laminado. Los espesores comunes incluyen 1 oz, 1/2 oz y 1/3 oz.

Película de sustrato: Los espesores comunes incluyen 1 mil y 1/2 mil.

Adhesivo: El grosor lo determina el cliente.

• Película de portada

Película de recubrimiento: Se utiliza para el aislamiento de superficies. Los espesores comunes son de 1 mil y 1/2 mil.

Adhesivo: El grosor lo determina el cliente.

Papel protector: Evita que se adhieran materiales extraños al adhesivo antes de la laminación; facilita el procesamiento.

• Película de refuerzo (Película de refuerzo PI)

Película de refuerzo: Refuerza la resistencia mecánica del FPC y facilita las operaciones de montaje en superficie. Los espesores comunes varían de 3 a 9 milésimas de pulgada.

Adhesivo: El grosor lo determina el cliente.

Papel protector: Evita que el adhesivo se adhiera a objetos extraños antes de la laminación.

EMI: Película de blindaje electromagnético que protege los circuitos internos de la placa de circuito impreso de interferencias externas (en áreas con campos electromagnéticos intensos o propensas a interferencias).

Proceso de producción de FPC

• Soluciones FPC

En general, las baterías con encapsulado flexible y las de encapsulado rígido emplean diferentes soluciones de FPC, y los métodos de implementación varían según el fabricante.

Esto incluye diferentes soluciones para conectores de terminales según los métodos de conexión (engaste, soldadura, etc.).

La mayor ventaja de FPC reside en su flexibilidad; a medida que evoluciona la tecnología de control de baterías, adoptará muchas formas y, por naturaleza, es un producto personalizado.

Aplicación FPC

Aplicación de FPC en la industria automotriz

La tecnología FPC se introdujo por primera vez en 1950, por lo que no es una tecnología nueva desde un punto de vista técnico.

La adopción de la tecnología FPC en los automóviles será tan fluida como la integración de otras tecnologías tradicionales en el sector automotriz.

Nunca son los competidores dentro de la misma industria los que provocan la desaparición de las tecnologías tradicionales.

Los sistemas de cableado en los vehículos tradicionales son complejos y desordenados, y la multitud de interfaces impone cargas complejas y costosas a los sistemas electrónicos del vehículo.

En la era de los coches inteligentes, las capacidades de procesamiento de los ordenadores de los vehículos han superado con creces las tecnologías de conexión actuales, por lo que la transformación de la infraestructura subyacente es solo cuestión de tiempo.

Consciente de ello, Musk presentó previamente una nueva tecnología patentada de arnés de cableado.

Esta tecnología se asemeja a un híbrido entre los mazos de cables tradicionales y los FPC, para maximizar la eliminación del cableado complejo en todo el vehículo y construir sistemas electrónicos más avanzados.

Tecnología patentada de Tesla para el cableado

Desarrollo de circuitos flexibles largos y arneses inteligentes

Trackwise desarrolló inicialmente la capacidad de fabricar circuitos flexibles de longitud ilimitada debido a un requisito de Rolls Royce.

En una entrevista con Power Electronics News, Philip Johnston, director ejecutivo de Trackwise, afirmó que el uso de circuitos impresos largos y flexibles en aeronaves podría ayudar a solucionar los problemas de peso y espacio asociados con los arneses de cableado tradicionales.

El cable flexible largo Trackwise se utiliza en circuitos de monitoreo de temperatura y voltaje para baterías de vehículos eléctricos. En lugar de un arnés de cables convencional, el cable flexible ofrece una solución más ligera, ocupa menos espacio y permite la distribución de componentes electrónicos de control en un arnés inteligente.

“Dado que la batería de los vehículos eléctricos es la principal fuente de energía, el control y la monitorización de las celdas y los módulos individuales son de suma importancia.

Esto no solo se debe a razones de seguridad, sino también a la necesidad de lograr una eficiencia de rendimiento óptima y el máximo alcance.

Los circuitos impresos flexibles (FPC) son ideales para su uso en los circuitos de control y monitorización de los módulos de baterías.

“Sus dimensiones compactas no solo ofrecen mejoras significativas en cuanto al espacio, sino que el ahorro de peso es considerable en comparación con los arneses voluminosos”, afirma Johnston.

Añadió: «La tecnología rollo a rollo de Trackwise ya se está utilizando para fabricar FPC (circuitos impresos flexibles) empleados en los circuitos de alta y baja tensión de los módulos y paquetes de baterías de vehículos eléctricos, lo que reduce el tiempo de ensamblaje, los costes de la lista de materiales y ahorra espacio y peso».

FPC en sistemas de baterías para vehículos eléctricos y aplicaciones BMS

Actualmente, la aplicación más común de los FPC en vehículos eléctricos se encuentra en el compartimento de la batería.

Después de todo, la tecnología de las baterías es uno de los factores más críticos que afectan a todo el vehículo en esta etapa.

Mejorar la tecnología de las baterías para reducir su tamaño y disminuir los costos es, sin duda, el objetivo más importante.

Ya se trate de CTP o CTC, como se mencionó en el artículo anterior, soluciones como los paquetes de baterías CTP simplemente eliminan algunos componentes estructurales internos, mejoran la utilización del volumen e indirectamente aumentan la densidad energética del sistema.

Si las baterías de estado sólido logran producirse en masa para 2025, un año clave, la tecnología de baterías experimentará un rápido avance.

sistema EV

Las baterías de potencia generalmente se componen de un paquete, módulos y celdas. Suelen controlarse mediante un sistema de gestión de baterías (BMS).

Varias celdas forman un módulo, y este módulo debe monitorizar el voltaje y la temperatura de las celdas.

Tradicionalmente, esto se lograba mediante conjuntos de arneses de muestreo de módulos.

Sin embargo, gracias a los avances tecnológicos y para satisfacer las demandas de eficiencia y automatización en la producción en masa de nuevos vehículos eléctricos, ahora se están adoptando autobuses integrados.

Esto reduce los errores de montaje manual y cableado, cumple con los requisitos para una producción automotriz altamente automatizada y permite la adquisición de voltaje, la protección de la batería y la transferencia de energía entre baterías.

Actualmente, la mayoría de los fabricantes han adoptado la configuración FPC+Conector para reemplazar los conjuntos de arneses de muestreo tradicionales, y los FPC también pueden monitorear el proceso de carga.

Conector FPC+

Desafíos de la cadena de suministro y la fabricación en la industria

Actualmente, cada fabricante de baterías en China tiene su propia solución técnica, y existen muchos proveedores activos, incluidos algunos muy conocidos como Anjieli, Jingwang, Amphenol, Molex, Hengmei y Guixiang.

Aunque no se ha realizado una comparación detallada de la diferencia de costes entre los conjuntos de arneses de cableado de módulos tradicionales y los conjuntos FPC, los análisis internos de AVL y los datos de Amphenol indican que los costes disminuirán significativamente.

Sin embargo, como se mencionó en artículos anteriores, la tecnología de fabricación de FPC sigue requiriendo una gran inversión de capital; no es una industria en la que uno pueda simplemente contratar a unas pocas personas, invertir algo de dinero y esperar ganancias a corto plazo.

Ejemplo

En realidad, desde la perspectiva de las cubiertas de los módulos, los fabricantes con tecnología NTC y FPC tienen una ligera ventaja. Sería aún mejor si además contaran con experiencia en la soldadura de barras colectoras.

Los fabricantes que cuenten con estas tres tecnologías, siempre que puedan ofrecer costes generales competitivos y un rendimiento fiable, no tendrán problemas para conseguir clientes en las condiciones actuales del mercado.

paquete suave

Por otro lado, los conectores son componentes relativamente independientes, y existen numerosos fabricantes capaces de producirlos; lo mismo ocurre con las piezas estructurales: hay muchas empresas que pueden fabricarlas.

Los NTC se pueden adquirir fácilmente y las plantas de procesamiento de barras colectoras pueden manejarlos. Sin embargo, los FPC y la soldadura son dos áreas que requieren tanto rentabilidad como experiencia.

La clave está en identificar qué fabricantes tienen una ventaja competitiva en estas dos áreas.

Paquete de baterías FPC

Perspectivas futuras de FPC en vehículos inteligentes

En la era de los vehículos inteligentes, la aplicación automatizada y generalizada de los FPC en los sistemas de baterías es solo cuestión de tiempo.

A largo plazo, es probable que muchos mazos de cables de bajo voltaje en los vehículos se vayan reemplazando gradualmente a medida que avance la tecnología, especialmente en una era en la que los vehículos son cada vez más inteligentes y los requisitos de resistencia a las interferencias de señal son cada vez más estrictos.