JP6332794B2

JP6332794B2 - 電圧検出装置

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Publication number: JP6332794B2
Application number: JP2014101331A
Authority: JP
Inventors: 鎌田　誠二; 誠二鎌田
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN105093115A; JP2015220813A; CN105093115B; US20150331058A1

Description

本発明は、電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、自動車などに搭載された電池（バッテリ）に取り付けられている測定装置の情報通信に適した、コネクタ接続の必要のない通信装置が開示されている。この通信装置は、電池の電圧、温度、圧力などの情報を測定する測定装置と、測定装置によって測定された情報に基づいて電池を制御する制御装置とを有している。
通信装置と制御装置とは、一対の通信素子を介して接続されており、一対の通信素子は、電池を電池収容台に載置することによりワイヤレス通信を用いて信号を伝達できるように構成されている。

特開平９−２３００９号公報

ところで、上記従来文献では、ワイヤレス通信を用いてコネクタ接続を無くした構造となっているものの、制御装置と測定装置とは電池収納台を介して接続されている。これにより、測定装置の個数が増えると装置が大型化するという課題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、バッテリの電圧を検出する電圧検出装置の小型化を図ることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、バッテリを構成する複数の電池セル群毎に設けられ、前記電池セル群の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路に対して絶縁されているとともに、前記電圧に基づいて前記バッテリを制御する制御回路と、を有する電圧検出装置において、前記制御回路が搭載される制御回路用基板と、前記制御回路用基板に実装される第一通信素子と、前記電圧検出回路が搭載され、前記制御回路用基板と平行に配置される電圧検出回路用基板と、前記電圧検出回路用基板に実装され、前記第一通信素子と非接触で通信が可能な第二通信素子と、を備え、前記第一通信素子と前記第二通信素子とが対向するように配置されている、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電圧検出回路用基板に実装され、過充電状態となった前記電池セルを放電させる放電用素子と、前記制御回路用基板と前記電圧検出回路用基板との間に配置された絶縁樹脂板を有する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１又は第２の解決手段において、前記電圧検出回路用基板に実装され、過充電状態となった前記電池セルを放電させる放電用素子と、前記放電用素子に接するとともに、前記電圧検出回路用基板の少なくとも一部を覆う金属製カバーと、を有する、という手段を採用する。

本発明によれば、制御回路用基板と電圧検出回路用基板とが第一通信素子と前記第二通信素子とを対向させるようにして平行の配置されることによって、電圧検出装置を小型化することができる。

本発明の第一実施形態に係るバッテリと電圧検出装置の斜視図である。本発明の第一実施形態に係る電圧検出装置の断面図（ａ）及びＡ部拡大図（ｂ）である。本発明の第一実施形態に係る電圧検出装置の回路図である。本発明の第二実施形態に係る電圧検出装置の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電圧検出装置は、バッテリを有する電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載されている。バッテリは、例えばリチウムイオン二次電池のような二次電池（充電式電池）であり、直方体形状の電池パックとして移動車両の底部に配置されている。
図１に示すように、電圧検出装置１は、バッテリＢの側面に固定されている。バッテリＢは、複数（本実施形態では５つ）の電池モジュールＪ１〜Ｊ５から構成されており、各々の電池モジュールＪ１〜Ｊ５は、複数の電池セル（電池セル群１２、図３参照）を有している。電圧検出装置１は、電池セル群１２の電圧状態を監視する装置である。

電圧検出装置１は、バッテリＢの側面に固定されている樹脂製ケース３と、樹脂製ケース３と組み合わせて使用され、樹脂製ケース３との間に基板収容空間５を形成する金属製カバー４と、基板収容空間５に収容されるバッテリＥＣＵ基板６及び複数のセル電圧センサ基板７と、を有している。
バッテリＥＣＵ基板６は、バッテリＢを制御するためのプロセッサ８０（図３参照、制御回路）が搭載されている。セル電圧センサ基板７は、少なくとも電池セル群１２のセル電圧を測定しその情報をバッテリＥＣＵ基板６に伝える機能を有する集積回路３０（電圧検出回路、図３参照）が搭載されている。
電圧検出装置１は、樹脂製ケース３と金属製カバー４とからなるケーシングの内部に、バッテリＥＣＵ基板６と複数のセル電圧センサ基板７を収容して一ユニットとしてパッケージ化したものである。集積回路３０は、プロセッサ８０と電気的に絶縁されるとともに、通信可能に接続されている。

樹脂製ケース３は、バッテリＥＣＵ基板６及びセル電圧センサ基板７を載置可能なトレイ形状のケースであり、ボルトなどの締結手段を用いてバッテリＢの側面に固定されている。図２（ａ）に示すように、樹脂製ケース３は、ベース部９と、ベース部９の縁部より突出するウォール部１０とを有している。
樹脂製ケース３のベース部９は、バッテリＥＣＵ基板６よりもやや大きな外形寸法を有する矩形板形状をなしている。また、樹脂製ケース３のベース部９には、ウォール部１０の突出方向と同じ方向であって、バッテリＢとは反対の側に突出する複数の位置決めピン１１が形成されている。

位置決めピン１１は、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とを樹脂製ケース３に収容する際に、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とが平行配置するように位置決めする部材である。バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とが位置決めピン１１によって位置決めされることによって、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とは、図１に示すように、バッテリＥＣＵ基板６に対して所定の間隔をあけて平行に配置された複数のセル電圧センサ基板７がバッテリＥＣＵ基板６の長手方向に整列するように配置される。
位置決めピン１１は、一つのセル電圧センサ基板７に対して少なくとも二つ形成されており、全ての位置決めピン１１がバッテリＥＣＵ基板６を貫通する。

各々の位置決めピン１１は、円柱形状を有し、基端部から先端部に向かって、段階的に直径が小さくなるように形成されている。具体的には、位置決めピン１１は、最も先端側の位置決めピン第一部１３と、最も基端側の位置決めピン第三部１５と、位置決めピン第一部１３と位置決めピン第三部１５との間の位置決めピン第二部１４とを有している。位置決めピン第二部１４の直径は、位置決めピン第一部１３よりも大きく形成されている。位置決めピン第三部１５の直径は、位置決めピン第二部１４よりも大きく形成されている。

バッテリＥＣＵ基板６には、位置決めピン１１に対応する複数の位置決め孔１７が形成されている。即ち、バッテリＥＣＵ基板６を樹脂製ケース３に取り付ける際に、バッテリＥＣＵ基板６の位置決め孔１７に位置決めピン１１を挿通させることによって、バッテリＥＣＵ基板６が位置決めされる。バッテリＥＣＵ基板６の位置決め孔１７は、位置決めピン１１の位置決めピン第二部１４の直径よりもやや大きく、かつ、位置決めピン第三部１５の直径よりも小さな直径とされている。
位置決めピン第三部１５は、バッテリＥＣＵ基板６が樹脂製ケース３のベース部９と平行配置されるような高さに支持されるように形成されている。

また、樹脂製ケース３のウォール部１０には、バッテリＥＣＵ基板６を支持する第一支持面１９を有する第一支持部１８が形成されている。第一支持部１８は、第一支持面１９のベース部９からの高さが位置決めピン第三部１５のベース部９からの高さと略同一となるように形成されている。
バッテリＥＣＵ基板６には、コネクタ２０が設けられており、コネクタ２０は、樹脂製ケース３に金属製カバー４を取り付けた際に、基板収容空間５の外側に露出するように取り付けられている。

セル電圧センサ基板７は、バッテリＥＣＵ基板６よりも小さく形成されている。例えば、セル電圧センサ基板７は、バッテリＥＣＵ基板６の１／５程度の大きさを有しており、基板収容空間５に複数のセル電圧センサ基板７をバッテリＥＣＵ基板６の長手方向に整列させて収容することができる。
セル電圧センサ基板７には、位置決めピン１１に対応する複数の位置決め孔２２が形成されている。セル電圧センサ基板７の位置決め孔２２は、位置決めピン第一部１３の直径よりもやや大きく、かつ、位置決めピン第二部１４の直径よりも小さな直径とされている。
位置決めピン第三部１５は、バッテリＥＣＵ基板６が樹脂製ケース３のベース部９と平行配置されるような高さに支持されるように形成されている。

位置決めピン第二部１４は、セル電圧センサ基板７が樹脂製ケース３のベース部９及びバッテリＥＣＵ基板６と平行配置されるような高さに支持されるように形成されている。換言すれば、バッテリＥＣＵ基板６が位置決めピン第三部１５に支持されるとともに、セル電圧センサ基板７が位置決めピン第二部１４に支持されることによって、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とは所定の間隔を隔てて互いに主面が平行に配置される。
セル電圧センサ基板７には、コネクタ２３が設けられており、コネクタ２３は、樹脂製ケース３に金属製カバー４を取り付けた際に、基板収容空間５の外側に露出するように取り付けられている。

金属製カバー４は、樹脂製ケース３と協働してコネクタ２０，２３を除いてバッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とを、覆うような形状を有している。金属製カバー４は、樹脂製ケース３のベース部９と平行な主面であるカバー面８を有している。

バッテリＥＣＵ基板６及びセル電圧センサ基板７には互いにワイヤレス（無線）通信することが可能な通信素子２５，２６が実装されている。
バッテリＥＣＵ基板６上であって、セル電圧センサ基板７に対向する面には、第一通信素子２５が実装されている。セル電圧センサ基板７上であってバッテリＥＣＵ基板６に対向する面には、セル電圧を送信する第二通信素子２６が実装されている。
第一通信素子２５と第二通信素子２６とは、互いに対向するように配置されており、互いにワイヤレス通信が可能な距離に配置されている。具体的には、第一通信素子２５と第二通信素子２６とは、互いに平行となるように配置されたバッテリＥＣＵ基板６及びセル電圧センサ基板７の主面に直交する方向から見て略同じ位置に配置されている。

図２（ｂ）に示すように、第一通信素子２５は、磁性体のコア２７ａと、コア２７ａに巻回されているコイル２８ａと、コア２７ａとコイル２８ａとを覆う絶縁樹脂２９ａと、を有している。第二通信素子２６は、磁性体のコア２７ｂと、コア２７ｂに巻回されているコイル２８ｂと、コア２７ｂとコイル２８ｂとを覆う絶縁樹脂２９ｂと、を有している。セル電圧センサ基板７に実装されている第二通信素子２６のコイル２８ｂの両端は、集積回路３０に接続されている。バッテリＥＣＵ基板６に実装されている第一通信素子２５のコイル２８ｂは、プロセッサ８０に接続されている。
コイル２８ａは一次コイルである。また、コイル２８ｂは二次コイルである。コイル２８ａとコイル２８ｂとは、極性が逆極性となるように配置されており、パルストランスを構成している。

図２（ａ）に示すように、セル電圧センサ基板７上であって、バッテリＥＣＵ基板６を向く面とは反対側の面には、放電用抵抗器３１が実装されている。放電用抵抗器３１の一端は電池セル群１２の正極に接続されており、放電用抵抗器３１の他端は集積回路３０の内部に設けられたスイッチング素子を介してグランドに接続されている。
放電用抵抗器３１は、電池セル群１２が過充電状態となった時に、スイッチング素子をオン状態にすることで過充電状態となった電池セルから電力が供給されて電力を熱エネルギーに変換して発熱する。

金属製カバー４のカバー面８と、放電用抵抗器３１との間には、サーマルグリース３２などの熱的結合剤が介在している。即ち、金属製カバー４は、カバー面８と放電用抵抗器３１との間に所定の隙間を形成するような形状とされており、放電用抵抗器３１にサーマルグリース３２が塗布されることによって、金属製カバー４と放電用抵抗器３１とが熱的に接触して、金属製カバー４が放電用抵抗器３１からの熱を受熱する。

図３に示すように、電圧検出装置１が備えるセル電圧センサ基板７ａは、電源回路２１ａと、集積回路３０ａと、ＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）／ＤＣ変換器４０ａと、絶縁素子５０ａと、を備える。
セル電圧センサ基板７ａが備える電源回路２１ａは、電池セル群１２ａの最低電位を基準電位Ｖａとした集積回路３０ａが備えるレベル変換部（アナログ変換回路）の電源に供給する電圧を生成する。例えば、電源回路２１ａは、電池セル群１２ａの電圧を昇圧してＶａを基準電位とするアナログ変換回路の電源電圧を生成する。
電池セル群１２ａ、１２ｂ、１２ｃのそれぞれは、複数の電池セルから構成される。

集積回路３０ａは、レベル変換部３０１ａと、Ａ／Ｄ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）変換回路３０２ａと、を備える。
レベル変換部３０１ａは、複数の電池セルが出力する最大電圧がＡ／Ｄ変換回路３０２ａのフルスケールに対応する電圧となるように、電池セル群１２ａにおける各電池セルのセル電圧を変換する。レベル変換部３０１ａは、各電池セル群１２ａの電圧を入力するために高電圧（例えば、６０ボルト）の電源で動作する回路である。
Ａ／Ｄ変換回路３０２ａは、レベル変換部３０１ａによる変換後のセル電圧を入力し、対応するデジタル信号を生成する。Ａ／Ｄ変換回路３０２ａは、低電圧（例えば、５ボルト）の電源（第二の電源）で動作する回路である。

ＤＣ／ＤＣ変換器４０ａは、集積回路３０ａが備えるＡ／Ｄ変換回路（デジタル変換回路）３０２ａの電源に供給する電圧を生成する。例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器４０ａは、プロセッサ（制御部）８０が生成するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号（パルス信号）に基づいて基準電位Ｖａに対して５ボルトの電圧を生成する。ＤＣ／ＤＣ変換器４０ａは、第一通信素子２５と、第二通信素子２６と、を備えている。
絶縁素子５０ａは、セル電圧センサ基板７ａとバッテリＥＣＵ基板６との間で電流の授受を行わずに集積回路３０ａが変換した電池セルの電圧を示す情報をプロセッサ８０に伝送する。

また、セル電圧センサ基板７ｂは、基準電位がＶｂであることを除いけば、セル電圧センサ基板７ａと同様の機能部を備える。すなわち、セル電圧センサ基板７ｂは、電源回路２１ｂと、集積回路３０ｂと、ＤＣ／ＤＣ変換器４０ｂと、絶縁素子５０ｂと、を備える。

同様に、セル電圧センサ基板７ｃは、基準電位がＶｃであることを除いけば、セル電圧センサ基板７ａと同様の機能部を備える。すなわち、セル電圧センサ基板７ｃは、電源回路２１ｃと、集積回路３０ｃと、ＤＣ／ＤＣ変換器４０ｃと、絶縁素子５０ｃと、を備える。

バッテリＥＣＵ基板６は、ＤＣ／ＤＣ変換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、・・・と、絶縁素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、・・・と、電源６０と、電源回路７０と、プロセッサ８０と、を備える。

電源６０は、電源回路７０に電圧を出力する。例えば、電源６０は、電源回路７０に１２ボルトの電圧を出力する。
電源回路７０は、電源６０が出力する電圧に基づいて、プロセッサ８０の動作に必要な電源電圧を生成する。例えば、電源回路７０は、電源６０が出力する１２ボルトの電圧から５ボルトの電圧を生成する。

プロセッサ８０は、ＤＣ／ＤＣ変換器４０ａがＡ／Ｄ変換回路３０２ａの電源電圧を生成するためのＰＷＭ信号を生成する。また、プロセッサ８０は、Ａ／Ｄ変換回路３０２ａによって変換された各電池セルの電圧情報を、絶縁素子５０ａを介して取得する。なお、プロセッサ８０は、Ａ／Ｄ変換回路３０２ａが各電池セルのセル電圧をサンプリングするタイミングを指示する指令信号を生成してもよい。

上記構成によれば、集積回路３０とプロセッサ８０との通信をワイヤレス通信とすることでセル電圧センサ基板７とバッテリＥＣＵ基板６との間の配線を省略することができるため、電圧検出装置１の構成をより簡略化することができる。
また、バッテリＢを構成するセル電圧センサ基板７の数を変更したばあいにおいても、セル電圧センサ基板７の増減により容易に対応が可能となる。

また、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とをベース部９の位置決めピン１１に取り付けることによってバッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とが平行に配置されるとともに、第一通信素子２５と第二通信素子２６とが対向するように配置される。これにより、第一通信素子２５と第二通信素子２６とのワイヤレス通信が可能となるため、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７とを有するユニットとしての電圧検出装置１を小型化することができる。

また、セル電圧センサ基板７に放電用抵抗器３１を実装するとともに、放電用抵抗器３１と金属製カバー４とをサーマルグリース３２によって接続する構成としたことによって、セル電圧センサ基板７から発生する熱はバッテリＥＣＵ基板６ではなく金属製カバー４に伝熱するため、電圧検出装置１の耐熱性を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、通信素子としてコア２７及びコイル２８を用いたが、基板に搭載可能でありワイヤレス通信が可能な通信装置であればこれに限ることはない。例えば、通信素子としては、マイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）のようなアンテナや、発光素子及び受光素子などの通信素子の採用も可能である。

（第二実施形態）
図４に示すように、本実施形態の電圧検出装置１ＢのバッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７との間には、樹脂製カバー３４が介在している。樹脂製カバー３４は、バッテリＥＣＵ基板６が取り付けられた樹脂製ケース３にバッテリＥＣＵ基板６を覆うようにボルトのような締結手段を用いて取り付けられている。
セル電圧センサ基板７は、樹脂製カバー３４に設けられている第二支持部３６の第二支持面３７及び樹脂製ケース３のウォール部１０に支持されており、少なくとも一部が第二支持面３７にボルトのような締結手段を用いて固定されている。第二支持面３７及びウォール部１０は、取り付けられたセル電圧センサ基板７がバッテリＥＣＵ基板６と平行に配置されるように形成されている。

樹脂製カバー３４は、樹脂製ケース３に樹脂製カバー３４を取り付けた上で金属製カバー４を取り付けることによって、基板収容空間５を第一基板収容空間５ａと第二基板収容空間５ａｂとに分割するように形成されている。樹脂製ケース３と樹脂製カバー３４とによって形成される第一基板収容空間５ａには、バッテリＥＣＵ基板６が収容される。樹脂製カバー３４と金属製カバー４によって形成される第二基板収容空間５ｂにはセル電圧センサ基板７が収容される。

樹脂製カバー３４は、樹脂製カバー３４を樹脂製ケース３に取り付けることによって、樹脂製ケース３のベース部９及びバッテリＥＣＵ基板６と平行に配置される板形状の樹脂製カバー本体３５を有している。樹脂製カバー本体３５は、バッテリＥＣＵ基板６と樹脂製カバー本体３５との間の間隔と、セル電圧センサ基板７と樹脂製カバー３４との間の間隔とが、略同一となるように形成されている。樹脂製カバー本体３５の厚さは、通信素子２５，２６の通信可能距離や、各基板の発熱の程度、電圧検出装置１Ｂの寸法などによって適宜設定される。
このように、樹脂製カバー３４が形成されていることによって、本実施形態の第一通信素子２５と第二通信素子２６との間には、絶縁樹脂として機能する樹脂製カバー本体３５が配置される。

上記実施形態によれば、バッテリＥＣＵ基板６とセル電圧センサ基板７との間に絶縁樹脂として機能する樹脂製カバー本体３５が配置されることによって、セル電圧センサ基板７と、バッテリＥＣＵ基板６とを熱的に分離することができる。発熱する放電用抵抗器３１が実装されたセル電圧センサ基板７と、バッテリＥＣＵ基板６とを分離することによって、バッテリＥＣＵ基板６に搭載するプロセッサなどの部品の動作を保証する温度範囲を狭くすることができる。即ち、より安価な部品の採用が可能となり、電圧検出装置１Ｂのコストダウンを図ることができる。また、プロセッサなどの部品の動作を保証する温度範囲を狭くすることで、検出精度などの性能を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

１，１Ｂ…電圧検出装置３…樹脂製ケース４…金属製カバー５…基板収容空間６…バッテリＥＣＵ基板（制御回路用基板）７…セル電圧センサ基板（電圧検出回路用基板）８…カバー面９…ベース部１０…ウォール部１１…位置決めピン１２…電池セル群１７…位置決め孔２２…位置決め孔２５…第一通信素子２６…第二通信素子２７…コア２８…コイル２９…絶縁樹脂３０…集積回路（電圧検出回路）３１…放電用抵抗器３２…サーマルグリース３４…樹脂製カバー３５…樹脂製カバー本体４０…ＤＣ／ＤＣ変換器８０…プロセッサ（制御回路）

Claims

バッテリを構成する複数の電池セル群毎に設けられ、前記電池セル群の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路に対して絶縁されているとともに、前記電圧に基づいて前記バッテリを制御する制御回路と、を有する電圧検出装置において、
前記制御回路が搭載される制御回路用基板と、
前記制御回路用基板に実装される第一通信素子と、
前記電圧検出回路が搭載され、前記制御回路用基板と平行に配置される電圧検出回路用基板と、
前記電圧検出回路用基板に実装され、前記第一通信素子と非接触で通信が可能な第二通信素子と、
前記制御回路用基板及び前記電圧検出回路用基板の載置が可能な樹脂製ケースと、
前記樹脂製ケースと共に前記制御回路用基板を収容する第一基板収容空間を形成する樹脂製カバーと、
前記樹脂製カバーと共に前記電圧検出回路用基板を収容する第二基板収容空間を形成する金属製カバーと、
前記電圧検出回路用基板に実装されると共に前記金属製カバーに接し、過充電状態となった前記電池セルを放電させる放電用素子とを備え、
前記第一通信素子と前記第二通信素子とが前記樹脂製カバーを介して対向するように配置されていることを特徴とする電圧検出装置。
前記電圧検出回路用基板は、前記制御回路用基板よりも小さく形成され、複数が前記制御回路用基板の長手方向に整列させて収容されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。