JP6430218B2 - 電池制御装置およびそれを用いた二次電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電池制御装置、およびそれを用いた二次電池システムに関する。

現在、地球環境問題が大きくクローズアップされる中、地球温暖化防止の為に、あらゆる場面で炭酸ガスの排出削減が求められており、炭酸ガスの大きな排出源となっているガソリンエンジンの自動車については、ハイブリッド電気自動車や電気自動車などへの代替が始まっている。

ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に代表される大型二次電池は、高出力で大容量であることが必要である為、それを構成する電池モジュールは複数の電池を直並列接続して構成する。

二次電池であるリチウムイオン電池は、高電圧充電の防止や過放電による性能低下の防止などの適切な二次電池の使いこなしが必要となる。このため、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される二次電池システムには、電池の状態である電圧、電流、温度などを検出する電池制御装置がある。

図１に、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される二次電池システム８００の構成を示す。この図に示すように、１つまたは複数の単電池１０で構成された電池群１１が電池制御装置８５０と接続され、電池制御装置８５０が１つまたは複数の単電池１０で構成された電池群１１の状態を検出する。さらに、この電池情報から電池容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）や電池劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を演算し、車両制御コントローラ８１０等に演算結果を通知する。車両制御コントローラは、この演算結果に基づいてリレーボックスを介して接続されるインバータ８３０や、インバータ８３０と接続されるモータ８４０を制御する。

この電池群１１には、電池群１１に流れる電流を検知するための電流センサ（シャント抵抗等）が直列に接続されている（図１には図示せず）。この電流センサは、マイコン等が実装される電池制御基板上に配置される。特にこの電流センサから得られる情報は、電池のＳＯＣやＳＯＨを演算するのに用いられるため、正確である必要がある。

図２（ａ）は特許文献１に記載のシャント抵抗１００近傍の上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示したものである。特許文献１には、に示すように、電池に流れる電流を検知するためのシャント抵抗の検出端子１５０が、電池制御基板２００に４箇所で固定される構成が開示されている。このような構成にすることにより、シャント抵抗と電池制御基板間の距離を最小限に出来るので、通電により生じるノイズを小さくすることができる。そのため、電流センサから得られる情報がより高精度なものとなる。

特表２００３−５１３５９６号公報

特許文献１に記載の発明のように、電池とシャント抵抗間をバスバーやハーネスにより接続する場合には、シャント抵抗の端部にはバスバーやハーネスが接続される。そのため、バスバーやハーネスの自重等で電池とシャント抵抗間の接続部に応力がかかり、シャント抵抗と電池制御基板間の接続部にトルクや歪が発生する。シャント抵抗と電池制御基板間の接続部にトルクや歪が発生した場合には、電流センサから得られる情報にノイズがのってしまい、得られる情報の精度が低下してしまう恐れがある。

一方で、この歪を小さくするためにシャント抵抗と電池制御基板間の接続部の面積を大きくさせると電流ノイズの低減効果が小さくなり、得られる情報の精度が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記課題に基づき、シャント抵抗と電池制御基板間の接続部の面積を大きくすることなく接続部にかかる応力や歪を低減し、得られる情報の精度を向上させた電池制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電池制御装置は以下の構成を持つ。

一つまたは複数個の単電池を備える電池群に接続されて用いられる電池制御装置であって、前記電池制御装置は、電圧を検出する検出部が配置された電池制御基板と、前記電池群の電流が流れ、かつ前記電池制御基板と接続されるシャント抵抗とを有し、前記シャント抵抗は、前記電池制御基板と接続される機械固定部と、前記電池制御基板と接続される検出端子を有することを特徴とする電池制御装置。

本発明を用いることによって、バスバーとシャント抵抗素子間にトルクがかかった時、検出端子にかかる応力を低減することができ、基板とシャント抵抗間の接合強度低下によるノイズの抑制が出来る。

電池システムの概略図。 （ａ）は特許文献１に記載のシャント抵抗近傍の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 電池群及びそれに接続される電池制御装置の構造を示す図。 二次電池システムの構成の一部を示す図。 シャント抵抗１００の近傍の概略を示す図。 （ａ）〜（ｅ）は図６を用いてシャント抵抗１００に電池制御基板２００を固定するまでの手順を説明する図。 第一の実施形態の第一の変形例。 第一の実施形態の第二の変形例。 第一の実施形態の第三の変形例。 （ａ）は第二の実施形態にかかる電池制御基板周辺の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図 （ａ）は第二の実施形態の変形例の電池制御基板周辺の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

＜第一の実施形態＞
本発明の実施例である電池制御装置８５０の構成を以下に述べる。

図３に、電池群１１及びそれに接続される電池制御装置８５０の構造を示す。電池制御装置８５０は、各単電池１０のセル電圧を検出するセル電圧検出部２０、電池群１１の電圧を検出する総電圧検出部３０、電池群１１に流れる電流を検出するシャント抵抗１００、シャント抵抗１００に流れる電流を検出する電流検出部４０、並びにセル電圧検出部２０、総電圧検出部３０及び電流検出部４０で得られた情報を元に電池状態の推定を行い、車両制御コントローラ８１０に情報を出力するマイコン５０を有する。シャント抵抗１００は電池群１１と直列に接続されることによって、電池群１１に流れる電流を検出できるようになっている。

電池制御装置８５０には、電池群１１は含まれない。

なお、セル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、電流検出部４０、マイコン５０及びシャント抵抗１００の一部は一つの電池制御基板２００上に配置される。

図４に、本実施例の電池制御装置８５０を用いた二次電池システム８００の構成例の一部を示す。この二次電池システム８００は、一つまたは複数の単電池１０を有する電池群１１、シャント抵抗１００、シャント抵抗１００に取り付けられる電池制御基板２００、及びこれらを覆う筐体３００から構成される。

電池群１１は複数個直列に接続された単電池１０を有し、各単電池１０はバスバー４００を介して接続される。また、単電池１０の一部はバスバー４００でシャント抵抗１００と接続されている。この時、単電池１０同士の接続方向とシャント抵抗１００の長手方向は互いに垂直方向である。

単電池１０としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等二次電池に加え、燃料電池やキャパシタを搭載した場合並びにこれらを組み合わせた場合のいずれの場合にも適用できる。また、本実施形態では、バスバーでシャント抵抗を接続した例を示すが、ハーネス、ケーブル、コネクタのいずれで接続してもよい。また、図４では、電池群１１として単電池１０を複数個使用したものを示しているが、１個の単電池１０で構成される電池群１１あっても構わない。

本明細書においては、電池群１１とは、１つまたは複数の単電池１０を備えたものと定義する。

図５に、シャント抵抗１００の近傍の概略を示す。シャント抵抗１００は、バスバー４００を介して単電池１０と接続される電池接続部１１０、筺体３００と接続される筺体接続部１２０、電池制御基板２００と機械的に接続する機械固定部１３０、電池制御基板２００とはんだ１４０で電気的に接続される検出端子１５０の４箇所を有する。この図では、筺体３００としてベース３１０及びカバー３２０を設け、両者にシャント抵抗１００を接続する例を示すが、ベースとカバーのいずれかのみでシャント抵抗を固定しても構わない。

また、図５では、シャント抵抗１００と筺体３００、シャント抵抗１００と電池制御基板２００との固定はいずれもネジ止めにより接続しているが、溶接等の別の接続方法を用いてもよいし、シャント抵抗１００とバスバー４００及びハーネスが一体化したものでもよい。

電池制御基板２００とシャント抵抗１００との間には、バスバー４００とシャント抵抗１００が接続される際、又は使用時の振動等によってせん断力が働くことがある。本発明では、電池制御基板２００とシャント抵抗１００との接続が、検出端子１５０だけでなく機械固定部１３０によっても行われている。そのため、シャント抵抗１００がバスバー４００に取り付けられる際や、使用時の振動等によって生じる力を、検出端子１５０で受けるのではなく、機械固定部１３０で受けることができ、検出端子１５０と電池制御基板２００を接続するはんだ１４０の割れや剥離を防止できる。従って、電流検出の際に、検出端子１５０の接続不良によるノイズ等を防止することができ、電流値を高精度に検出することができる。

また、本発明では検出端子１５０よりも機械固定部１３０の方が電池接続部１１０に近い構成となっている。言い換えると、検出端子１５０と電池接続部１１０との間に機械固定部１３０が配置される構成となっている。このような構成にすることによって、電池接続部１１０に大きなトルクが加わった場合、検出端子１５０のはんだ１４０に力が加わる前に、機械固定部１３０で確実に力を受けることができる。そのため、よりはんだ１４０の割れや剥離を防止することが出来る。

また、本発明では検出端子１５０の径よりも機械固定部１３０の径の方が大きい構成となっている。そのため、電池接続部１１０に大きなトルクや力が加わった場合、検出端子１５０のはんだ１４０で力を受ける前に、機械固定部１３０で確実に力を受けることができる。さらに、機械固定部１３０の径を大きくしたことによって、機械固定部１３０の強度自体も増す。そのため、よりはんだ１４０の割れや剥離を防止することが出来る構造となる。

続いて図６を用いてシャント抵抗１００に電池制御基板２００を固定するまでの手順を説明する。まず図６（ａ）に示すように、電池制御基板２００に電流検出部４０、セル電圧検出部２０（本図では不図示）、総電圧検出部３０（本図では不図示）に相当する部品を実装する。次に図６（ｂ）に示すように、部品実装した電池制御基板２００とシャント抵抗１００を、機械固定部１３０でネジ止めにより接続する。この状態でシャント抵抗１００と電池制御基板２００の位置が固定される。そして図６（ｃ）に示すように、シャント抵抗１００上に設けた検出端子１５０と電池制御基板２００がはんだ１４０により局所的に接続される。このような手順によって電池制御基板２００とシャント抵抗１００は接続される。続いて図６（ｄ）に示すように、シャント抵抗１００にカバー３２０及びベース３１０が筺体接続部１２０で固定され、筺体３００が形成される。最後に図６（ｅ）に示すように、電池接続部１１０を介してシャント抵抗１００にバスバー４００が接続される。このようにしてシャント抵抗１００に電池制御基板２００が設けられ、さらに筺体３００が形成されたものが完成する。

以上のように、ネジ止めによる機械固定部１３０と検出端子１５０の２箇所により電池制御基板２００とシャント抵抗１００を接続することで、力学的な固定の役割を検出端子１５０に任せる必要が無くなる。そのため、検出端子１５０の径を小さくできるので電流ノイズを低減することができる。さらに、検出端子１５０は径が小さく、局所的なはんだ接合により電気的な接続が可能となるので、電池制御基板２００上の部品に熱ストレスを与えずにシャント抵抗１００を電池制御基板２００に接続できる。

さらに、本実施例の構成によれば、筐体接続部１２０が、機械固定部１３０と電池接続部１１０との間に配置されているため、組立てやすいという効果がある。すなわち、筐体接続部１２０がこのように配置されているために、図６の手順に示した通り、電池制御基板２００とシャント抵抗１００とを接続・固定した後に、筐体３００内に設置することが可能になる。

続いて本実施形態の第一の変形例を図７に示す。図７は、シャント抵抗１００に筺体３００を接続せずに、電池制御基板２００とバスバー４００のみをシャント抵抗１００に接続させた時の電池制御装置８５０を示す図である。この時、バスバーに矢印の方向で力Ｆが加わると、シャント抵抗１００が図７の下方向に凸に変形する。そのため、端子の細い検出端子１５０に応力がかかり、検出端子１５０のはんだ１４０の接合部が破断する危険性がある。

本変形例では、筺体３００が無かったとしてもシャント抵抗１００を機械固定部１３０で固定しているため、検出端子１５０にかかる応力を低減することができ、検出端子１５０のはんだ１４０の接合部の破断を抑制することができる。

また、これは変形例に限ったことではないが、本実施例では機械固定部１３０が、電池制御基板２００と密着する頭部１３０ａ及びシャント抵抗１００と密着する固定部１３０ｂを有しており、頭部１３０ａと固定部１３０ｂによって電池制御基板２００とシャント抵抗１００とが挟持されているため、シャント抵抗１００の反りが機械固定部１３０で食い止められることになる。従って、検出端子１５０のはんだ１４０の接合部の破断をより抑制することができる。なお、固定部１３０ｂはシャント抵抗１００と密着する構造とするのが最も好ましいが、シャント抵抗１００の反りを規制できる程度であれば、多少シャント抵抗１００の表面と離れていたとしても問題ない。

続いて本実施形態の第二の変形例について説明する。第二の変形例では、電池制御基板の構造を凸形状とし、凸部に検出端子１５０及び機械固定部１３０を設けている。

図８は本実施形態の第二の変形例にかかる電池制御装置８５０を用いた、二次電池システムの一部を示す図である。実施形態は、上述したように電池制御基板２１０の一部に凸部２１０ａを設けた点を特徴としている。

凸部２１０ａにはシャント抵抗１００の検出端子１５０、及び機械固定部１３０が配置される。図４と同様に、シャント抵抗、電池制御基板、電池が配列した構成であり、電池同士の接続方向とシャント抵抗の長手方向は互いに垂直方向である。しかし、本変形例では、シャント抵抗の大きさが電池の大きさに比べ小さい構造としている。このため、電池制御基板２１０に凸部２１０ａを設け、凸部２１０ａにシャント抵抗１００を配置することとした。このような構造にすることによって、電池のサイズがシャント抵抗と大きく異なる場合でも電池制御装置８５０を組み上げることができる。

なお、凸部２１０ａの形状は図８の形状に限定されるものではなく、例えば図１０に示したようにＬ字形であってもよい。あるいは、６角形や円形の電池制御基板２００に凸部２１０ａを設けた形状であってもよい。これらの形状であっても上記の効果を得ることができる。

続いて本実施形態の第三の変形例について説明する。第三の変形例では、電池制御基板２００を単電池１０の側面に配置している。

図９は本実施形態の第三の変形例に係る二次電池システムの一部を示す図である。本変形例の単電池１０は、立方体形状又は直方体形状をしており、上面１０ａ、底面１０ｂ、上面１０ａ及び底面１０ｂに繋がる側面１０ｃを有している。本変形例では、電池制御基板２００を単電池１０の上面から突出させるのではなく、電池制御基板２００を単電池１０の側面１０ｃに接着した。このような構造にすることによって、電池制御基板２００を単電池１０から突出させて配置する必要がなくなるため、余分なスペースを設けることなくコンパクトにシャント抵抗１００を配置することが出来る。

なお、シャント抵抗１００の電池接続部１１０を単電池１０の端子に直接接続するよう、シャント抵抗の電池接続部と筺体接続部の間に９０°傾斜をつけた構造とすることにより、本変形例の二次電池システムを作成することができる。

＜第二の実施形態＞
続いて第二の実施形態の電池制御装置８５０について説明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、セル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０を磁気遮蔽板５００で覆った点が、第一の実施形態と異なる。なお、第一の実施形態と同様の構成については、第一の実施形態で用いた図面番号と同様の図面番号を用いている。

図１０（ａ）は本実施形態にかかる電池制御基板２００の周辺を上面から見た図である。シャント抵抗１００と電池制御基板２００との接続、シャント抵抗１００と筺体３００との接続については第一の実施形態と特に変わらない。しかし、本実施形態では、セル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０が磁気遮蔽板５００で覆う構成としている。シャント抵抗１００に通電するとシャント抵抗１００の周囲に電流による磁界が発生し、電池制御基板２００上に搭載したセル電圧検出部２０、電池群１１の総電圧を計測する総電圧検出部３０、総電圧検出部３０で得た情報をもとに電池の状態を推定するマイコン５０に悪影響を及ぼす可能性がある。特に、セル電圧検出部２０は数ｍＶ単位で電圧を観測する必要があるため、シャント抵抗１００から発生する磁界の影響による電圧誤差が非常に大きくなるものと考えられる。本実施例では磁界の影響を回避するため、セル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０を覆うように磁気遮蔽板５００を設けた。

図１０（ｂ）に図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図を示すものである。図１０（ｂ）に図示するように、磁気遮蔽板５００は筺体３００の外周に配置される構造となっている。磁気遮蔽板５００は、例えば筺体３００に設けられた仕切り板３００ａに磁気遮蔽板５００の突出部５００ａが接続されることによって固定される。また、本構造の場合、筺体３００と仕切り板３００ａで作る閉空間の中にセル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０が収納され、さらにその閉空間を覆うように磁気遮蔽板５００が配置される構造となっている。そのため、磁界に対する遮蔽を二重で行える構造となっており、よりセンサへの磁界の影響を少なくすることが出来る。

磁気遮蔽板５００には、磁化率(χ）が１０以上の材料を用いる。本明細書では、磁化率χが１０以上の材料を磁性体と呼ぶ。磁化率χの材料は、比透磁率μr＝（χ＋１）になる。すなわち、磁化率が１０以上の材料（磁性体）では、空気中や非磁性体材料と比べて磁束を１１倍以上通しやすい性質を持つ。このため、磁化率が１０以上の材料を磁気遮蔽板５００として用いることにより、上記の効果を得ることが出来る。

磁気遮蔽板５００の材料には、例えば鉄（χ=５０００）、珪素鋼（χ＝７０００）、パーマロイ（χ＝４００００〜１０００００）、ミューメタル（χ＝１０００００）等を用いるとよい。本実施例では、価格が安く製作が容易な鉄を用いた。

また、磁気遮蔽板を筺体と一体のものとして設置することも可能である。図１１（ａ）は磁気遮蔽板５００と筺体３００とを一体のものとして設置した場合の電池制御基板２００の周辺図の上面図である（図１０の変形例）。磁気遮蔽板５００が筺体３００と一体となり、筺体３００の内部側に配置されている点が図１０の構造と異なる。図１０と同様に、セル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０が、筺体３００と一体となった磁気遮蔽板５００で、シャント抵抗からの磁気の影響を遮断している。

図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示した図のＡ−Ａ断面図である。図１１（ｂ）に示すように、磁気遮蔽板５００は筺体３００の内部で一体化されており、セル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０を覆っている。なお、磁気遮蔽板５００は、突出部５００ａを有しており、突出部５００ａの先端は電池制御基板２００と接触するように配置される。このような配置、つまりセル電圧検出部２０、総電圧検出部３０、及びマイコン５０が電池制御基板２００と磁気遮蔽板５００で作る閉空間に収納される配置をとることよって、磁気遮蔽板５００の使用量を図１０の構造よりも抑えつつ、確実に磁界の影響を抑えることが可能となる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０・・・単電池
１１・・・電池群
１００・・・シャント抵抗
１１０・・・電池接続部
１２０・・・筺体接続部
１３０・・・機械的固定部
１４０・・・はんだ
１５０・・・検出端子
２００・・・電池制御基板
３００・・・筺体
３１０・・・ベース
３２０・・・カバー
８００・・・二次電池システム
８５０・・・電池制御装置

Claims (6)

1. 一つまたは複数個の単電池を備える電池群に接続されて用いられる電池制御装置であっ
   て、
   前記電池制御装置は、
   電圧を検出する検出部が配置された電池制御基板と、
   前記電池群の電流が流れ、かつ前記電池制御基板と接続されるシャント抵抗とを有し、
   前記シャント抵抗は、前記電池制御基板と接続される機械固定部と、前記電池制御基板と接続される検出端子を有し、
   前記機械固定部の径は、前記検出端子の径よりも大きく、
   前記シャント抵抗は、前記電池と電気的に接続される電池接続部を有し、
   前記機械固定部は前記検出端子と前記電池接続部との間に配置され、
   前記電池制御基板は凸部を有し、
   前記凸部に前記機械固定部、及び前記検出端子が配置されることを特徴とする電池制御装置。
2. 一つまたは複数個の単電池を備える電池群に接続されて用いられる電池制御装置であっ
   て、
   前記電池制御装置は、
   電圧を検出する検出部が配置された電池制御基板と、
   前記電池群の電流が流れ、かつ前記電池制御基板と接続されるシャント抵抗とを有し、
   前記シャント抵抗は、前記電池制御基板と接続される機械固定部と、前記電池制御基板と接続される検出端子を有し、
   前記検出部は筺体の中に配置され、さらに磁化率が１０以上の材料で構成される磁気遮蔽板で覆われることを特徴とする電池制御装置。
3. 請求項２に記載の電池制御装置において、
   前記筺体は仕切り板を有し、
   前記検出部は前記筺体と前記仕切り板とで形成される閉空間の中に配置され、
   前記閉空間を覆うように前記磁気遮蔽板が配置されることを特徴とする電池制御装置。
4. 請求項２に記載の電池制御装置において、
   前記磁気遮蔽板は突出部を有し、
   前記突出部は前記電池制御基板と接触するように配置され、前記磁気遮蔽板と前記電池制御基板とで閉空間を形成し、
   前記検出部は前記閉空間に配置されることを特徴とする電池制御装置。
5. 一つまたは複数の単電池を備えた電池群と、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池制御装置とを備えた二次電池システム。
6. 請求項５に記載の二次電池システムにおいて、
   前記単電池は上面、底面、並びに前記上面及び前記底面と接続される側面を有し、
   前記電池制御基板は前記側面に配置されることを特徴とする二次電池システム。