動力電池模組專利技術，柔性電路板做電壓採樣

今天在網上看到一個模組設計專利方案，上面介紹了一種利用柔性線路板的好方式——柔性線路板採集單體電壓，後續還有實用新型介紹了改進方法。本文就介紹一下這個方案，並整理了部分概念放在最後。之前已經看到有一些信息說，一些廠家已經將柔性電路板在模組這個方向上的應用，而這個專利顯示的申請日期是2015年5月25日，狀態為 「實審中」。看來這個技術還是挺被看好的。下面介紹一下。

專利介紹

動力電池模組，作為新能源汽車的動力來源，其安全可靠性至關重要。動力低啊吃模組在工作中，需要布置低壓線束，實時監控電池電壓和溫度，及時反饋電芯狀況給控制器，確保系統能夠安全可靠的工作。

一般電池模組的抵押信號是由低壓線束與電信連接條相連，實現電壓檢測的（如下圖所示）。由於電池模組內部空間限制，必須將線束彙集到同一個走線槽里一起走線到模組外部介面處。而線束自身的絕緣和耐溫性能有限，只是針對正常工作狀態保留一定餘量。當模組發生故障，熱失控導致高溫電解液噴射甚至起火時，線束的絕緣層無法避免的遭到破壞，導線之間發生短路的事情就接連發生，這也是電池故障熱失控傳播的一個重要方式。一隻電池的故障引發整個模組熱失控。

該專利針對這個場景，用柔性電路板（FPC）替代電壓採樣線束，利用柔性線路板較高的耐受溫度（基材一般為聚醯亞胺，一般耐受溫度可以達到260攝氏度），和發生短路的可能性非常小的客觀結構設計（印製線路被封閉在基材內平行分布，遇到事故熔斷的可能性大於短路），提高了動力電池模組的可靠性。FPC，銅箔作為導線線路被印製在兩層絕緣基材之間，形狀可以根據需要設計成想要的樣子，感性認識一下，它大體如下圖所示的樣子，當然不是這樣的形狀。

在電池模組中，利用「柔性電路板(Flexible Printed Circuit，簡稱FPC)+鍵合工藝」對各單體電池的電壓進行採樣的方案與傳統線束採樣方案相比較具有成本低、空間利用率高、利於自動化生產等優勢。其中，「FPC+鍵合」方案對各單體電池的電壓進行採樣，通過鋁絲或鋁帶將FPC和電連接片（將一組電芯並聯在一起的導電件）通過鍵合工藝連接，從而對各單體電池的電壓進行採樣，其中鋁絲或鋁帶的兩端分別與FPC上的焊盤和電連接片進行鍵合。

該專利的典型模組如下圖所示：

電池模組的分解結構示意圖

其中，100整個模組；2連接系統；3單體電池。

電池模組中電池連接系統的分解結構示意圖

其中，5電池管理單元；6連接條；7兩個輸出電極；8線束拌。

銅箔層結構示意圖

其中5216指柔性電路板第一個連接頭與序號6的連接排連接。

實用新型，去掉了易斷的鋁帶連接，用延長了的FPC焊盤替代

當前該技術普遍存在的問題主要是：FPC與電連接片在電池模組工作時(如振動)時會產生相對位移。該相對位移的產生源自於固定FPC的隔離板與各單體電池沒有完全固定，在電池模組工作時，即使有鍵合鋁絲或鋁帶的連接，由於鋁絲或鋁帶易變形，FPC電連接片之間依然會產生相對位移，長期處於此狀態，導致鋁絲或鋁帶斷裂，從而導致採樣失效。

解決上述問題的通常手段是：在隔離板上增加固定機構，以保證隔離板與各單體電池之間的緊貼固定，從而使電連接片與FPC之間的相對位移大幅度減小。但是這種方法中，雖然隔離板與各單體電池之間緊貼固定，但是由於公差的原因，在工作過程中，二者依然會產生微小的位移，長時間的工作依然會有鋁絲或鋁帶斷裂的風險。

鑒於此問題，另外設計一種電池模組，去掉中間鋁帶部分，讓柔性線路板自身做成對應電池數量的類似觸角的銅箔焊片的延伸，讓柔性電路板直接與電池並聯用的電連接條鍵合到一起，這樣，中間的柔性觸角部分就能吸收掉本就數值不大的相對位移，避免採樣電路環節中斷線的發生，整體提高了系統可靠性。此外，本實用新型的電池模組的結構簡單，安裝方便，便於自動化生產，簡圖圖下圖所示。

實用新型的電池模組的爆炸圖

上圖中圓圈位置的放大圖

其中，1 單體電池 ，32 第二連接部，11 極柱， 4 FPC，2 隔離板， 41 主體部，21 限位槽， 42 延伸部，3 電連接片， 43 焊盤，31 第一連接部， 5 導電連接件。

圖3是柔性電路板的立體圖。

什麼是柔性線路板？

柔性電路板（Flexible Printed Circuit 簡稱FPC）是以聚醯亞胺 或聚酯薄膜 為基材製成的一種撓性印刷電路板。常見的單層柔性電路板厚度0.1mm左右，雙層0.2mm。多層工藝複雜造價很高，厚度不定。可以進行細小的造型，靈活彎折。

柔性電路板的「柔性」，主要來自於它的基材聚醯亞胺。聚醯亞胺，薄膜 呈黃色透明，相對密度 1.39～1.45，有突出的耐高溫、耐輻射、耐化學腐蝕和電絕緣性能，可在250～280℃空氣中長期使用。強度高，20℃時拉伸強度 為200MPa，200℃時大於100MPa。（不知道200Mpa有多強，可以感受一下常見235鋼材屈服強度是235Mpa。也不太恰當，屈服強度做拉伸強度的參照物，略微感受一下得了）特別適宜用作柔性印製電路板 基材和各種耐高溫電機電器絕緣材料 。

什麼是鍵合工藝？

看完了前面的專利形式介紹，不知道你是否發現一個不明覺厲的詞——「鍵合」。什麼是鍵合工藝？

鍵合技術定義：在室溫下兩個片材受范德瓦耳斯力作用相互吸引，表面基團發生化學作用而以化合鍵的形式結合在一起的技術。

鍵合技術分類如下：

其它技術不必贅述，跟我們的模組結構中應用FPC相關的是金屬鍵合技術。我們需要把金屬導線或者導電連接片與FPC上印製的銅箔層鍵合到一起。

金屬鍵合技術

金屬鍵合是指通過純金屬或合金，依靠金屬鍵將兩個金屬件面對面地鍵合在一起，金屬鍵合屬於通過中間層鍵合。

鋁帶鍵合技術，是非常成熟的技術，已經多年用於汽車電子等高可靠性領域。鋁帶鍵合屬於引線鍵合的一種，

超聲鍵合，是不加熱（通常為室溫）情況下對鋁絲進行超聲振動，破壞其表面氧化層，並與劈刀處施加的叫囂的壓力共同作用，使鋁絲和鍵合區鋁層發生塑性變形，靠原子間的固相結合實現連接。這個技術主要用於鋁材，鍵合成本低溫度低，適於廣泛應用。熱超聲鍵合，是熱壓和超聲鍵合兩者的有機結合，所加的壓力及溫度等都可以相對較低，主要用於材料金。鋁帶鍵合是在常溫下通過超聲和壓力使鋁帶和待鍵合鋁焊盤之間的金屬牢固結合的鍵合技術。

柔性電路板在其他電子電氣產品中，已經是非常成熟的技術。在電池模組中的應用，也是非常合適的場景。用柔性線路板替代部分低壓線束，甚至取代某些小電流的高壓載流件，都是值得考慮的應用。

參考文獻

1 王超，鋁帶鍵合工藝技術研究；

2 王慧，鍵合技術的研究進展及應用；

3 呂磊，引線鍵合工藝介紹及質量檢驗。

延伸閱讀：

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本文由「動力電池技術」原創，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。

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