WO2022074984A1 - 電池パック - Google Patents

Abstract

電池パック（１）は、バッテリ（３）と、バッテリ（３）の電圧および温度を検出するために使用されるフレキシブルプリント基板（７）とを備える。ＦＰＣ（７）は、表面および裏面を有する基材（７０）と、バッテリ（３）の温度を検出するためのサーミスタ（７９）と、温度検出線（７１）と、電圧検出線（７２）とを備える。温度検出線（７１）は、サーミスタ（７９）に電気的に接続され、裏面とバッテリ（３）との間に配置されている。電圧検出線（７２）は、裏面から表面に向けてＦＰＣ（７）を平面透視した場合に温度検出線（７１）に重なるように表面に配置されている。

Description

電池パック 関連出願の相互参照

　この出願は、２０２０年１０月６日に日本に出願された特許出願第２０２０－１６９１０９号を基礎としており、基礎の出願の内容を、全体的に、参照により援用している。

　本開示は、電池パックに関し、より特定的には、フレキシブルプリント基板を備えた電池パックに関する。

　近年、フレキシブルプリント基板であるＦＰＣが多くの電気機器に用いられている。ＦＰＣはFlexible　Printed　Circuitの略称である。ＦＰＣに配置された信号線などの配線パターンには電磁波ノイズが重畳する可能性がある。そのため、ノイズの重畳を抑制可能なＦＰＣが提案されている。

　たとえば特開２０１９－１９２８０６号公報（特許文献１）に開示されたＦＰＣは、一方向に延びた積層配線板と、シールドフィルムとを備える。このシールドフィルムでは、絶縁性の絶縁被覆層の片面に導電性のシールド層が形成されている。シールドフィルムは、積層配線板の上面および下面をシールド層側で覆うとともに、積層配線板の上面に平行な面内における他方向の両端面の少なくとも一部をシールド層側で覆うように構成されている。他方向は、上記の一方向に直交する方向である。

特開２０１９－１９２８０６号公報

　ＦＰＣのなかには温度検出線が配置されたものがある。温度検出線は、電気機器の温度を検出するためのサーミスタに電気的に接続されている。この温度検出線にノイズが重畳した場合、ノイズに起因する電流がサーミスタに流れることでサーミスタが発熱し得る。そうすると、組電池の温度に検出誤差が生じる可能性がある。電気機器は、たとえば電池パック内に配置された組電池である。

　特許文献１に開示のＦＰＣは、シールドフィルムによりノイズの重畳を抑制する。そのため、積層配線板の上面および下面（すなわちＦＰＣの表裏の両面）にシールド専用の層（シールド層）を追加することを要する。よってシールド層が設けられていない構造と比較すると、ＦＰＣのコストが増大し得る。コストを低減するため、より簡易な構成でノイズの重畳を抑制可能であることが望ましい。

　本開示は、かかる課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、フレキシブルプリント基板を備えた電池パックにおいて、温度検出線へのノイズの重畳を簡易な構成で抑制可能な技術を提供することである。

　本開示のある局面に従う電池パックは、組電池と、組電池に沿って配置され、組電池の電圧および温度を検出するために使用されるフレキシブルプリント基板とを備える。フレキシブルプリント基板は、表面（おもてめん）および裏面を有する基材と、組電池の温度を検出するためのサーミスタと、サーミスタに電気的に接続され、裏面と組電池との間に配置された温度検出線と、裏面から表面に向けてフレキシブルプリント基板を平面透視した場合に温度検出線に重なるように表面に配置された電圧検出線とを含む。

　上記構成において、電圧検出線は、フレキシブルプリント基板を平面透視した場合に温度検出線に重なるように配置されている。言い換えると、電圧検出線は、温度検出線を覆うように配置されている。つまり、温度検出線は、電圧検出線と電気機器との間に挟まれている。電圧検出線がシールドとして機能することで、温度検出線に重畳するノイズを抑制できる。このフレキシブルプリント基板は、シールド専用の層が設けられていない簡易な構成により実現されている。さらに、したがって、上記構成によれば、温度検出線へのノイズの重畳を簡易な構成で抑制できる。

　本開示によれば、フレキシブルプリント基板を備えた電池パックにおいて、温度検出線へのノイズの重畳を簡易な構成で抑制できる。

本開示の実施の形態に係るフレキシブルプリント基板が適用された車両の全体構成を概略的に示す回路ブロック図である。 バッテリの温度を検出するための回路構成の一例を示す回路ブロック図である。 電池パックの構成の一例を示す図である。 図３のＩＶ線に沿うカバー、セルおよびフレキシブルプリント基板の断面図である。 本実施の形態におけるフレキシブルプリント基板の外形の一例を模式的に示す平面図である。 温度検出線の配線パターンの一例を示す図である。 電圧検出線の配線パターンの一例を示す図である。 フレキシブルプリント基板に配置されたダミーパターンの一例を示す図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

　以下では、本開示に係るフレキシブルプリント基板が車両に適用される構成を例に説明する。しかし、本開示に係るフレキシブルプリント基板の用途は車両用に限定されるものではなく、電気機器全般が対象になり得る。

　［実施の形態］
　＜車両構成＞
　図１は、本開示の実施の形態に係るフレキシブルプリント基板が適用された車両の全体構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１を参照して、車両１００は、電池パック１を備える。電池パック１は、電池ＥＣＵ（Electronic　Control　Unit）２と、バッテリ３と、監視ユニット４とを含む。車両１００は、システムメインリレー（ＳＭＲ：System　Main　Relay）１０１と、コンバータ１０２と、インバータ１０３と、車両駆動部１０４とをさらに備える。

　電池ＥＣＵ２は、バッテリ３の状態を管理する。詳細には、電池ＥＣＵ２は、バッテリ３の電池残量（ＳＯＣ：State　Of　Charge）を算出したり、バッテリ３の劣化状態（ＳＯＨ：State　Of　Health）を推定したりする。

　バッテリ３は組電池である。組電池を構成する各単電池（セル）は、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池等の二次電池である。バッテリ３は、車両駆動部１０４に供給するための電力を蓄える。また、バッテリ３は、車両駆動部１０４により発電された電力によって充電される。なお、バッテリ３に代えて電気二重層キャパシタ等の大容量キャパシタを採用してもよい。

　監視ユニット４は、バッテリ３の状態を監視するための各種センサを含む。具体的には、監視ユニット４は、電圧センサと、電流センサと、温度センサ（いずれも図示せず）とを含む。電圧センサは、バッテリ３の電圧ＶＢを検出する。電流センサは、バッテリ３に入出力される電流ＩＢを検出する。温度センサは、バッテリ３の温度ＴＢを検出する。各センサは、その検出結果を示す信号を電池ＥＣＵ２に出力する。

　本実施の形態において、電池パック１は、カバー５と、複数のセル６と、ＦＰＣ７（いずれも図３参照）とを含む。ＦＰＣ７は、上記各センサから電池ＥＣＵ２への信号を伝送する。ＦＰＣ７の構成については後述する。

　ＳＭＲ１０１は、バッテリ３とコンバータ１０２との間に電気的に接続されている。ＳＭＲ１０１が導通することで、バッテリ３とコンバータ１０２との間の電力伝送が可能になる。

　コンバータ１０２は、ＳＭＲ１０１とインバータ１０３との間に電気的に接続されている。コンバータ１０２は、車両１００の走行駆動時には、バッテリ３から供給される直流電力の電圧を昇圧してインバータ１０３に出力する。車両１００の走行駆動時は、バッテリ３の放電時である。また、車両駆動部１０４の発電時（バッテリ３の充電時）には、インバータ１０３から供給される直流電力の電圧を降圧してバッテリ３に出力する。

　インバータ１０３は、コンバータ１０２と車両駆動部１０４との間に電気的に接続されている。インバータ１０３は、コンバータ１０２からの直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を車両駆動部１０４に出力する。車両駆動部１０４は、例えばモータジェネレータである。また、インバータ１０３は、車両駆動部１０４で発電された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をインバータ１０３に出力する。

　車両駆動部１０４は、車両１００を駆動するための装置である。車両駆動部１０４は、モータジェネレータを含む。車両駆動部１０４は、それ以外にもエンジン、動力分割装置および駆動輪（いずれも図示せず）などを含み得る。

　図２は、バッテリ３の温度ＴＢを検出するための回路構成の一例を示す回路ブロック図である。図２を参照して、ＦＰＣ７は、バッテリ３（後述するセル６）に設置されたサーミスタ７９を含む。サーミスタ７９は、たとえば負温度係数（ＮＴＣ：Negative　Temperature　Coefficient）サーミスタである。ただし、サーミスタ７９がＮＴＣサーミスタであることは必須ではない。

　サーミスタ７９と電池ＥＣＵ２とは、ＦＰＣ７に形成された温度検出線７１により電気的に接続されている。サーミスタ７９により検出されたバッテリ３の温度ＴＢは、温度検出線７１を介して、電池ＥＣＵ２内のＡ／Ｄコンバータ２０に伝送される。温度検出線７１の特徴については図５～図７にて詳細に説明する。

　＜電池パック構成＞
　図３は、電池パック１の構成の一例を示す図である。図３には電池パック１の側面図が模式的に示されている。図３以降の各図において、ｘ方向とｙ方向とｚ方向とは互いに直交する。ｘ方向およびｙ方向は水平方向である。鉛直方向はｚ方向下向きである。以下ではｚ方向上方を単に「上方」と記載し、ｚ方向下方を単に「下方」と記載する場合がある。図３に示すように、電池パック１は、カバー５と、複数のセル６と、ＦＰＣ７とを含む。

　カバー５は、複数のセル６の上方に配置されている。この例では、電池パック１の構造は密閉構造ではなく、水平方向（図２ではｘ方向）の両端が開放されている。そのため、電池パック１の外部で発生して水平方向に伝搬する電磁波ノイズが電池パック１の内部に侵入し得る。また、カバー５の材料が樹脂などの非金属である場合には、電池パック１が密閉構造を有していても電磁波ノイズの影響を受けやすい。

　複数のセル６は水平方向（ｘ方向）に配列されている。セル６の個数は特に限定されるものではないが、典型的には十数個～数百個である。図３には電池パック１を構成する多数のセル６のうちの一部が図示されている。

　ＦＰＣ７は、複数のセル６の直上に配置されている。ＦＰＣ７は、セル６とカバー５との間に配置されている。ＦＰＣ７は、前述のように、電圧センサおよびサーミスタ（図示せず）から電池ＥＣＵ２への信号を伝送する。

　図４は、図３のＩＶ線に沿うカバー５、セル６およびＦＰＣ７の断面図である。図４を参照して、ＦＰＣ７は、基材７０と、温度検出線７１と、電圧検出線７２と、カバーレイ７３，７４とを含む。

　基材７０は、薄く、かつ柔らかな（フレキシブルな）ベースフィルムである。また、基材７０は絶縁性を有する。基材７０の材料としては代表的にはポリイミドが用いられる。

　温度検出線７１は、銅箔等の導電性層に形成された配線パターンである。温度検出線７１は、基材７０の下方に配置されている。温度検出線７１は、基材７０の裏面に配置されている。

　電圧検出線７２は、温度検出線７１と同様に、導電性層に形成された配線パターンである。電圧検出線７２は、基材７０の上方に配置されている。電圧検出線７２は、基材７０の表面に配置されている。

　カバーレイ７３，７４の各々は、配線パターンを覆うカバーフィルムである。カバーレイ７３，７４は絶縁性を有する。カバーレイ７３，７４の材料としてもポリイミドを用いることができる。カバーレイ７３は、温度検出線７１のさらに下方に配置されている。カバーレイ７４は、電圧検出線７２のさらに上方に配置されている。

　＜ＦＰＣの配線パターン＞
　温度検出線７１に電磁波ノイズが重畳した場合、電流がサーミスタ７９を流れることでサーミスタ７９が発熱し得る。その結果、バッテリ３の温度ＴＢに検出誤差が生じる可能性がある。特に、図２にて説明したようにサーミスタ７９がＮＴＣサーミスタである場合、電磁波ノイズの重畳によりサーミスタ７９が発熱すると、サーミスタ７９の抵抗値が低下する。そうすると、電流がサーミスタ７９に一層流れやすくなるポジティブフィードバックが働き、サーミスタ７９が熱暴走を起こし得る。その結果、サーミスタ７９が破損する可能性もある。

　現在、様々なシールドフィルムが実用化されている。適切なシールドフィルム（図示せず）を選択してＦＰＣ７に設置することで、温度検出線７１への電磁波ノイズの重畳を抑制することも考えられる（たとえば特許文献１参照）。しかし、シールドフィルムを追加する場合、その分だけＦＰＣ７の部材コストおよび／または製造コストが増大し得る。コストを低減するため、より簡易な構成で電磁波ノイズの重畳を抑制可能であることが望ましい。

　そこで、本実施の形態においては、温度検出線７１を電圧検出線７２とバッテリ３（複数のセル６）とによって挟み込むことで、温度検出線７１への電磁波ノイズの重畳を抑制する構成を採用する。

　図５は、本実施の形態におけるＦＰＣ７の外形の一例を模式的に示す平面図である。図６は、温度検出線７１の配線パターンの一例を示す図である。図７は、電圧検出線７２の配線パターンの一例を示す図である。

　図４にて説明したように、温度検出線７１の配線パターンは基材７０の裏面（ＦＰＣ７の裏面）に配置されており、電圧検出線７２の配線パターンは基材７０の表面（ＦＰＣ７の表面）に配置されている。図６には、下方（裏面側）から上方（表面側）に向けてＦＰＣ７を見た場合に確認される、温度検出線７１の配線パターンが示されている。一方、図７には、下方から上方に向けてＦＰＣ７を平面透視した場合に確認される、電圧検出線７２の配線パターンが示されている。

　図６および図７から理解されるように、温度検出線７１の配線パターンと電圧検出線７２の配線パターンとは、配置された面が基材７０の表面と裏面とで異なるものの、概ね一致している。これにより、電圧検出線７２とセル６とによって両側から温度検出線７１を挟み込む構造が実現されている。

　電圧検出線７２は、温度検出線７１を電気的に遮蔽するシールド線として機能し、温度検出線７１の耐ノイズ性を向上させる。その一方で、電磁波ノイズが電圧検出線７２に重畳する可能性がある。電圧検出線７２に重畳した電磁波ノイズは、電圧検出線７２に重畳する電磁波ノイズと同様に、電池ＥＣＵ２まで伝送され得る。しかし、電池ＥＣＵ２に到達した電磁波ノイズは、電池ＥＣＵ２に適切なフィルタ回路（図示せず）を設けることで、電圧ＶＢの検出誤差が問題にならないレベルにまで低減可能である。そして、当該フィルタ回路は、一般的なＲＣ回路でよいので、シールドフィルムよりも安価に実現できる。したがって、本実施の形態によれば、電磁波ノイズ対策に要するコストを削減できる。

　また、バッテリ３の電圧ＶＢを検出するための電圧検出線７２にはサーミスタは接続されていない。そのため、たとえ電磁波ノイズが電圧検出線７２に重畳したとしても、電磁波ノイズが温度検出線７１に重畳する状況と異なり、サーミスタの発熱は起こらない。ひいては、熱暴走によるサーミスタの破損は起こらない。したがって、本実施の形態によれば、より確実にサーミスタ７９を保護できる。

　なお、図６および図７では、電圧検出線７２により温度検出線７１を遮蔽する構成を説明したが、電圧検出線７２に代えて、信号伝送に用いられない配線パターン（いわゆるダミーパターン）を設けてもよい。

　図８は、ＦＰＣ７に配置されたダミーパターンの一例を示す図である。図８には図７と同様に、下方から上方に向けてＦＰＣ７を平面透視した場合に確認される配線パターンが示されている。図８に示すように、温度検出線７１の配線パターンを覆うようにダミーパターン７５を設けることも可能である。図示しないが、ダミーパターン７５に代えてまたは加えて、たとえばセル判別信号線またはグランド線などを用いてもよい。

　ただし、ダミーパターン７５は、電圧検出線７２と比べて、より広い配線面積を要する。そのため、電圧検出線７２を利用することで、配線をレイアウトする面積の余裕がない領域においても温度検出線７１の耐ノイズ性を向上させることが可能になる。

　以上のように、本実施の形態においては、ＦＰＣ７を平面透視した場合に温度検出線７１に重なるように電圧検出線７２が配置されている。言い換えると温度検出線７１を覆うように電圧検出線７２が配置されている。このように温度検出線７１が電圧検出線７２とセル６との間に挟まれた構成とすることで、電圧検出線７２がシールド線の機能を果たすので、温度検出線７１の耐ノイズ性を向上させることができる。また、ＦＰＣ７は、シールド専用のシールド層（シールドフィルムなど）が設けられていない簡易な構成であるため、低コストで製造可能である。したがって、本実施の形態によれば、温度検出線７１への電磁波ノイズの重畳を簡易な構成で抑制できる。

　なお、本実施の形態では、温度検出線７１がバッテリ３の温度ＴＢの検出に用いられる構成について説明した。しかし、温度検出線７１は、たとえば、電池パック１を冷却するための冷却風の吸気温度を検出するのに用いられてもよい。また、ＦＰＣ７の設置箇所はバッテリ３の上面に限らず、バッテリ３の側面または下面であってもよいし、バッテリ３を収容する金属ケースの表面（ひょうめん）などであってもよい。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (1)

1. 　組電池と、
   　前記組電池に沿って配置され、前記組電池の電圧および温度を検出するために使用されるフレキシブルプリント基板とを備え、
   　前記フレキシブルプリント基板は、
   　表面および裏面を有する基材と、
   　前記組電池の温度を検出するためのサーミスタと、
   　前記サーミスタに電気的に接続され、前記裏面と前記組電池との間に配置された温度検出線と、
   　前記裏面から前記表面に向けて前記フレキシブルプリント基板を平面透視した場合に前記温度検出線に重なるように前記表面に配置された電圧検出線とを含む、電池パック。

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