JP2014033526A

JP2014033526A - 電圧監視装置

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Publication number: JP2014033526A
Application number: JP2012172287A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kato; 洋明加藤; Tsuneo Suzuki; 恒雄鈴木; Satoshi Yamamoto; 悟士山本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: JP5811062B2

Abstract

【課題】複数の電圧監視デバイスを搭載した基板における導体パターンについて絶縁性に優れた電圧監視装置を提供する。
【解決手段】電池監視基板３０の各領域Ａ１〜Ａ６において対応するブロックＢ１〜Ｂ６での最高電圧の導体パターン５１と最低電圧の導体パターン５０が延設され、電池監視ＩＣ２０が接続されている。電池監視基板３０において、一端に監視対象の複数ブロックでの最高電圧が、他端に監視対象の複数ブロックでの最低電圧が印加される全体電圧監視用導体パターン６０が各領域Ａ１〜Ａ６を通るように延設され、領域Ａ１に配置した電池監視ＩＣ２０を用いて監視対象の複数ブロックでの最高電圧と最低電圧の差圧が監視され、各領域Ａ１〜Ａ６毎に全体電圧監視用導体パターン６０の途中に分圧用抵抗７１〜７６が挿入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを直列接続して構成された電池の電圧を監視する電圧監視装置に関するものである。

複数の電池セルを直列接続した電池における電池セルの電圧を監視する電圧監視装置が用いられている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−２８１４４３号公報

ところで、電池セルを多数直列接続した場合（多直列電池セルにおいて）、電池全体電圧を測定する場合には次のようにする。図４に示すように、直列接続した電池セルについてブロック化し、基板２００においてブロックＢ１〜Ｂ６に対応する領域Ａ１〜Ａ６に各々、電池監視ＩＣ２０１を搭載し、最上位の電圧（図４は最大３００ボルト）を領域Ａ１（最下位のブロックＢ１）まで基板２００上を導体パターン２０２で引き、５ｋΩの抵抗２０３と６００ｋΩの抵抗２０４により分圧して電池監視ＩＣ２０１で測定する。図４の場合、高圧の導体パターン２０２を領域Ａ１（下位のブロックＢ１）に引いているため、図５に示すように、領域Ａ１（最下位ブロックＢ１）のグランド用導体パターンとは最大電位差が３００ボルトとなり、パターン間の絶縁距離を確保する必要がある。

本発明の目的は、複数の電圧監視デバイスを搭載した基板における導体パターンについて絶縁性に優れた電圧監視装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、複数の電池セルを直列接続して構成された電池の電圧を監視するための電圧監視装置であって、前記電池の直列接続した電池セルについて区画した各ブロック毎に用意された電圧監視デバイスと、前記各ブロックに対応する各領域を有し、各領域には前記電圧監視デバイスがそれぞれ実装された基板と、を備え、前記基板の各領域において対応する前記ブロックでの最高電圧の導体パターンと最低電圧の導体パターンが延設され、当該最高電圧の導体パターンおよび最低電圧の導体パターンに前記電圧監視デバイスが接続され、前記基板において一端に監視対象の複数ブロックでの最高電圧が、他端に前記監視対象の複数ブロックでの最低電圧が印加される全体電圧監視用導体パターンが前記各領域を通るように延設され、前記各ブロックのうち最も低電圧となるブロックに対応する領域に配置した前記電圧監視デバイスを用いて前記監視対象の複数ブロックでの最高電圧と最低電圧の差圧を監視し、前記基板において各領域毎に前記全体電圧監視用導体パターンの途中に分圧用抵抗が挿入されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、電池の直列接続した電池セルについて区画した各ブロック毎に電圧監視デバイスが用意されている。基板において、各ブロックに対応する各領域を有し、各領域には電圧監視デバイスがそれぞれ実装されている。基板の各領域において対応するブロックでの最高電圧の導体パターンと最低電圧の導体パターンが延設されており、この最高電圧の導体パターンおよび最低電圧の導体パターンに電圧監視デバイスが接続される。基板において一端に監視対象の複数ブロックでの最高電圧が、他端に監視対象の複数ブロックでの最低電圧が印加される全体電圧監視用導体パターンが各領域を通るように延設され、各ブロックのうち最も低電圧となるブロックに対応する領域に配置した電圧監視デバイスを用いて監視対象の複数ブロックでの最高電圧と最低電圧の差圧が監視される。ここで、基板において各領域毎に全体電圧監視用導体パターンの途中に分圧用抵抗が挿入されているので、全体電圧監視用導体パターンに対する各領域での最高電圧の導体パターンおよび最低電圧の導体パターンとの間の最大電位差を小さくすることができる。よって、複数の電圧監視デバイスを搭載した基板における導体パターンについて絶縁性に優れたものとなる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電圧監視装置において、前記領域毎に挿入する抵抗は、両端間に、対応するブロックにおける電池セルの起電力相当の電位差を生じさせるものであることを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、領域毎に挿入する抵抗は、両端間に、対応するブロックにおける電池セルの起電力相当の電位差を生じさせるものであるので、より導体パターンについて絶縁性に優れたものとなる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の電圧監視装置において、前記監視対象の複数ブロックは、全てのブロックであることを要旨とする。
請求項３に記載の発明によれば、監視対象の複数ブロックは、全てのブロックであるので、全ブロックでの全体電圧を監視することができる。

本発明によれば、複数の電圧監視デバイスを搭載した基板における導体パターンについて絶縁性に優れたものとなる。

（ａ）は実施形態の電圧監視装置の平面図、（ｂ）は電圧監視装置の正面図。電圧監視装置の電池監視ＩＣの詳細説明図。電圧監視装置の電気的構成図。（ａ）は課題を説明するための電圧監視装置の平面図、（ｂ）は電圧監視装置の正面図。課題を説明するための電圧監視装置の電気的構成図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図１において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図１に示すように、電圧監視装置１０は、電池１００の電圧を監視する。電圧監視装置１０は、電圧監視デバイスとしての電池監視ＩＣ２０を６個備えるとともに電池監視基板３０を備えている。電池１００は、多直列電池セルであり、７２個の電池セルを直列接続して構成されている。電池１００は、１つの電池セルの出力電圧は４．１７ボルトであり、電池全体の出力電圧は３００ボルトである。電池１００の直列接続した電池セルについて、６つに区画され、第１のブロックＢ１〜第６のブロックＢ６を有する（図３参照）。各ブロックＢ１〜Ｂ６は、各々、１２個の電池セルからなる。各ブロック毎に電圧監視デバイスとしての電池監視ＩＣ２０が用意されている。本実施形態では、各ブロックは、電池１００において直列接続した全ての電池セルについて区画している。

電圧監視装置１０は、電池１００の電池全体電圧を測定することができるとともに各電池セルの電圧を監視している。そのために、６個の電池監視ＩＣ２０が用いられており、一つの電池監視ＩＣ２０において、図２に示すように１２個の電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２の各々の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１１，Ｖ１２が監視される。詳しくは、各電池セル（Ｃ１〜Ｃ１２）の電圧が上限値と下限値の間に入っているか否か監視している。その範囲（上限値と下限値との間）から外れると異常信号を出力する。他にも、例えば、各電池セル（Ｃ１〜Ｃ１２）の電圧を測定してデジタル信号にして外部のコントローラに送り、コントローラにおいて上限値と下限値の間に入っているか否か監視してもよい。

図１において、電圧監視装置１０の電池監視基板３０は平面視が、長方形をなし、短辺がＸ方向に延びるとともに長辺がＹ方向に延びている。電池監視基板３０における上面が部品実装面である。電池監視基板３０は、各ブロックＢ１〜Ｂ６に対応する各領域Ａ１〜Ａ６を有している（図３参照）。つまり、電池監視基板３０の上面は６つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６に区画されている。なお、図１においては、第１の領域Ａ１、第２の領域Ａ２、第６の領域Ａ６が区画されている様子を示し、第３の領域Ａ３、第４の領域Ａ４、第５の領域Ａ５については省略している。

各領域Ａ１〜Ａ６は各々四角形をなし、図１（ａ）の平面視においてＹ方向に並ぶように位置している。詳しくは、図１（ａ）においてＹ方向での最も下側が第１の領域Ａ１であり、その上に、順に、第２の領域Ａ２、第３の領域Ａ３、第４の領域Ａ４、第５の領域Ａ５、第６の領域Ａ６となっている。

図１（ａ）において、電池監視基板３０の上面における左側の長辺部にはコネクタ４０が装着されている。コネクタ４０には複数のピン４１が設けられている。コネクタ４０のピン４１およびケーブルにより電池１００と電圧監視装置１０（電池監視基板３０）とが電気的に接続されている。

電池監視基板３０の上面において各領域Ａ１〜Ａ６にはそれぞれ電池監視ＩＣ２０が実装されている。なお、図１においては第１の領域Ａ１に電池監視ＩＣ２０が、第２の領域Ａ２に電池監視ＩＣ２０が、第６の領域Ａ６に電池監視ＩＣ２０が実装されている様子を示す。

また、電池監視基板３０の上面において各領域Ａ１〜Ａ６には、それぞれ、電位が異なる一対の導体パターン５０，５１が形成されている。例えば、図１においては第１の領域Ａ１に低電圧導体パターン５０および高電圧導体パターン５１が、第２の領域Ａ２に低電圧導体パターン５０および高電圧導体パターン５１が、第６の領域Ａ６に低電圧導体パターン５０および高電圧導体パターン５１が形成されている様子を示す。各領域Ａ１〜Ａ６には、電池監視ＩＣ２０の他にも、例えば、温度検出素子が実装されている。

各領域Ａ１〜Ａ６における低電圧導体パターン５０および高電圧導体パターン５１について言及すると（図３参照）、第１の領域Ａ１においては低電圧導体パターン５０が０ボルトであるとともに高電圧導体パターン５１が５０ボルトである。以下同様に、第２の領域Ａ２においては低電圧導体パターン５０が５０ボルトであるとともに高電圧導体パターン５１が１００ボルトである。第３の領域Ａ３においては低電圧導体パターン５０が１００ボルトであるとともに高電圧導体パターン５１が１５０ボルトである。第４の領域Ａ４においては低電圧導体パターン５０が１５０ボルトであるとともに高電圧導体パターン５１が２００ボルトである。第５の領域Ａ５においては低電圧導体パターン５０が２００ボルトであるとともに高電圧導体パターン５１が２５０ボルトである。第６の領域Ａ６においては低電圧導体パターン５０が２５０ボルトであるとともに高電圧導体パターン５１が３００ボルトである。

このように、電池監視基板３０の各領域において対応するブロックでの最高電圧の導体パターン５１と最低電圧の導体パターン５０が延設されている。そして、最高電圧の導体パターン５１および最低電圧の導体パターン５０に電池監視ＩＣ２０が接続されている。

また、図１に示すように、電池監視基板３０において一端に監視対象の複数ブロック、即ち、本実施形態では全てのブロックでの最高電圧が、他端に監視対象の複数ブロック（全てのブロック）での最低電圧が印加される全体電圧監視用導体パターン６０が各領域Ａ１〜Ａ６を通るように延設されている。即ち、全体電圧監視用導体パターン６０は、領域Ａ６と領域Ａ１とを、領域Ａ５，Ａ４，Ａ３，Ａ２を通るように延び、一端には電池の最大電圧の３００ボルトが、また、他端には０ボルトが印加される。

そして、各ブロックのうち最も低電圧となるブロックＢ１に対応する領域Ａ１に配置した電池監視ＩＣ２０を用いて監視対象の複数ブロック（全てのブロック）での最高電圧と最低電圧の差圧が監視されている。つまり、領域Ａ１において全体電圧監視用導体パターン６０の途中には５ｋΩの抵抗７０が挿入され、抵抗７０の高圧側はバッファ８０を介して電池監視ＩＣ２０と接続されている。そして、電池監視ＩＣ２０において電池全体電圧を抵抗７０と後述する抵抗７１〜７６により分圧して監視している。監視について詳しくは、電池全体電圧が上限値と下限値の間に入っているか否か監視している。その範囲（上限値と下限値との間）から外れると異常信号を出力する。他にも、例えば、電池全体電圧を測定してデジタル信号にして外部のコントローラに送り、コントローラにおいて上限値と下限値の間に入っているか否か監視してもよい。

また、電池全体電圧を測定するためには最下位のグランド電位を基準にするために最も電圧レベルが低いブロックＢ１（領域Ａ１）の電池監視ＩＣ２０で測定している。
電池監視基板３０において各領域Ａ１〜Ａ６毎に全体電圧監視用導体パターン６０の途中に分圧用抵抗７１，７２，７３，７４，７５，７６が挿入されている。領域毎に挿入する分圧用抵抗（７１，７２，７３，７４，７５，７６）は、両端間に、対応するブロックにおける電池セルの起電力相当の電位差を生じさせるものである。具体的には約５０ボルトの電位差が生じるように、各抵抗７１〜７６の抵抗値はそれぞれ１００ｋΩである。

これにより、全体電圧監視用導体パターン６０における電位は、図３に示すごとく、領域Ａ１では０〜５２ボルト、領域Ａ２では５２〜１０２ボルト、領域Ａ３では１０２〜１５１ボルト、領域Ａ４では１５１〜２０１ボルト、領域Ａ５では２０１〜２５０ボルト、領域Ａ６では２５０〜３００ボルトとなる。

次に、このように構成した電圧監視装置の作用を説明する。
電池監視基板３０の各領域Ａ１〜Ａ６に設けた電池監視ＩＣ（２０）により、図２に示すように、各電池セル（Ｃ１〜Ｃ１２）の電圧が監視される。例えば、電池セルの電圧が上限値と下限値の間に入っているか否か監視され、その範囲（上限値と下限値との間）から外れると異常信号が出力される。

また、電池全体電圧が最も電圧レベルが低いブロックＢ１（領域Ａ１）での電池監視ＩＣ２０により監視される。例えば、電池全体電圧が上限値と下限値の間に入っているか否か監視され、その範囲（上限値と下限値との間）から外れると異常信号が出力される。

また、電池監視基板３０において各領域Ａ１〜Ａ６毎に全体電圧監視用導体パターン６０の途中に分圧用抵抗７１〜７６が挿入されている。よって、複数の電池監視ＩＣ２０を搭載した電池監視基板３０における導体パターンについて絶縁性に優れたものとなる。

つまり、多直列電池セルの電池全体電圧を測定する回路において、各領域Ａ１〜Ａ６毎に分圧抵抗（７１〜７６）を配置することで、図３に示すように、各領域Ａ１〜Ａ６における全体電圧監視用導体パターン６０と他の導体パターン５０，５１との間の導体パターン間の最大電位差を小さくすることができる。詳しくは、領域Ａ６においては、低電圧側の導体パターン５０が２５０ボルト、高電圧側の導体パターン５１が３００ボルトであり、最大電位差が５０ボルトである。領域Ａ５においては、低電圧側の導体パターン５０が２００ボルト、高電圧側の導体パターン５１が２５０ボルトであり、最大電位差が５０ボルトである。領域Ａ４においては、低電圧側の導体パターン５０が１５０ボルト、高電圧側の導体パターン５１が２００ボルトであり、最大電位差が５１ボルトである。領域Ａ３においては、低電圧側の導体パターン５０が１００ボルト、高電圧側の導体パターン５１が１５０ボルトであり、最大電位差が５１ボルトである。領域Ａ２においては、低電圧側の導体パターン５０が５０ボルト、高電圧側の導体パターン５１が１００ボルトであり、最大電位差が５２ボルトである。領域Ａ１においては、低電圧側の導体パターン５０が０ボルト、高電圧側の導体パターン５１が５０ボルトであり、最大電位差が５２ボルトである。

このように図４，５に比べ図１，３の本実施形態においては全体電圧監視用導体パターン６０に対する各領域Ａ１〜Ａ６での高低の導体パターン間の最大電位差を小さくすることができることにより、導体パターン間の距離を短くすることができる。つまり、最小パターン間距離（絶縁距離）を狭めることができる。即ち、電位差に応じた絶縁距離が必要となるので（高圧の場合、広くなるので）、電位差を下げることで狭めることができ、小型化が可能となる。また、従来と同様のパターン間距離において絶縁性を向上させることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電池監視基板３０の各領域Ａ１〜Ａ６において対応するブロックＢ１〜Ｂ６での最高電圧の導体パターン５１と最低電圧の導体パターン５０が延設され、最高電圧の導体パターン５１および最低電圧の導体パターン５０に電圧監視デバイスとしての電池監視ＩＣ２０が接続されている。電池監視基板３０において一端に監視対象の複数ブロックでの最高電圧が、他端に監視対象の複数ブロックでの最低電圧が印加される全体電圧監視用導体パターン６０が各領域Ａ１〜Ａ６を通るように延設されている。各ブロックのうち最も低電圧となるブロックＢ１に対応する領域Ａ１に配置した電池監視ＩＣ２０を用いて監視対象の複数ブロックでの最高電圧と最低電圧の差圧を監視する。ここで、電池監視基板３０において各領域Ａ１〜Ａ６毎に全体電圧監視用導体パターン６０の途中に分圧用抵抗７１〜７６を挿入した。これにより、全体電圧監視用導体パターン６０に対する各領域Ａ１〜Ａ６での最高電圧の導体パターン５１および最低電圧の導体パターン５０との間の最大電位差を小さくすることができる。よって、複数の電池監視ＩＣ２０を搭載した電池監視基板３０における導体パターンについて絶縁性に優れたものとなる。

（２）領域Ａ１〜Ａ６毎に挿入する抵抗７１〜７６は、両端間に、対応するブロックにおける電池セルの起電力相当の電位差を生じさせるものであるので、より導体パターンについて絶縁性に優れたものとなる。

（３）監視対象の複数ブロックは、全てのブロックであるので、全ブロックでの全体電圧を監視することができる。つまり、電池全体電圧を監視することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

・上述した実施形態では、各ブロックの電池セル数が「１２」の場合について説明したが、各ブロックのセル数は任意である。
・上述した実施形態では、区画するブロック数は「６」であったが、適宜のブロック数に区画すればよい。

・上述した実施形態では、監視対象の複数ブロックは全てのブロックであり、電池全体電圧を測定した。これに代わり、特定の監視対象の複数ブロックの電圧を測定する場合に適用してもよい。例えば、ブロックＢ６（領域Ａ６）を除いた他のブロックＢ１〜Ｂ５（領域Ａ１〜Ａ５）の電圧を測定する場合に適用してもよい。

・電池監視基板３０は、平面視が長方形に限定されない。また、長方形の短辺と長辺の向きも限定されない。

１０…電圧監視装置、２０…電池監視ＩＣ、３０…電池監視基板、５０…低電圧導体パターン、５１…高電圧導体パターン、６０…全体電圧監視用導体パターン、７１…分圧用抵抗、７２…分圧用抵抗、７３…分圧用抵抗、７４…分圧用抵抗、７５…分圧用抵抗、７６…分圧用抵抗、１００…電池、Ａ１…領域、Ａ２…領域、Ａ３…領域、Ａ４…領域、Ａ５…領域、Ａ６…領域、Ｂ１…ブロック、Ｂ２…ブロック、Ｂ２…ブロック、Ｂ３…ブロック、Ｂ４…ブロック、Ｂ５…ブロック、Ｂ６…ブロック。

Claims

複数の電池セルを直列接続して構成された電池の電圧を監視するための電圧監視装置であって、
前記電池の直列接続した電池セルについて区画した各ブロック毎に用意された電圧監視デバイスと、
前記各ブロックに対応する各領域を有し、各領域には前記電圧監視デバイスがそれぞれ実装された基板と、
を備え、
前記基板の各領域において対応する前記ブロックでの最高電圧の導体パターンと最低電圧の導体パターンが延設され、当該最高電圧の導体パターンおよび最低電圧の導体パターンに前記電圧監視デバイスが接続され、
前記基板において一端に監視対象の複数ブロックでの最高電圧が、他端に前記監視対象の複数ブロックでの最低電圧が印加される全体電圧監視用導体パターンが前記各領域を通るように延設され、前記各ブロックのうち最も低電圧となるブロックに対応する領域に配置した前記電圧監視デバイスを用いて前記監視対象の複数ブロックでの最高電圧と最低電圧の差圧を監視し、
前記基板において各領域毎に前記全体電圧監視用導体パターンの途中に分圧用抵抗が挿入されていることを特徴とする電圧監視装置。
前記領域毎に挿入する抵抗は、両端間に、対応するブロックにおける電池セルの起電力相当の電位差を生じさせるものであることを特徴とする請求項１に記載の電圧監視装置。
前記監視対象の複数ブロックは、全てのブロックであることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧監視装置。