JP2018189384A - 電流検出装置、管理装置、エンジン始動用のバッテリ - Google Patents

電流検出装置、管理装置、エンジン始動用のバッテリ Download PDF

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Abstract

【課題】抵抗器の温度サイクルによる抵抗値の増大を抑制する。
【解決手段】電気化学素子31の電流検出装置であって、回路基板90と、前記電気化学素子31の電流を検出する抵抗器80と、を備え、前記回路基板90上には、第1端子130を有するコネクタ100が設けられ、前記抵抗器80は、前記第1端子130に接触する第2端子87を有している。
【選択図】図6

Description

本発明は、抵抗器の温度サイクルに伴う抵抗値の増大を抑制する技術に関する。
一次電池や二次電池等の電気化学素子の電流計測方法として、抵抗器の両端の電圧を、回路基板に設けられたデータ処理部にて検出する方法がある。従来は、回路基板から引き出した信号線を抵抗器の両端に螺子止めすることにより、抵抗器を回路基板に対して接続していた。この方法は、信号線を固定するため、螺子止め作業が必要であることから、取付作業性が悪く、部品点数が多くなるという問題がある。
上記以外にも、抵抗器の端子を回路基板のスルーホールに挿通して半田によって直付けする方法がある。同方法を開示する文献として、例えば下記特許文献1がある。
特開2004−117045号公報
抵抗器の端子をスルーホールに挿通して回路基板に半田接合する場合、ねじ止め作業は不要であり、部品点数が少ないというメリットがある。しかし、通電に伴う抵抗器の発熱による温度サイクルが繰り返されることで、回路基板と抵抗器との接合部において、半田クラックが生じて抵抗値が増大する可能性がある。
近年では、市場から電池のSOC推定精度を高めることが求められており、温度サイクルの繰り返しによる、抵抗値の増加を抑制することが求められていた。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、抵抗器の温度サイクルによる抵抗値の増大を抑制することを目的とする。
電気化学素子の電流検出装置であって、回路基板と、前記電気化学素子の電流を検出する抵抗器と、を備え、前記回路基板上には、第1端子を有するコネクタが設けられ、前記抵抗器は、前記第1端子に接触する第2端子を有している。
本構成では、抵抗器の第2端子がコネクタの第1端子に接触することで、発熱体である抵抗器を回路基板に対して電気的に接続している。すなわち、スルーホールによる半田接合を用いずに、抵抗器の端子を回路基板に対して電気的に接続しているから、温度サイクルによる、抵抗値の増大を抑制することができる。しかも、コネクタは回路基板上に設けられていることから、コネクタと回路基板を接続する電線が不要であり、部品点数が少なくて済む。
実施形態1に適用された自動車の側面図 バッテリの斜視図 バッテリの分解斜視図 バッテリの電気的構成を示すブロック図 中蓋の斜視図 中蓋の平面図 中蓋の平面図 抵抗器の斜視図 図7のA−A線断面図 図7のA−A線断面図 スルーホールによる端子の接合構造を示す断面図 温度サイクルと抵抗値の関係を示すグラフ アウタハウジングとインナハウジングの位置関係を示すコネクタの断面図
電気化学素子の電流検出装置であって、回路基板と、前記電気化学素子の電流を検出する抵抗器と、を備え、前記回路基板上には、第1端子を有するコネクタが設けられ、前記抵抗器は、前記第1端子に接触する第2端子を有している。この構成では、抵抗器の第2端子がコネクタの第1端子に接触することで、発熱体である抵抗器を回路基板に対して電気的に接続している。すなわち、スルーホールによる半田接合を用いずに、抵抗器を回路基板に対して電気的に接続しているから、温度サイクルによる、抵抗値の増大を抑制することができる。しかも、コネクタは回路基板上に設けられていることから、コネクタと回路基板を接続する電線が不要であり、部品点数が少なくて済む。
前記抵抗器は、抵抗本体と、前記抵抗本体の両側に位置し、前記回路基板と略平行な板部を有し、前記第2端子は、前記板部と略平行に前記板部から突出して設けられており、前記第2端子は、前記コネクタの前記第1端子の内部に嵌合するとよい。この構成では、第2端子は、板部と略平行に板部から突出しており、コネクタの第1端子内に嵌合させ易い。そのため、抵抗器の組み付け性を向上させることができる。
前記第2端子は、前記板部と同一部材であるとよい。板部と第2端子が同一部材であれば、別部材(異種金属)の場合に比べて、板部と第2端子との間の接続抵抗が小さいので、抵抗器による電流の計測精度が高くなる。
前記コネクタは、前記回路基板に固定されるアウタハウジングと、前記アウタハウジング内において可動であるインナハウジングとを備え、前記第1端子はインナハウジングに保持されているとよい。この構成では、回路基板に対する抵抗器の位置ずれが生じた場合、インナハウジングがアウタハウジング内において可動することで、抵抗器の位置ずれを吸収することができる。これにより、コネクタの第1端子と抵抗器の第2端子の接触状態を保つことが出来るので、抵抗値の増加を抑制することができる。また、組み付け後の振動にも強い構成である。
蓄電素子の管理装置であって、前記電流検出装置と、前記回路基板に搭載されたデータ処理部と、を備え、前記データ処理部は、前記抵抗器により検出した電流の積算値に基づいて、前記蓄電素子の充電状態を推定する。電流積算法は、電流計測誤差が蓄積することから、計測が長期間になると、充電状態の推定精度が低下するという課題がある。この構成では、電流を高精度に計測できるので、誤差の蓄積が小さく、充電状態の推定精度を高くすることが出来る。
車両に搭載されたエンジン始動用のバッテリであって、蓄電素子と、前記電流検出装置又は前記管理装置のうちいずれか一方の装置と、を備える。エンジン始動用のバッテリは、クランキング時に、短時間で大電流が流れる。そのため、熱衝撃が大きく、抵抗器が温度上昇しやすい。スルーホールによる半田接合を用いた場合、半田クラックの発生確率が高く、抵抗値の増大が特に懸念される。この構成では、抵抗器と回路基板の電気的な接続に、スルーホールによる半田接合を用いていないため、半田クラックの発生がなく、抵抗値の増大を効果的に抑制することが出来る。
<実施形態1>
1.バッテリの説明
図1は自動車の側面図、図2はバッテリの斜視図、図3はバッテリの分解斜視図、図4はバッテリの電気的構成を示すブロック図である。尚、図1では、自動車1とバッテリ20のみ図示し、自動車を構成する他の部品は省略している。
自動車(車両の一例)1は、図1に示すように、バッテリ20を備えている。バッテリ20は、図2に示すように、ブロック状の電池ケース21を有しており、電池ケース21内には、複数の二次電池31からなる組電池30や、抵抗器80、回路基板90が収容されている。以下の説明において、図2および図3を参照する場合、電池ケース21が設置面に対して傾きなく水平に置かれた時の電池ケース21の上下方向をY方向とし、電池ケース21の長辺方向に沿う方向をX方向とし、電池ケース21の奥行き方向をZ方向をとして説明する。
電池ケース21は、図3に示すように、上方に開口する箱型のケース本体23と、複数の二次電池31を位置決めする位置決め部材24と、ケース本体23の上部に装着される中蓋25と、中蓋25の上部に装着される上蓋29とを備えて構成されている。ケース本体23内には、各二次電池31が個別に収容される複数のセル室23AがX方向に並んで設けられている。
位置決め部材24は、図3に示すように、複数のバスバー24Aが上面に配置されており、位置決め部材24がケース本体23内に配置された複数の二次電池31の上部に配置されることで、複数の二次電池31が、位置決めされると共に複数のバスバー24Aによって直列に接続されるようになっている。
中蓋25は、図3に示すように平面視略矩形状であり、X方向両端部には、図示しないハーネス端子が接続される一対の端子部22P、22Nが設けられている。一対の端子部22P、22Nは、例えば鉛合金等の金属からなり、22Pが正極側端子部、22Nが負極側端子部である。
図3に示すように、中蓋25の上面には、抵抗器80及び回路基板90が配置されており、その上方を上蓋29によって閉じている。
図4を参照して、バッテリ20の電気的構成を説明する。バッテリ20は、組電池30と、抵抗器80と、電流遮断装置45と、電池管理部(以下、BM)51と、電圧検出部55と、メモリ53と、二次電池31の温度を検出する温度センサ57とを有する。BM51、電圧検出部55、メモリ53は、回路基板90上に搭載されている。BM51が本発明の「データ処理部」の一例である。
組電池30は、直列接続された複数の二次電池31から構成されている。組電池30、抵抗器80、電流遮断装置45は、通電路35を介して、直列に接続されている。抵抗器80を負極側、電流遮断装置45を正極側に配置しており、抵抗器80は負極側端子部22N、電流遮断装置45は、正極側端子部22Pにそれぞれ接続されている。
バッテリ20は、エンジン始動用である。図4に示すように、バッテリ20には、自動車1に搭載されたエンジンを始動するためのセルモータ15が接続されており、セルモータ15はバッテリ20から電力の供給を受けて駆動する。バッテリ20には、セルモータ15の他に、電装品などの車両負荷(図略)やオルタネータ17が接続されている。オルタネータ17の発電量が車両負荷の電力消費より大きい場合、バッテリ20はオルタネータによる充電される。また、オルタネータの発電量が車両負荷の電力消費より小さい場合、バッテリ20は、その不足分を補うため、放電する。
電流遮断装置45は、リレーやFETなどの半導体スイッチであり、回路基板90上に配置されている。電流遮断装置45は、組電池30の通電路35上に配置されており、二次電池31の通電路35を開閉する。
電圧検出部55は、回路基板90上に配置されている。電圧検出部55は、各二次電池31の電圧や組電池30の総電圧を検出する。
BM51は、回路基板90上に配置されている。BM51は、電圧検出部55の出力に基づいて各二次電池31の電圧や組電池30の総電圧を監視する。また、抵抗器80の両端電圧Vrから、二次電池31の電流Iを検出して、電流Iを監視する。
BM51は、二次電池31の電圧、電流、温度に異常がある場合、電流遮断装置45に指令を送って、電流を遮断することにより、バッテリ20を保護する。
また、BM51は、下記の(2)式で示すように、抵抗器80の両端電圧Vrから得られた電流Iの時間に対する積分値に基づいて、バッテリ20のSOC(state of charge:充電状態)を推定する。尚、電流の符号を、充電時はプラス、放電はマイナスとする。
SOC=Cr/Co×100・・・・・・・・・・(1)
Coは二次電池の満充電容量、Crは二次電池の残存容量である。
SOC=SOCo+100×∫Idt/Co・・・(2)
SOCoは、SOCの初期値、Iは電流である。
回路基板90、BM51、メモリ53、電圧検出部55、コネクタ100、抵抗器80は、バッテリ20を管理する管理装置40を構成する。
2.抵抗器80の接続構造
図3に示すように、中蓋25の上面には、第1収容部25Aと、第2収容部25Bが設けられている。これら2つの収容部25A、25Bは、外壁26により囲まれている。図5に示すように、第1収容部25Aには、回路基板90が螺子止めにより固定された状態で収容されている。第2収容部25Bには、X方向の両側に円筒状をしたボス27A、27Bが設けられており、抵抗器80はX方向の両側に位置する板部84A、84Bを、各ボス27A、27B上に螺子止めされた状態で収容されている。ボス27A、27Bを設けている理由は、回路基板90側のコネクタ100の第1端子130と抵抗器80側の第2端子87の高さを合わせるためである。
回路基板90は、概ね長方形状であり、基板上面にコネクタ100を配置している。コネクタ100は、回路基板90のうち抵抗部80と向かい合う対向部に配置されている。回路基板90、コネクタ100、抵抗器80が本発明の「電流検出装置」に相当する。
図5〜図7は、電流遮断装置45、メモリ53、電圧検出部55は、省略している。
コネクタ100は、図9、図10に示すように、アウタハウジング110と、インナハウジング120と、第1端子130とを有している。
アウタハウジング110は、合成樹脂製であり、回路基板90の上面に爪等の固定部115によって固定される固定ハウジングである。アウタハウジング110は、抵抗器80と向かい合う前面側が開口し、内部にインナハウジング120を収容する。
インナハウジング120は、合成樹脂製であり、アウタハウジング110の内部に収容されている。インナハウジング120は、アウタハウジング110に設けられた支持部(図略)により、アウタハウジング110内において、Z方向(第1端子に対する第2端子の挿入方向)への移動は規制されつつ、X方向に移動可能な状態で支持されている。インナハウジング120は、アウタハウジング110に対して、X方向に可動する可動ハウジングである。
第1端子130は、インナハウジング120内に配置されている。第1端子130は、例えば、金属性のばね材より構成されており、前側端子部131と、後側端子部135とを備えている。前側端子部131は、上下一対の接触片131A、131Bを有している。
上下の接触片131A、131Bは、インナハウジング120内において、インナハウジング120の前面壁121に設けられた挿通孔123に対応して配置されており、挿通孔123より挿入された第2端子87A、87Bと弾性的に接触する。
後部端子部135は、回路基板90に対する接続部136を有している。接続部136は、アウタハウジング110の奥壁113に設けられた貫通孔114を通じて外部に突出しており、回路基板90の上面に設けられた導体パターン(図略)に、例えば、半田付けにより接合されている。図9、10では、第1端子130を1つだけ示してあるが、実際は、X方向に2つ並んで設けられている。
抵抗器80は、図8に示すように、全体としては、X方向に長い長方形状である。抵抗器80は、板面がX−Z方向に沿っており、回路基板90と略平行である。抵抗器80は、抵抗本体83と、一対の板部84A、84Bと、一対の第2端子87A、87Bを備えている。抵抗本体83はマンガニン製である。抵抗本体83は電流に比例した電圧を発生する。
一対の板部84A、84Bは、銅製である。一対の板部84A、84Bは、抵抗本体83のX方向両側に配置されている。一対の板部84A、84Bは、螺子孔85A、85Bを有している。
抵抗器80は、一対の板部84A、84Bを、導電路35を構成する図外の金属プレートと共に、ボス27A、27Bに対して螺子89によって螺子止めすることにより、中蓋25の第2収容部25Bに取り付けられる。
第2端子87A、87Bは、抵抗本体83の両側に一対設けられている。具体的には、一対の板部84A、84Bの端面86から、板部84A、84Bと略平行に、Z方向に突出して設けられている。第2端子87A、87Bは、銅製であり、一対の板部84A、84Bと一体である。
第2端子87A、87Bは、図9、図10に示すように、インナハウジング120の前面壁121の挿通孔123をZ方向に貫通し、インナハウジング120の内部に配置された前側端子部131の内部に嵌合する。
すなわち、第2端子87A、87Bは、上下の接触片131A、131Bの間に位置しており、嵌合状態において、上下の接触片131A、131Bの先端部が第2端子87A、87Bの外周面に弾性的に接触する。
このように、上下の接触片131A、131Bが、第2端子87A、87Bと弾性的に接触することで、抵抗器80は、第2端子87、第1端子130を介して、回路基板90の導体パターン(図略)に電気的に接続される。以上により、回路基板上のBM51は、抵抗器80と電気的に接続されることから、抵抗器80の両端電圧Vrを検出できる。そして、検出した両端電圧Vrに基づいて、二次電池31の電流Iを検出することが出来る。
3.効果説明
図11は、抵抗器の端子200をスルーホールHに挿通して回路基板300の導体パターン310に半田接合した場合の断面図である。図12は、抵抗器の端子200をスルーホールHに挿通して回路基板300の導体パターン310に半田接合した場合について、温度サイクルに伴う、抵抗値の変化を示したグラフである。半田接合を用いた場合、温度サイクルのサイクル数が所定回数を超えると、抵抗器の抵抗値が急激に上昇する。これは、回路基板(樹脂)と端子(金属)の熱膨張係数の相違により、接合部に半田クラックが生じるためである。
本構成では、抵抗器80の第2端子87A、87Bを、コネクタ100の第1端子131に接触させることにより、発熱体である抵抗器80を回路基板90に対して電気的に接続している。発熱体である抵抗器80と、回路基板90の電気的な接続に、スルーホールによる半田接合を用いていないため、半田クラックの発生がなく、温度サイクルによる、抵抗値の増大を抑制することができる。
バッテリ20は、エンジン始動用であり、クランキング時に、短時間で大電流が流れる。そのため、熱衝撃が大きく、抵抗器80が特に温度上昇しやすい。スルーホールによる半田接合を用いた場合、半田クラックの発生確率が高く、抵抗値の増大が特に懸念される。この構成では、抵抗値の増大を効果的に抑制することが出来る。従って、温度サイクルを繰り返しても、二次電池31の電流計測精度が高い。
電流積算法は、電流計測誤差が蓄積することから、計測が長期間になると、SOCの推定精度が低下するという課題がある。この構成では、電流を高精度に計測できるので、誤差の蓄積が小さく、SOCの推定精度を高くすることが出来る。
しかも、コネクタ100は回路基板90上に設けられていることから、コネクタ100と回路基板90を接続する信号線が不要であり、部品点数が少なくて済む。
本構成では、第2端子87A、87Bは、板部84A、84Bと略平行に、板部84A、84Bから突出しており、コネクタ100の第1端子130内に、嵌合させ易い。そのため、抵抗器80の組み付け性を向上させることができる。
本構成では、第2端子87A、87Bは、板部84A、84Bと同一部材である。第2端子87A、87Bが、板部84A、84Bと同一部材であれば、別部材(異種金属)の場合に比べて、第2端子87A、87Bと板部84A、84Bとの間の接続抵抗が小さいので、抵抗器80による電流の計測精度が高くなる。
本構成では、組み付け時に、X方向において、回路基板90に対する抵抗器80の位置ずれが生じた場合、図13に示すように、インナハウジング120がアウタハウジング110内において、X方向に可動することで、抵抗器80の位置ずれを吸収できる。これにより、コネクタ100の第1端子130と抵抗器80の第2端子87の接触状態を保つことが出来るので、抵抗値の増加を抑制することができる。また、組み付け後の振動にも強い構成である。
図13の(A)は位置ずれがない場合について、アウタハウジング110とインナハウジング120の位置関係を示し、図13の(B)は位置ずれが生じた場合について、アウタハウジング110とインナハウジング120の位置関係を示している。
抵抗器80の第2端子87A、87Bは、コネクタ100に嵌合できる長さ(数センチ程度)があればよく、信号線を用いた接続構造に比べて全長が短いことから、電磁ノイズに対する耐性が高く(ノイズの受信するアンテナになり難い)、電流計測精度が高い。
コネクタ100の後部端子部135の接続部136は、回路基板90の導体パターンに対して半田付けにより接合されている。しかし、後部端子部135は、抵抗器80に比べて、発熱が小さく、導電パターンとの接合箇所で半田クラックが発生する可能性は低い。
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)実施形態1では、電気化学素子の一例として二次電池31を例示した。電気化学素子は、二次電池や電気二重層コンデンサなどの蓄電素子や、放電のみ行う一次電池でもよい。また、車両は自動車1に限定されたものではなく、自動二輪でもよい。また、バッテリ20の使用用途は車両に限定されるものではなく、UPSや、太陽光発電システムの蓄電部などの他の用途に使用することができる。
(2)実施形態1では、コネクタ100を、アウタハウジング110とインナハウジング120からなる2重ハウジング構造とし、インナハウジング120は可動とした。コネクタ100は、2重ハウジング構造に限定されず、アウタハウジング120を廃止して、インナハウジング110を回路基板90に固定する構成でもよい。また、実施形態1では、インナハウジング120を、アウタハウジング110に対してX方向に可動な構成としたが、Y方向や、X方向とY方向の2方向に可動な構成としてもよい。
(3)実施形態1では、管理装置40を、回路基板90、BM51、メモリ53、電圧検出部55、コネクタ100、抵抗器80とから構成した。管理装置40は、少なくとも、回路基板90、BM51、コネクタ100、抵抗器80を有していればよく、他は付随的な部品である。また、データ処理部であるBM51は、抵抗器80の両端電圧Vrに基づいて、電流Iを監視する機能を少なくとも有していればよく、SOC推定を行うか、否かは任意である。また、回路基板90は、少なくとも抵抗器80の接続相手でなるコネクタ100を有していればよく、BM51などの他部品を搭載しているか、否かは任意である。例えば、回路基板90とは電気的に接続された他基板上に、BM51などの他部品を搭載しているような構成でもよい。また、他基板に搭載されたBM51はバッテリ20の外部に設けられていてもよい。すなわち、バッテリ20は、少なくとも、二次電池31と、抵抗器80と、回路基板90と、コネクタ100とを備えていればよい。
20...バッテリ
31...二次電池
40...管理装置
51...BM(本発明の「データ処理部」に相当)
80...抵抗器
83...抵抗本体
84A、84B...板部
87A、87B...第2端子
90...回路基板
100...コネクタ
110...アウタハウジング
120...インナハウジング
130...第1端子

Claims (6)

  1. 電気化学素子の電流検出装置であって、
    回路基板と、
    前記電気化学素子の電流を検出する抵抗器と、を備え、
    前記回路基板上には、第1端子を有するコネクタが設けられ、
    前記抵抗器は、前記第1端子に接触する第2端子を有している電流検出装置。
  2. 請求項1に記載の電流検出装置であって、
    前記抵抗器は、
    抵抗本体と、
    前記抵抗本体の両側に位置し、前記回路基板と略平行な板部を有し、
    前記第2端子は、前記板部と略平行に前記板部から突出して設けられており、
    前記第2端子は、前記コネクタの前記第1端子の内部に嵌合する電流検出装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の電流検出装置であって、
    前記第2端子は、前記板部と同一部材である電流検出装置。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の電流検出装置であって、
    前記コネクタは、前記回路基板に固定されるアウタハウジングと、前記アウタハウジング内において可動であるインナハウジングとを備え、前記第1端子はインナハウジングに保持されている電流検出装置。
  5. 蓄電素子の管理装置であって、
    請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の電流検出装置と、
    前記回路基板に搭載されたデータ処理部と、を備え、
    前記データ処理部は、
    前記抵抗器により検出した電流に基づいて、前記蓄電素子の充電状態を推定する、蓄電素子の管理装置。
  6. 車両に搭載された、エンジン始動用のバッテリであって、
    蓄電素子と、
    請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の電流検出装置又は請求項5に記載の管理装置と、を備えた、エンジン始動用のバッテリ。
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