JP2014062826A

JP2014062826A - バッテリ用内部抵抗測定装置

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Publication number: JP2014062826A
Application number: JP2012208451A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Iwane; 典靖岩根; Takayuki Morikawa; 孝行森川
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-10

Abstract

【課題】常時あるいは定期的に高精度の内部抵抗測定を実現することができ、加えてコストアップを低減しつつ取付け自由度を向上させることができるバッテリ用内部抵抗測定装置を提供する。
【解決手段】内部抵抗測定装置は、バッテリの正極端子に締め付け固定される接続部材１３と、該接続部材の上面に取り付けられるバスバー１４と、該バスバーの上面に取り付けられる回路基板１５とを備え、バスバー１４の長手方向略中央位置にはシャント抵抗１７が組み込まれる。また、回路基板１５には、バッテリの内部抵抗を測定するために放電回路が実装されており、この放電回路はスイッチング素子１８，１９とこれら素子に組み込まれた電流制限抵抗とで構成される。内部抵抗測定装置には、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間には、電気的に絶縁しつつ熱的に接続する絶縁性熱伝導体２０が設けらる。
【選択図】図３

Description

本発明は、バッテリが電力を供給する対象に組み付けられた状態で常時或いは定期的に状態を検知することが可能な測定装置に関し、特に、状態を検知するための指標としてバッテリ内部抵抗を測定するためにセンサ内部に放電回路を有してパルス等の所定の放電電流を能動的に流す内部抵抗測定装置に関する。

車載用バッテリ等の各種バッテリの状態を知るために、バッテリの内部抵抗を測定することは広く一般的に行われている。バッテリの内部抵抗を求めるためには、流れる電流値と電流が流れているときの電池電圧を取得する必要があるが、その方法としては下記の２つに大別される。

（１）内部に専用の放電回路を持ち、測定の度に同じ放電電流を流し、このときの応答電圧を用いて内部抵抗を求める
（２）バッテリが使用されている環境で、バッテリから負荷へ電力供給する際の実際の電流／電圧を用いて内部抵抗を求める
の２通りが存在する。

上記（１）の場合は、測定の度に電流条件が揃えられることとなるが、上記（２）の場合にはその都度電流条件は変動することとなる。

バッテリの内部抵抗を測定するための技術として、非常に多くの先行技術ならびにそれらに関する文献がある。この中で、バッテリが使用される環境で、常時あるいは定期的にバッテリの状態を検知するために、バッテリとセットで使用環境に組み込まれることを前提としたバッテリセンサを設け、上記項目（１）、すなわち「内部に専用の放電回路を持ち、測定の度に同じ放電電流を流し、このときの応答電圧を用いて内部抵抗を求める」に該当する技術が提案されている（特許文献１，２）。

上記項目（２）の方法では、バッテリの内部抵抗は電流の絶対値や切り取る時間ポイントなど電流条件によって変動するために精度の高い内部抵抗測定は困難である。その点、上記項目（１）の方法では、条件が固定されるために上記項（２）に比べて高い精度での内部抵抗測定が可能となるが、一方でこの測定精度を十分に確保するためには一定以上の電流を流すことが好ましい。

上記項目（１）の方法におけるバッテリ状態検知センサの代表的な回路構成を図６に示す。ここでは所定の放電電流としてパルス放電を行う場合を想定しているが、必要に応じて放電回路を直列に２段構成してステップ放電を行うようにしても良い。

図６において、バッテリ６０には状態検知センサ６５が接続されており、その内部にはシャント抵抗６４が設けられている。状態検知センサ６５のパルス放電回路６１は、バッテリ６０に電気的に接続されたスイッチングトランジスタ等のスイッチング素子６３と電流制限抵抗６２によって構成されている。スイッチング素子６３で電流のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、電流制限抵抗６２によって電流値を制御するとともにその電力を消費する。このときスイッチング素子６３及び電流制限抵抗６２にはパルス電流が流れるので、電流の二乗に比例した発熱をする（Ｗ＝Ｒ×Ｉ^２）。

特許第３３６７３２０号特許第３９６０９９８号

したがって、上記項目（１）の方法を用いてより高度な測定精度を実現するためには、スイッチング素子や電流制限抵抗の発熱対策を講じることが重要である。この発熱対策として、上記スイッチング素子や電気制限抵抗に対してヒートシンクを実装して冷却する方法が考えられるが、これは部品点数の増加／加工工数増加によるコストアップや、センサのサイズ拡大による取付け自由度の低下をもたらすこととなる。

また、上記項目（１）の方法を実現する内部抵抗測定装置には、周波数をスウィープして交流電流を付加する所謂インピーダンス・メータも含まれるが、このようなメータは、バッテリとセットで使用環境に組み込まれることを前提としていない。よって本メータを用いて常時あるいは定期的に内部抵抗測定を行うことは現実的に不可能であり、加えて極めて高価な計測器であるため、大幅なコストアップを招くこととなる。

本発明の目的は、常時あるいは定期的に高精度の内部抵抗測定を実現することができ、加えてコストアップを低減しつつ取付け自由度を向上させることができるバッテリ用内部抵抗測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るバッテリ用内部抵抗測定装置は、バッテリの端子に取り付けられ、前記バッテリの状態を検知するための内部抵抗測定装置であって、スイッチング素子と該スイッチング素子に接続され放電電流を消費する電流制限抵抗とで構成され、前記バッテリの内部抵抗を測定するために所定の電流または電圧波形の放電をさせる放電回路と、一端が前記端子に接続されると共に他端が接地され、かつ前記放電回路と直列接続され、その少なくとも一部にシャント抵抗を有する電流経路と、前記シャント抵抗に生じる電位差に基づいて前記バッテリに流れる電流値を測定する測定手段が設けられた回路基板と、前記スイッチング素子及び前記電流制限抵抗の少なくとも一方と電気的に絶縁しつつ熱的に接続する放熱素子とを有し、前記放熱素子が、前記電流経路の少なくとも一部を形成する部材であることを特徴とする。

また、前記放電回路が前記回路基板上に実装されると共に、前記放熱素子と前記回路基板が対向するように配置され、前記回路基板に実装された前記電流制限抵抗及び前記スイッチング素子の少なくとも一方が、絶縁性熱伝導体を介して前記放熱素子に接続されているのが好ましい。

さらに、前記絶縁性熱伝導体は、熱伝導性樹脂または熱伝導性グリースで構成されるのが好ましい。

また、前記放熱素子は、前記シャント抵抗を一部に有するバスバーであるのが好ましい。

また、内部抵抗測定装置は、前記回路基板に関して前記放熱素子とは反対側に配置され、前記回路基板に実装された前記放電回路を前記放熱素子側に付勢する付勢部材を更に備えていてもよい。

前記付勢部材は、巻きばね部材又は板ばね部材で構成されるのが好ましい。

また、前記付勢部材が発泡ウレタン製部材で構成されてもよい。

本発明によれば、一端が前記端子に接続されると共に他端が接地され、かつ前記放電回路と直列接続され、その少なくとも一部にシャント抵抗を有する電流経路が設けられる。また、スイッチング素子及び電流制限抵抗の少なくとも一方と電気的に絶縁しつつ熱的に接続する放熱素子が設けられる。そして、放熱素子が、上記電流経路の少なくとも一部を形成する部材となっている。これにより、スイッチング素子や電流制限抵抗での発熱が放熱素子に拡散し、伝熱する。したがって、スイッチング素子／電流制限抵抗を冷却することができ、バッテリの内部抵抗を精度良く測定するための十分な電流値を確保することができる。また、本構成により、ヒートシンク等の冷却装置を別途設ける必要がなく、低コストかつ省スペースを実現できる。よってコストアップを低減しつつ取付け自由度を向上することができる。さらに、本内部抵抗測定装置はバッテリに常時取り付けられるため、本装置の回路基板を車両の制御装置と接続することで、常時あるいは定期的に高精度の内部抵抗測定を実現することができる。したがって、常時あるいは定期的に高精度の内部抵抗測定を実現することができ、加えてコストアップを低減しつつ取付け自由度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るバッテリ用内部抵抗測定装置の取付け状態を示す斜視図である。図１におけるバッテリ用内部抵抗測定装置の構成を示す分解斜視図である。図２の内部抵抗測定装置の断面図である。図３の内部抵抗測定装置の変形例を示す断面図である。図４の内部抵抗測定装置の変形例を示す断面図である。従来の内部抵抗測定装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るバッテリ用内部抵抗測定装置の取付け状態を示す斜視図である。なお、本内部抵抗測定装置の回路構成は、従来の内部抵抗測定装置の回路構成と基本的に同じであるので、その説明を省略する。

図１に示すように、内部抵抗測定装置１は、正極端子２Ａおよび負極端子２Ｂが設けられたバッテリ２の上面に取り付けられる装置であり、バッテリ２とセットで車両等に搭載される。この内部抵抗測定装置１は、バッテリ２の負極端子２Ｂに後述の接続部材を介して固定され、かつ電気的に接続されている。

内部抵抗測定装置１は、図２に示すように、上部収容ケース１１および下部収容ケース１２と、これら収容ケース内に収容され、バッテリの正極端子２Ａに締め付け固定される接続部材１３と、該接続部材の上面に取り付けられるバスバー１４と、該バスバーの上面に取り付けられ、マイクロコンピュータ１６が実装される回路基板１５とを備えている。

上部収容ケース１１及び下部収容ケース１２は、回路基板１５を設置環境から保護する保護ケースを構成しており、耐熱性の樹脂や金属にて形成される。本実施形態では、上部ケースおよび下部ケースの側面にそれぞれ切欠き部が設けられており、バスバー１４および接続部材１３のそれぞれの一部が保護ケースから突出している。また、この保護ケースは、内部空間を密閉可能な構造であるのが好ましく、この場合、内部空間に収容された回路基板１５を外気から隔離することができる。

バスバー１４は、図３に示すように、接続部材１３と電気的に接続された銅製の長尺状部材であり、その長手方向略中央位置にシャント抵抗１７が組み込まれている。バスバー１４の一端は接続部材１３の固定部１３ａを介してバッテリの負極端子に電気的に接続されている。またバスバー１４の他端には、ねじ山を有する突起部１４ａが形成されており、この突起部が接地ラインに接続されている。

回路基板１５は、バッテリ２の電圧、電流、温度およびインピーダンスを測定し、充電状態（ＳＯＣ：State of charge）や劣化状態（ＳＯＨ：State of health）を判定すると共に、判定結果を車両内のコントロールユニット（ＥＣＵ）へ送信する。また、回路基板１５は、このシャント抵抗に生じる電位差に基づいてバッテリ２に流れる電流値を測定する。この回路基板１５には、可撓性かつ弾性を有する略波板状のリード線２１が複数取り付けられており、回路基板１５は、複数のリード線２１を介してバスバー１４と接続されている。複数のリード線２１は、回路基板１５の位置決めの役割を果たすと共に、回路基板１５に伝わる衝撃を緩和する役割も果たしている。

また、回路基板１５には、バッテリ２の内部抵抗を測定するために所定の電流または電圧波形の放電をさせる放電回路が実装されており、この放電回路はスイッチング素子１８，１９と該スイッチング素子に接続され放電電流を消費する電流制限抵抗とで構成されている。本実施形態では、電流抵抗素子がスイッチング素子１８，１９にそれぞれ組み込まれている。

そして内部抵抗測定装置１には、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間に介挿され、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７とを、電気的に絶縁しつつ熱的に接続する絶縁性熱伝導体２０が設けられている。

また本実施形態では、回路基板１５がシャント抵抗１７と対向するように配置されている。そして、回路基板１５に実装されたスイッチング素子１８，１９が、絶縁性熱伝導体２０を介してシャント抵抗１７に接続されている。

絶縁性熱伝導体２０は、熱伝導性樹脂または熱伝導性グリースで構成されており、熱伝導性樹脂としては、例えばゴム樹脂が、熱伝導性グリースとしては、例えばシリコンオイルベースのグリースが挙げられる。この絶縁性熱伝導体２０は、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間に層を形成できるものであればよく、液体材料を塗布することで形成してもよいし、シート状部材を貼着することで形成してもよい。これにより、簡単な構成で、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間の優れた電気的絶縁性および熱伝導性を実現できる。具体的には、絶縁性熱伝導体２０をスイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間に介挿すると、絶縁性熱伝導体２０を設けない場合と比較して、スイッチング素子１８，１９の温度上昇率が１／５〜１／１０に抑制される。

この内部抵抗測定装置１において、バッテリ２の内部抵抗を測定する際には、パルス放電回路を構成するスイッチング素子１８，１９と電流制限抵抗を動作させる。すなわち、スイッチング素子１８，１９で電流のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、電流制限抵抗によって電流値を制御するとともにその電力を消費する。このとき、スイッチング素子１８，１９及び電流制限抵抗にパルス電流が流れることで、これらスイッチング素子１８，１９および電流制限抵抗が発熱する。

本実施形態では、スイッチング素子１８，１９と電流制限抵抗とをそれぞれ絶縁性熱伝導体２０に当接させることで、スイッチング素子１８，１９と電流制限抵抗での発熱が絶縁性熱伝導体２０を介してシャント抵抗１７に伝達されて放熱され、スイッチング素子１８，１９と電流制限抵抗の温度上昇が抑制される。

上述したように、本実施形態によれば、一端が端子２Ｂに接続されると共に他端が突起部１４ａで接地され、かつ、放電回路３４と直列接続され、その一部にシャント抵抗１７を有する電流回路が形成される。また、スイッチング素子１８，１９と電気的に絶縁しつつ熱的に接続されるシャント抵抗１７が設けられる。そして、シャント抵抗１７が、上記電流経路の少なくとも一部を形成する部材、すなわち放熱素子となっている。これにより、電流制限抵抗を含むスイッチング素子１８，１９での発熱が放熱素子に拡散し、伝熱する。したがってスイッチング素子１８，１９や電流制限抵抗を冷却することができ、バッテリ２の内部抵抗を精度良く測定するための十分な電流値を確保することができる。また、本構成により、ヒートシンク等の冷却装置を別途設ける必要がなく、低コストかつ省スペースを実現できる。さらに、本内部抵抗測定装置１はバッテリに常時取り付けられるため、本装置の回路基板１５を車両のＥＣＵと接続することで、常時あるいは定期的に高精度の内部抵抗測定を実現することができる。

図４は、図３の内部抵抗測定装置１の変形例を示す断面図である。本変形例における内部抵抗測定装置は、その構成が図３の内部抵抗測定装置と基本的に同じであり、以下に異なる部分を説明する。

図４に示すように、内部抵抗測定装置は、回路基板１５に関してシャント抵抗１７とは反対側に配置され、回路基板１５に実装されたスイッチング素子１８，１９をシャント抵抗１７側に付勢する複数の付勢部材２２を更に備えている。

本変形例では、この付勢部材２２は、金属製の巻きばね部材又は板ばね部材で構成されており、その一端２２ａが上部収容ケース１１の内側上面１１ａに圧接すると共に、他端２２ｂが回路基板１５の上面１５ａに圧接している。そして付勢部材２２の弾性力（付勢力）により、回路基板１５の放電回路、すなわちスイッチング素子１８，１９が絶縁性熱伝導体２０と圧着する。したがって、スイッチング素子１８，１９と絶縁性熱伝導体２０との熱伝導性を向上することができる。また、振動や衝撃が加えられた場合であっても、付勢部材２２によって絶縁性熱伝導体２０に付勢力が加えられているため、位置ずれを起こすことがなく、より確実な熱伝導性を実現できる。

図５は、図４のバッテリ用内部抵抗測定装置の変形例を示す断面図である。

図５の変形例では、この付勢部材２２は、長尺状の発泡ウレタン製部材で構成されており、その一端２３ａが上部収容ケース１１の内側上面１１ａに圧接すると共に、他端２３ｂが回路基板１５の上面１５ａに圧接している。長尺状の発泡ウレタン製部材は弾性力を有しており、この弾性力により、回路基板１５に実装されたスイッチング素子１８，１９をシャント抵抗１７側に付勢する。本変形例でも、スイッチング素子１８，１９と絶縁性熱伝導体２０との熱伝導性を向上することができ、また、外部からの衝撃に対して位置ずれを起こすことがなく、より確実な熱伝導性を実現できる。さらに、発泡ウレタン製部材が絶縁体であるため、付勢部材２２が回路基板１５の上面１５ａに圧接しても短絡等の電気的障害を生じることがなく、付勢部材２２の取付けの自由度を向上させることができる。

上記実施形態において、絶縁性熱伝導体２０の例として、ゴム樹脂やシリコンオイルベースのグリースを挙げたが、これに限らず、絶縁性熱伝導体２０は所定の絶縁性と熱伝導性の双方を有する他の樹脂やグリースで構成されてもよい。また、絶縁性熱伝導体２０は１種類の材料で構成される単層に限らず、異なる材料からなる複数の層（積層体）で構成されてもよい。

また、本実施形態において、絶縁性熱伝導体２０は、高さの異なるスイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間に介挿されるため、その厚さが部分的に異なるが、これに限るものではない。例えば、同じ高さの２つのスイッチング素子とシャント抵抗との間に絶縁性熱伝導体を介挿する場合に、一様な厚さを有する絶縁性熱伝導体が用いられてもよい。また、スイッチング素子が１つ設けられてもよいし、３つ以上であってもよいことは言うまでもない。

また、絶縁性熱伝導体２０は、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７との間に介挿されるが、これに限らず、スイッチング素子１８，１９とバスバー１４との間に介挿されてもよい。すなわち、バスバー１４は通常、比較的熱伝導率の高い金属部材からなり、バスバー自体が放熱機能を有することから、スイッチング素子１８，１９が絶縁性熱伝導体２０を介してバスバー１４と熱的に接続される形態でも、放熱効果を得ることができる。また、上記効果を得られる放熱素子であれば、被接続体はバスバーに限らない。例えば、絶縁性熱伝導体２０が接続部材１３に接続されてもよい。

上記実施形態では、スイッチング素子１８，１９とシャント抵抗１７とが絶縁性熱伝導体２０を介して熱的に接続されるが、スイッチング素子１８，１９が、シャント抵抗１７に直接接続されてもよい。また、バスバー１４に直接接続されてもよい。

また、接続部材１３の固定部１３ａからバスバー１４の突起部１４ａまでの電流経路が、比較的熱伝導率の高い１つ又は複数の材料で形成される場合には、上記効果を得られる放熱素子として機能してもよい。この場合、スイッチング素子１８，１９は、当該電流経路を構成する部材の１つ又は複数に、直接接続されてもよいし、絶縁性熱伝導体を介して接続されてもよい。

また、上記実施形態において、付勢部材２２は、金属製の巻きばね部材又は板ばね部材で構成されるが、これに限らず、弾性力を有する他の形状のばね部材であってもよい。

さらに、本実施形態において、シャント抵抗１７はバスバー１４と同じ厚さであるが、バスバー１４と異なる厚さであってもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

１内部抵抗測定装置
２バッテリ
２Ａ正極端子
２Ｂ負極端子
１１上部収容ケース
１１ａ内側上面
１２下部収容ケース
１３接続部材
１４バスバー
１５回路基板
１５ａ上面
１６マイクロコンピュータ
１７シャント抵抗
１８，１９スイッチング素子
２０絶縁性熱伝導体
２１リード線
２２付勢部材

Claims

バッテリの端子に取り付けられ、前記バッテリの状態を検知するための内部抵抗測定装置であって、
スイッチング素子と該スイッチング素子に接続され放電電流を消費する電流制限抵抗とで構成され、前記バッテリの内部抵抗を測定するために所定の電流または電圧波形の放電をさせる放電回路と、
一端が前記端子に接続されると共に他端が接地され、かつ前記放電回路と直列接続され、その少なくとも一部にシャント抵抗を有する電流経路と、
前記シャント抵抗に生じる電位差に基づいて前記バッテリに流れる電流値を測定する測定手段が設けられた回路基板と、
前記スイッチング素子及び前記電流制限抵抗の少なくとも一方と電気的に絶縁しつつ熱的に接続される放熱素子とを有し、
前記放熱素子が、前記電流経路の少なくとも一部を形成する部材である、
ことを特徴とする内部抵抗測定装置。
前記放電回路が前記回路基板上に実装されると共に、前記放熱素子と前記回路基板が対向するように配置され、
前記回路基板に実装された前記電流制限抵抗及び前記スイッチング素子の少なくとも一方が、絶縁性熱伝導体を介して前記放熱素子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の内部抵抗測定装置。
前記絶縁性熱伝導体は、熱伝導性樹脂または熱伝導性グリースで構成されることを特徴とする、請求項２記載の内部抵抗測定装置。
前記放熱素子は、前記シャント抵抗を一部に有するバスバーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内部抵抗測定装置。
前記放熱素子は、前記シャント抵抗であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内部抵抗測定装置。
前記回路基板に関して前記放熱素子とは反対側に配置され、前記回路基板に実装された前記放電回路を前記放熱素子側に付勢する付勢部材を更に備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の内部抵抗測定装置。
前記付勢部材が、巻きばね部材又は板ばね部材で構成されることを特徴とする、請求項６記載の内部抵抗測定装置。
前記付勢部材が発泡ウレタン製部材で構成されることを特徴とする請求項６記載の内部抵抗測定装置。