JP2016220277A - 電気接続箱 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化及び低コスト化を図ることができる電気接続箱を提供する。
【解決手段】電気接続箱１は、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路を形成する一対のバスバ３，４と、一対のバスバ３，４上に実装されて当該一対のバスバ３，４間の通電及び遮断を行うパワー半導体５と、パワー半導体５を制御する制御信号を出力する制御部８を実装する制御基板７と、一対のバスバ３，４の上面に配設されてパワー半導体５の制御端子５ｂと制御基板７とを電気的に接続する導体パターン６ｂが形成されたＦＰＣ６と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されて電源分配を行う電気接続箱に関する。

従来、自動車といった車両には多種多様な電子機器が搭載されている。これら電子機器に電力を供給するために、自動車には、バッテリ等の電源と電子機器との間の適宜箇所に、リレー等の電気部品が集約されて構成された電気接続箱が設置されている。

また、近年、電気自動車やハイブリッドカーなどの車両では、高電圧バッテリとインバータなどの高電圧負荷との間に配置され、通電又は遮断を行う電気接続箱（以下「電源分配ボックス」という）が知られている。この電源分配ボックスでは、従来の機械式のリレーに代えて、パワー半導体が使用されつつある。このパワー半導体は大電力に対応することができるものの、温度上昇が大きいことから、当該パワー半導体の発熱対策、具体的には、実装方法、配索方法、放熱構造などが重要な課題となっている。

例えば特許文献１には、自動車に搭載する電気接続箱が開示されている。この電気接続箱は、バスバとプリント基板上に搭載するリレーとを直接に接続せず、バスバをプリント基板の導体を介して接続している。プリント基板は、厚肉の導体を４層設けた多層の厚銅基板から構成されている。これにより、バスバに発生する熱が導体に伝わることで、バスバが局部的に高熱化せず均等に分散される。その結果、電気接続箱のリレーの搭載側で均熱化させることができる。

また、特許文献２には、小型化及び低コスト化を図ることができる電気接続箱が開示されている。この電気接続箱は、電気接続箱に収容されるバスバにフレキシブルプリント基板を積層し、このフレキシブルプリント基板の銅箔パターンを任意の分散した位置でバスバに溶接接合して、バスバとフレキシブルプリント基板の銅箔パターンとを電気的に接続している。

特開２０１０−１８７４５７号公報 特開平１１−４６４２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、高電圧大電流の回路を基板内に配索する必要があり、耐圧及び配線パターン損失の関係上、十分な導体幅や導体厚が必要となる。このため、基板のサイズや重量が大きくなってしまう。また、特許文献２に開示された手法では、フレキシブルプリント基板を用いてバスバとの電気的な接続を行っているが、フレキシブルプリント基板は導体厚を増やすことが難しく、大電流の通電には不向きであるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、軽量化及び低コスト化を図ることができる電気接続箱を提供する。

かかる課題を解決するために、本発明は、電源と電子機器との間の電気的な経路を形成する一対のバスバと、一対のバスバ上に実装されて、当該一対のバスバ間の通電及び遮断を行う遮断部と、遮断部を制御する制御信号を出力する制御部を実装する制御基板と、一対のバスバの上面に配設されて、遮断部の制御端子と制御基板とを電気的に接続する導体パターンが形成されたフレキシブルプリント基板と、を有する電気接続箱を提供する。

また、本発明において、制御基板は、フレキシブルプリント基板を折り曲げて、一対のバスバと対向して配置されることが好ましい。

また、本発明は、電気接続箱が配置される車両内の配置面に配設されるシート状の放熱部材をさらに有することが好ましい。この場合、一対のバスバは、シート状の放熱部材を介して車両内の配置面に接触配置されることが好ましい。

さらに、本発明は、フレキシブルプリント基板は、一対のバスバに対する遮断部の実装位置に対応して形成された開口を備えることが好ましい。この場合、遮断部の電力端子は、フレキシブルプリント基板に形成された開口を介して一対のバスバと接続されることが望ましい。

本発明によれば、電源と電子機器との間の電気的な経路をバスバで構成し、遮断部に流れる大電流がバスバを流れるようにしている。そして、制御基板では、遮断部を制御する制御信号を扱うこととし、フレキシブルプリント基板を介して遮断部に制御信号を伝達している。このため、制御基板の設計を高電圧大電流を考慮して行う必要がなく、厚銅基板等を用いる必要もないので、安価で軽量な基板を使用することができる。その結果、軽量化及び低コスト化を図ることができる電気接続箱を提供することができる。

本実施形態に係る電気接続箱１の構成を模式的に示す斜視図 本実施形態に係る電気接続箱１の構成を模式的に示す断面図 一対のバスバ及びＦＰＣの要部を拡大して示す説明図 電気接続箱の車両への組み付け方法を示す説明図 電気接続箱の車両への組み付け方法を示す説明図

図１は、本実施形態に係る電気接続箱１の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る電気接続箱１の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る電気接続箱１は、高電圧バッテリとインバータ等の高電圧負荷との間の通電及び遮断を行う電源分配ボックスである。

電気接続箱１は、２組からなる一対のバスバ３，４と、２組からなる複数のパワー半導体５と、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）６と、制御基板７と、絶縁プレート１０と、ケース１１とを主体に構成されている。なお、図１では、絶縁プレート１０及びケース１１の記載は省略されている。

一方の組における一対のバスバ３，４は、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路（電圧回路）を形成するものであり、正極側に対応する電圧回路である。一対のバスバ３，４は、互いに隣り合うように並列配置され、パワー半導体５を介して連続する電圧回路を構成する。個々のバスバ３，４は、略平板形状の導電部材であり、例えば銅マンガン合金や銅ニッケル合金などの平板から、プレス成形により所望の形状、例えばクランク形状に形成されている。

一方のバスバ（以下「第１バスバ」という）３の一端は、高電圧バッテリに通じる接続電線（図示せず）と接続し、他方のバスバ（以下「第２バスバ」という）４の一端は、高電圧負荷に通じる接続電線（図示せず）と接続する。具体的には、第１バスバ３の一端には貫通孔３ａが形成されており、高電圧バッテリの接続電線と第１バスバ３とがネジなどで締結される。また、第２バスバ４の一端にも、第１バスバ３と同様に、貫通孔４ａが形成されており、高電圧負荷の接続電線と第２バスバ４とがネジなどで締結される。

他方の組における一対のバスバ３，４は、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路（電圧回路）を形成するものであり、負極側に対応する電圧回路である。他方の組における一対のバスバ３，４は、互いに隣り合うように並列配置され、パワー半導体５を介して連続する電圧回路を構成する。なお、負極側の一対のバスバ３，４の構成は、上述した正極側の一対のバスバ３，４の構成と同様であり、その説明については省略する。

パワー半導体５は、電圧回路の通電又は遮断を行うものであり（遮断部）、例えばｎ型のＭＯＳＦＥＴである。本実施形態では、１組のバスバ３，４に対して複数のパワー半導体５が用意されて、これらが並列駆動される。また、正極側及び負極側それぞれの通電又は遮断を行うため、本実施形態の電気接続箱１には、２組からなる複数のパワー半導体５が搭載されている。これにより、もしどちらか一方の組に含まれるパワー半導体５が故障した場合でも、他方の組に含まれるパワー半導体５を用いて遮断動作をすることができる。そのため、高電圧回路を負荷側から確実に電気的に遮断することができる。

個々のパワー半導体５は、互いに並列配置された一対のバスバ３，４の間に配置される。パワー半導体５が備える一対の電力端子（ドレイン端子，ソース端子）５ａは、一対のバスバ３，４に接続される。また、パワー半導体５が備える制御端子（ゲート端子）５ｂは、ＦＰＣ６に接続される。

ＦＰＣ６は、各パワー半導体５の制御端子５ｂを制御基板７に接続する配線部材であり、一対のバスバ３，４の上面に配設されている。このＦＰＣ６は、複数の導体パターンを樹脂製の被覆材で平面状に結合したもので、制御基板７上のＦＰＣコネクタ（図示せず）に接続される。

ここで、図３は、一対のバスバ３，４及びＦＰＣ６の要部を拡大して示す説明図である。ここで、同図（ａ）は、パワー半導体５の実装前の状態を示し、同図（ｂ）は、パワー半導体５の実装後の状態を示す。ＦＰＣ６には、バスバ３，４上に実装されるパワー半導体５の実装位置と対応して、開口６ａが形成されている。これにより、パワー半導体５の電力端子５ａは、ＦＰＣ６に形成された開口６ａを介して一対のバスバ３，４と接続される。また、パワー半導体５の制御端子５ｂは、ＦＰＣに形成された導体パターン６ｂに接続される。このＦＰＣ６には、小信号回路（例えば、パワー半導体５のゲート回路）用の電子部品６ｃを実装してもよい。

制御基板７は、パワー半導体５を制御する制御部８を実装する基板であり、バスバ３，４と対向して配置される。制御基板７には、プリント配線技術により配線パターンが形成されている。この配線パターンにより、ＦＰＣコネクタと制御部８とが接続され、制御部８とパワー半導体５の制御端子５ｂとがＦＰＣ６を介して電気的に接続される。

制御部８としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。制御部８は、２組のパワー半導体５を制御する制御信号を出力する。

制御基板７には、コネクタ９が配置されており、このコネクタ９を介して外部装置（ＥＣＵ等）と制御基板７との電気的な接続を行うことができる。制御部８は、当該コネクタ９を介して外部装置と通信を行い、この外部装置からの指令に応じて、上述した制御信号を出力することができる。

絶縁プレート１０は、制御基板７を、一対のバスバ３，４から絶縁した状態で保持する部材である。絶縁プレート１０は、絶縁性の合成樹脂で構成され、周知の射出成形によって成形されている。絶縁プレート１０の下面側には、一対のバスバ３，４、パワー半導体５及びＦＰＣ６を収容する凹状の収容空間１０ａが形成されている。また、絶縁プレート１０の上面側には、制御基板７を載置する凹状の基板保持部１０ｂが形成されている。

ケース１１は、絶縁プレート１０の上面（基板保持部１０ｂ）に載置された制御基板７を収容するカバーである。ケース１１は、下方が開口された凹形状の箱体であり、絶縁プレート１０に対して上方より組み付けられる。

このような構成の電気接続箱１は、高電圧バッテリとインバータ等の高電圧負荷との間の通電及び遮断を行う高電圧電源分配ボックスとして用いられる。この電気接続箱１を作成する場合には、まず、一対のバスバ３，４を並列配置し、その上面にＦＰＣ６を配設し、バスバ３，４上にＦＰＣ６を貼り付ける。そして、ＦＰＣ６に形成された開口６ａを介して、パワー半導体５を直接実装し、一対の電力端子５ａをバスバ３，４にそれぞれ接続する。また、パワー半導体５の制御端子５ｂをＦＰＣ６の導体パターン６ｂに接続する。パワー半導体５の組み付け作業は、正極側及び負極側に対応してそれぞれ実施される。

つぎに、一対のバスバ３，４、パワー半導体５及びＦＰＣ６の上方より絶縁プレート１０を配設し、そのＦＰＣ６を折り返しつつ、制御基板７を絶縁プレート１０の基板保持部１０ｂに載置する。そして、絶縁プレート１０の上方からケース１１を組み付け、これにより、制御基板７が収容される。

電気接続箱１の車両への組み付け時には、図２に示すように、放熱シート１２を介して、車両内の金属筐体等の配置面２０に取り付けられる。これにより、一対のバスバ３，４は、放熱シート１２を介して車両内の配置面２０に接触配置される。放熱シート１２は、熱伝導性に優れ、かつ絶縁性を備えた材料、例えばシリコーンゴムより形成されている。図４に示すように、電気接続箱１は、バッテリ３０の近傍、例えばバッテリ筐体３１の内側に配置される。電気接続箱１は、接続電線３５を介してバッテリ３０と接続され、接続電線３６を介して高電圧負荷（図示せず）と接続される。

このような構成の電気接続箱１において、制御部８は、外部装置からの遮断命令等を受けると、制御信号を出力する。この制御信号が出力されると、パワー半導体５の制御端子５ｂに対して制御電圧が印加される。これにより、パワー半導体５のオンオフ、すなわち、電圧回路の通電又は遮断を切り換えることができる。

このように本実施形態において、電気接続箱１は、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路を形成する一対のバスバ３，４と、一対のバスバ３，４上に実装されて当該一対のバスバ３，４間の通電及び遮断を行うパワー半導体５と、パワー半導体５を制御する制御信号を出力する制御部８を実装する制御基板７と、一対のバスバ３，４の上面に配設されてパワー半導体５の制御端子５ｂと制御基板７とを電気的に接続する導体パターン６ｂが形成されたＦＰＣ６と、を有している。

この構成によれば、電気的な経路をバスバ３，４で構成し、パワー半導体５に流れる大電流がバスバ３，４を流れるようにしている。そして、制御基板７では、パワー半導体５を制御する制御信号を扱うこととし、ＦＰＣ６を介してパワー半導体５に制御信号を伝達している。このため、制御基板７の設計を高電圧大電流を考慮して行う必要がなく、厚銅基板等を用いる必要もないので、安価で軽量な基板を使用することができる。また、制御基板７内には必要最小限の高電圧信号しか取り込まないため、高電圧系と低電圧系の回路の分離が容易になる。これにより、安全性の向上を図ることができる。また、ＦＰＣ６を用いて制御信号系の配索を行うことができるので、配索構造の効率化を図ることができる。

また、本実施形態において、制御基板７は、ＦＰＣ６を折り曲げて、一対のバスバ３，４と対向して配置される。

この構成によれば、ＦＰＣ６を曲げることで、一対のバスバ３，４の上部に制御基板７を搭載することができる。これにより、コンパクトに制御基板７を収容することができる。

また、本実施形態において、電気接続箱１は、当該電気接続箱１が配置される車両内の配置面２０に配設される放熱シート１２をさらに有している。そして、一対のバスバ３，４は、放熱シート１２を介して車両内の配置面２０に接触配置される。

この構成によれば、パワー半導体５が実装された一対のバスバ３，４が、放熱シート１２などの絶縁物を介して配置面２０に接触配置される。これにより、パワー半導体５から発生した熱をバスバ３，４、放熱シート１２を経由して、配置面２０に逃がすことができる。

なお、電気接続箱１の車両への組み付け方法としては、図５（ａ）に示すように、金属製のバッテリ筐体３１に接触させるか、図５（ｂ）に示すように、電気接続箱１に放熱フイン等の放熱部材３２を取り付けることが望ましい。これにより、パワー半導体５の発熱をより効果的に外部へ逃がすことができる。

なお、本実施形態では、パワー半導体５は、例えばｎ型のＭＯＳＦＥＴを前提に説明し、面実装の汎用パッケージを前提に説明をしたが、パワー半導体５は、一対のバスバ３，４に実装が可能で、発熱をバスバ３，４側に伝えられる構造であれば、どのようなものであってもよい。

また、本実施形態では、パワー半導体５を複数搭載して並列駆動をする構成であるが、パワー半導体５は一つでもよい。

以上、本実施形態にかかる電気接続箱について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、電源分配ボックスとして説明したが、種々の電気接続箱に適用可能である。

１ 電気接続箱
３，４ バスバ
５ パワー半導体
５ａ 電力端子（ドレイン端子、ソース端子）
５ｂ 制御端子（ゲート端子）
６ ＦＰＣ
６ａ 開口
６ｂ 導体パターン
７ 制御基板
８ 制御部
９ コネクタ
１０ 絶縁プレート
１１ ケース
１２ 放熱シート
２０ 配置面

Claims (4)

1. 電源と電子機器との間の電気的な経路を形成する一対のバスバと、
   前記一対のバスバ上に実装されて、当該一対のバスバ間の通電及び遮断を行う遮断部と、
   前記遮断部を制御する制御信号を出力する制御部を実装する制御基板と、
   前記一対のバスバの上面に配設されて、前記遮断部の制御端子と前記制御基板とを電気的に接続する導体パターンが形成されたフレキシブルプリント基板と、
   を有することを特徴とする電気接続箱。
2. 前記制御基板は、前記フレキシブルプリント基板を折り曲げて、前記一対のバスバと対向して配置されることを特徴とする請求項１に記載された電気接続箱。
3. 前記電気接続箱が配置される車両内の配置面に配設されるシート状の放熱部材をさらに有し、
   前記一対のバスバは、前記シート状の放熱部材を介して前記車両内の配置面に接触配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載された電気接続箱。
4. 前記フレキシブルプリント基板は、前記一対のバスバに対する前記遮断部の実装位置に対応して形成された開口を備え、
   前記遮断部の電力端子は、前記フレキシブルプリント基板に形成された前記開口を介して前記一対のバスバと接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電気接続箱。

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