(57)【要約】【課題】はんだ接合部が外力や熱疲労などの影響で経年変化により劣化するという問題があった。【解決手段】電流信号取出部材３３ａ、３３ｂのノックピンを第１、第２のバスバー基材１４、１５に設けられた穿孔に圧入することにより、両者を機械的に強固に結合すると共に、電気的な接触抵抗を最小限にする。電流信号取出部材３３ａ、３３ｂの平端子をコネクタ３４ａ、３４ｂに差し込むことによって、平端子の湾曲部がコネクタ３４ａ、３４ｂの凸状の平板バネと嵌合し、両者を機械的に結合すると共に、電気的な接触抵抗を最小限にする。電流検出装置１は、電流信号取出部材３３ａ、３３ｂの一端がノックピンにより強固に、他端がコネクタによりフレキシブルに接続されているので、振動など外力や熱疲労などの影響を受けにくい。【選択図】 図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャント抵抗体と、前記シャント抵抗体の両端部にそれぞれ接合され、前記シャント抵抗体よりも低い抵抗値を有する材料から構成される第１および第２のバスバー基材と、を有するシャント抵抗付電流伝達部材と、
前記シャント抵抗体に流れる電流を検出する電流検出回路が搭載された基板と、
前記第１および第２のバスバー基材に設けられた穿孔にそれぞれ圧入された第１および第２の電流信号取出部材と、
前記電流検出回路と前記第１および第２の電流信号取出部材とをそれぞれ接続して前記シャント抵抗体に流れる電流に応じた電流信号を前記電流検出回路へ伝達する第１および第２の電流信号伝達部材と、
を備える電流検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流検出装置において、
前記第１および第２の電流信号取出部材は、一端が前記第１および第２のバスバー基材に設けられた穿孔にそれぞれ圧入されるノックピンであり、他端が前記基板に設けられたコネクタにそれぞれ接続される端子であり、
前記第１および第２の電流信号伝達部材は、前記電流検出回路と前記コネクタとをそれぞれ接続して前記電流信号を前記電流検出回路へ伝達する電流検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電流検出装置において、
前記第１および第２の電流信号取出部材の前記一端と前記他端の間に、湾曲部がそれぞれ形成されている電流検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電流検出装置において、
前記第１および第２の電流信号取出部材は、一端が前記第１、第２のバスバー基材に設けられた穿孔にそれぞれ圧入されるノックピンと、前記ノックピンの他端に接続されたボンディングワイヤとをそれぞれ有し、
前記第１および第２の電流信号伝達部材は、前記電流検出回路と前記ボンディングワイヤとをそれぞれ接続して前記電流信号を前記電流検出回路へ伝達する電流検出装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電流検出装置において、
前記電流検出回路は、前記シャント抵抗体と対向して配置されている電流検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電流検出装置において、
前記基板は、前記シャント抵抗付電流伝達部材に、機械的締結部材により固定されている電流検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電流検出装置において、
前記基板と前記シャント抵抗付電流伝達部材との間には熱伝導絶縁部材が介装されている電流検出装置。
【請求項８】
請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載の電流検出装置において、
前記シャント抵抗付電流伝達部材の両端に接続される二次電池を有し、
前記シャント抵抗付電流伝達部材は、前記二次電池の電気的中性点に配置される電流検出装置。
【請求項９】
請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載の電流検出装置において、
前記電流検出回路、および前記シャント抵抗体を覆う外装部を有し、
前記外装部は、前記シャント抵抗付電流伝達部材に設けた凹部に嵌合されている電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池に流れる電流を測定するために電流検出装置が用いられている。電流検出装置は、二次電池と直列に接続されているシャント抵抗の両端の電圧から電流を検出する。特許文献１では、電圧電流バスバーの一方の取付片からベース部を経由して他方の取付片に至る領域がシャント抵抗として用いられる。そして、電圧電流バスバーの一対の取付片がＦＰＣ基板の導電性プレートにはんだ付けされる。このような電流検出装置はハイブリッド自動車や電気自動車に搭載され、その使用環境は振動や熱などの影響を受ける過酷な状況下にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１１/１０５０９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した、特許文献１に記載の装置では、はんだ接合部が外力や熱疲労などの影響で経年変化により劣化するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による電流検出装置は、シャント抵抗体と、前記シャント抵抗体の両端部にそれぞれ接合され、前記シャント抵抗体よりも低い抵抗値を有する材料から構成される第１および第２のバスバー基材と、を有するシャント抵抗付電流伝達部材と、前記シャント抵抗体に流れる電流を検出する電流検出回路が搭載された基板と、前記第１および第２のバスバー基材に設けられた穿孔にそれぞれ圧入された第１および第２の電流信号取出部材と、前記電流検出回路と前記第１および第２の電流信号取出部材とをそれぞれ接続して前記シャント抵抗体に流れる電流に応じた電流信号を前記電流検出回路へ伝達する第１および第２の電流信号伝達部材と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、外力や熱疲労などの影響を受けにくい電流検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】電動車両用電池システムの構成図である。
【図２】バッテリ制御装置が実行する充放電特性を示す図である。
【図３】電流検出装置の回路構成を示す図である。
【図４】シャント抵抗体の温度補正を示す図である。
【図５】シャント抵抗付バスバーの構成を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）電流検出装置の第１の構成を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）電流検出装置の第２の構成例を示す図である。
【図８】電流検出装置の第３の構成例を示す図である。
【図９】電流検出装置を覆う外装部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本発明の一実施形態による電動車両用電池システムの構成図である。
図１において、電流検出装置１は、二次電池セル群２、３の中点に配置する。二次電池セル群２、３は、低電圧系ＧＮＤに対して絶縁することでフローティング化されて充放電可能とされる。これにより、電流検出装置１には、二次電池セル群２、３の総電圧であるＶoutの１／２の電圧が印加されるが、総電圧Ｖout自体がフローティング電位であるため、電流検出装置１の電位は、低電圧系ＧＮＤから見ると同電位（＝仮想0Ｖ）に見えるので、電流検出装置１と、低電圧ＧＮＤとの間の絶縁距離を最少に出来る。
【０００９】
電流検出装置１は、第１、第２のバスバー基材１４、１５とシャント抵抗体１６を一体化して成り、電流検出回路１７を備える。電流検出回路１７は、シャント抵抗体１６に対向して正面に設けられ、シャント抵抗体１６の両端電圧をシャント抵抗１６に流れる電流に応じた電流信号としてシャント抵抗１６から受け取り、二次電池セル群２、３に流れる電池電流Ｉoutを検出する。電流検出回路１７には、温度センサ１２の信号が入力され、電流検出回路１７は、検出した電流値等をバッテリ制御装置１３に伝達する。二次電池セル群２、３による総電圧Ｖoutは総電圧検出装置１０により検出され、バッテリ制御装置１３に伝達される。
【００１０】
二次電池セル群２、３の一端には、プリチャージ抵抗４を介してプリチャージリレー５と正極側メインリレー６とが並列に、二次電池セル群２、３の他端には、負極側メインリレー７が接続される。バッテリ制御装置１３は、プリチャージリレー５、または正極側メインリレー６、並びに、負極側メインリレー７の接点をＯＮさせることで、二次電池セル群２、３による総電圧Ｖoutをインバータ装置８に供給する。  
【００１１】
インバータ装置８は、インバータ制御部８１、インバータ駆動回路８２より成る。インバータ制御部８１は、インバータ駆動回路８２を構成するスイッチング素子へＰＷＭの駆動信号を出力する。インバータ駆動回路８２は、上アームと呼ばれるスイッチング素子と、下アームと呼ばれるスイッチング素子とを上下直列に接続した、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームにより構成される。上下アームの両端には、二次電池セル群２、３による総電圧Ｖoutが印加されている。上下アームの接続点には、モータ９の巻き線が接続され、上下アームを交互にＯＮさせて巻き線に流す電流を制御してモータ９を駆動する。
【００１２】
バッテリ制御装置１３には、スイッチ１８、１９を介して電源、およびイグニション信号が入力されると共に、通信回線を介して上位の制御装置と情報の授受を行っている。バッテリ制御装置１３は、電流検出装置１から二次電池セル群２、３に流れる電池電流Ｉoutの情報（電流の大きさと電流方向を示す情報）を入手し、総電圧検出装置１０から得た総電圧Ｖoutの情報（電圧の大きさ、変動状況等）並びに、各二次電池セル群２、３に設けた温度センサ１１ａ〜１１ｄから得る電池温度情報を基に、各二次電池セル群２、３が、図２に示す充放電特性を満たすよう常に監視している。
【００１３】
図２は、バッテリ制御装置１３が実行する充放電特性の一例を示す図である。縦軸に充放電電流を、横軸に充放電継続時間を示す。バッテリ制御装置１３は、充放電継続時間が長いほど充放電電流を低く抑えるように充放電電流の制限を行う。
【００１４】
また、バッテリ制御装置１３は、各二次電池セル群２、３が異常状態（過充電圧状態、短絡を含む過放電状態、異常温度状態等）にあると判断された場合は、状況に応じて電池電流Ｉoutを絞る警告を発すると共に、正極側メインリレー６（またはプリチャージリレー５）並びに、負極側メインリレー７をＯＦＦ制御することで、充放電動作を強制的に中止させ、二次電池セル群２、３の異常を防止する。
【００１５】
更に、バッテリ制御装置１３は、二次電池セル群２、３における個々の二次電池セル間の電圧バラツキを一定範囲内に抑制するため、常に、二次電池セル毎の充放電制御を実施している。電流検出装置１が二次電池セル群２、３の中性点に位置しているため、電流検出装置１が有する二次電池セル群２、３との接続経路インピーダンスが均等になるので、二次電池セル群２、３の間に電流検出装置１が接続されていることによる二次電池セル毎の充放電制御への影響を最小に抑えることが出来る。
【００１６】
図３は、電流検出装置１の回路構成を示す図である。
図３において、電流検出回路１７は、高電圧側回路１７１と低電圧側回路１７２より成り、両者は絶縁通信素子２８によって分離されている。絶縁電源２７は、低電圧側回路１７２より入力された電源を高電圧側回路１７１の回路用の電源に変換する。
【００１７】
シャント抵抗付バスバー２０は、二次電池セル群２、３の電気的中性点に配置され、第１、第２のバスバー基材１４、１５とシャント抵抗体１６を一体化した構成である。電流検出回路１７は、バッファ回路２１、２２を介して、シャント抵抗体１６の両端電圧ΔＶＲsをシャント抵抗体１６に流れる電流に応じた電流信号として受け取り、可変増幅機能を有した差動増幅器２４へ入力する。差動増幅器２４にはマイコン２６から抵抗Ｒ３を介して駆動信号が入力され、シャント抵抗体１６から受け取った電流信号（＝シャント抵抗体１６の両端電圧ΔＶＲs）を増幅した後、Ａ／Ｄ素子２５を介してマイコン２６に逐次入力する。
【００１８】
マイコン２６は、入力された電流信号と、予め与えられたシャント抵抗体１６の抵抗値に相当する定数から、シャント抵抗付バスバー２０に流れる電池電流Ｉoutを逐次算出する。そして、その結果を所定の通信フォーマットに変換して、絶縁通信素子２８ａ、２８ｂ、およびＣＡＮ通信素子２９を通じて、バッテリ制御装置１３に逐次出力する。一方、バッテリ制御装置１３から絶縁通信素子２８ａ、２８ｂ、およびＣＡＮ通信素子２９を介してマイコン２６へ、電流検出装置１の動作を制御するための信号、例えば、測定開始指令等の信号が入力される。絶縁通信素子２８ａ、２８ｂにおいて、信号の入力側は、アンプ、変換器、トランスから成り、デジタル信号をアナログ信号に変換し、信号の出力側は、トランス、変換器から成り、アナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００１９】
また、マイコン２６は、シャント抵抗体１６の近傍に設けた温度センサ１２の信号に基づいてシャント抵抗体１６の温度を算出する。温度センサ１２の信号は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデンサＣ１から成る分圧回路を介してＡ／Ｄ素子２５へ入力される。Ａ／Ｄ素子２５は、マイコン２６より選択信号が入力されている場合に、温度センサ１２の信号をＡ／Ｄ変換してマイコン２６に逐次入力する。そして、マイコン２６は、シャント抵抗体１６の温度補正を行う。
【００２０】
図４は、マイコン２６が行うシャント抵抗体１６の温度補正を示す。図４において、縦軸はシャント抵抗体１６の抵抗値、横軸は温度である。図中の特性３０は補正前のシャント抵抗体１６の特性を示しており、特性３１が補正後のシャント抵抗体１６の特性を示している。特性３０で示す補正前のシャント抵抗体１６の抵抗値は、温度に応じて、特性３１で示すシャント抵抗体１６の抵抗値に補正される。なお、温度補正は、必ずしもマイコン２６で行わなくてもよく、バッテリ制御装置１３やその他の外部装置で行ってもよい。
【００２１】
図５（ａ）、（ｂ）は、シャント抵抗付バスバー２０の構成を示すもので、図５（ａ）は、シャント抵抗体１６を一体化する前を、図５（ｂ）は、シャント抵抗体１６を一体化した構成を示す。
シャント抵抗付バスバー２０は、銅-ニッケル合金の如き微小な電気抵抗を有する材料から構成されたシャント抵抗体１６と、シャント抵抗体１６よりも低い抵抗値を有する銅合金の如き材料から構成される第１、第２のバスバー基材１４、１５とより構成される。図５（ａ）に示すように、シャント抵抗体１６と、第１、第２のバスバー基材１４、１５との境界部で、溶接あるいは圧着して接合する。そして、図５（ｂ）に示すように、シャント抵抗付バスバー２０として一体化した構造となる。
【００２２】
図６（ａ）、（ｂ）は、電流検出装置１の第１の構成例を示すもので、図６（ａ）は、電流検出装置１を一体化する前を、図６（ｂ）は、電流検出装置１を一体化した構成を示す。
電流検出回路基板３２は、電流検出回路１７、コネクタ３４ａ、３４ｂ、および配線１７ａ、１７ｂを搭載する。コネクタ３４ａ、３４ｂは、配線１７ａ、１７ｂによって電流検出回路１７とそれぞれ接続される。コネクタ３４ａ、３４ｂは、内部に両側から凸状の平板バネを対向させた端子を有し、後述するように電流信号取出部材３３ａ、３３ｂの平端子がそれぞれ差し込まれると、差し込まれた平端子を両側から挟み込む。これにより、コネクタ３４ａ、３４ｂおよび配線１７ａ、１７ｂを介して、電流検出回路１７と電流信号取出部材３３ａ、３３ｂとがそれぞれ電気的に接続され、シャント抵抗体１６に流れる電流に応じた電流信号が電流検出回路１７へ伝達される。
【００２３】
電流検出回路基板３２とシャント抵抗付バスバー２０との間には、硝子エポキシ等の基板用基材、または銅-モリブデン合金、アルミナ、またはシリコン等の絶縁性を有しながら熱伝導性を有する熱伝導絶縁材３７を介装する。なお、熱伝導絶縁材３７の代用として、片面基板化した電流検出回路基板３２を用いてもよい。
【００２４】
電流信号取出部材３３ａ、３３ｂは、第１、第２のバスバー基材１４、１５と電気的性質が近似している材料から構成される。電流信号取出部材３３ａ、３３ｂは、一端が第１、第２のバスバー基材１４、１５に設けられた穿孔にそれぞれ圧入されるノックピンであり、他端がコネクタ３４ａ、３４ｂにそれぞれ差し込まれて接続される平端子である。ノックピンは、先端が小径で円筒状であり、平行ピン、テーパピンの何れでもよい。電流信号取出部材３３ａ、３３ｂにおいて、ノックピンと平端子の間には、応力緩和のための湾曲部がそれぞれ形成されている。
【００２５】
電流信号取出部材３３ａ、３３ｂのノックピンを第１、第２のバスバー基材１４、１５に設けられた穿孔にそれぞれ圧入することにより、電流信号取出部材３３ａ、３３ｂと第１、第２のバスバー基材１４、１５とをそれぞれ機械的に強固に結合すると共に、これらの電気的な接触抵抗を最小限にすることができる。また、電流信号取出部材３３ａ、３３ｂの平端子をコネクタ３４ａ、３４ｂにそれぞれ差し込むことによって、これらの平端子がコネクタ３４ａ、３４ｂの凸状の平板バネとそれぞれ嵌合し、電流信号取出部材３３ａ、３３ｂとコネクタ３４ａ、３４ｂとをそれぞれ機械的に結合すると共に、これらの電気的な接触抵抗を最小限にすることができる。このようにして、図６（ｂ）に示すように、電流検出回路基板３２と熱伝導絶縁材３７とシャント抵抗付バスバー２０とが一体化されて電流検出装置１が構成される。電流検出回路１７は、シャント抵抗体１６と対向して配置される。電流検出装置１は、電流信号取出部材３３ａ、３３ｂの一端がノックピンにより強固にシャント抵抗付バスバー２０と接続され、他端が平端子およびコネクタ３４ａ、３４ｂにより湾曲部を介してフレキシブルに電流検出回路基板３２と接続されているので、振動など外力や熱疲労などの影響を受けにくい。
【００２６】
図７（ａ）、（ｂ）は、電流検出装置１の第２の構成例を示すもので、図７（ａ）は、電流検出装置１を一体化する前を、図７（ｂ）は、電流検出装置１を一体化した構成を示す。
電流検出回路基板３２は、電流検出回路１７、および配線１７ａ、１７ｂを搭載し、穴４２ａ、４２ｂが設けられている。電流検出回路基板３２とシャント抵抗付バスバー２０との間には、硝子エポキシ等の基板用基材、または銅-モリブデン合金、アルミナ、またはシリコン等の絶縁性を有しながら熱伝導性を有する熱伝導絶縁材３７を介装する。なお、熱伝導絶縁材３７の代用として、片面基板化した電流検出回路基板３２を用いてもよい。
【００２７】
ノックピン３５ａ、３５ｂは、第１、第２のバスバー基材１４、１５と電気的性質が近似している材料から構成される。ノックピン３５ａ、３５ｂの一端が第１、第２のバスバー基材１４、１５に設けられた穿孔にそれぞれ圧入され、他端が穴４２ａ、４２ｂにそれぞれ差し込まれる。ノックピン３５ａ、３５ｂは、先端が小径で円筒状であり、平行ピン、テーパピンの何れでもよい。
【００２８】
ノックピン３５ａ、３５ｂを第１、第２のバスバー基材１４、１５に設けられた穿孔にそれぞれ圧入することにより、両者を機械的に強固に結合すると共に、電気的な接触抵抗を最小限にすることができる。そして、図６（ｂ）に示すように、電流検出回路基板３２と熱伝導絶縁材３７とシャント抵抗付バスバー２０とを一体化し、ノックピン３５ａ、３５ｂの他端と電流検出回路１７の配線１７ａ、１７ｂの端子との間をボンディングワイヤ３６ａ、３６ｂでそれぞれ接続する。この例では、電流信号取出部材は、ノックピン３５ａ、３５ｂとボンディングワイヤ３６ａ、３６ｂにより構成される。これにより、配線１７ａ、１７ｂを介して、電流検出回路１７と電流信号取出部材であるノックピン３５ａ、３５ｂおよびボンディングワイヤ３６ａ、３６ｂとがそれぞれ電気的に接続され、シャント抵抗体１６に流れる電流に応じた電流信号が電流検出回路１７へ伝達される。電流検出回路１７は、シャント抵抗体１６と対向して配置される。電流検出装置１は、電流検出回路基板３２とシャント抵抗付バスバー２０とがノックピン３５ａ、３５ｂにより強固に接続され、またノックピン３５ａ、３５ｂと電流検出回路１７の配線１７ａ、１７ｂとがボンディングワイヤ３６ａ、３６ｂによりフレキシブルにそれぞれ接続されているので、振動など外力や熱疲労などの影響を受けにくい。
【００２９】
図８は、電流検出装置１の第３の構成例を示す図である。
この第３の構成例では、第１の構成例で示したコネクタ３４ａ、３４ｂを用いた、または、第２の構成例で示したボンディングワイヤ３６ａ、３６ｂを用いた電流検出装置１において、固定ネジ４０を更に使用して電流検出回路基板３２とシャント抵抗付バスバー２０とを機械的に締結する。これにより、電気的接続部に機械的ストレスが加わらないようにして、機械的な強度を保つことができる。なお、固定ネジ４０の代用として、例えばハトメなど、他の機械的締結部材を使用しても良い。また、機械的強度が確保できるならば、第１の構成例または第２の構成例のままでもよい。
【００３０】
図９は、電流検出装置１を覆う外装部を示す図である。
図９に示すように、シャント抵抗付バスバー２０に溝、または切欠き２０ａを設け、電流検出装置１を覆う筐体よりなる外装部３９を溝、または切欠き２０ａに嵌合する。外装部３９は、電流検出装置１のみならずバッテリ制御装置１３をも覆う筐体であってもよい。これにより、外部からの粉塵や湿気が、電流検出装置１やバッテリ制御装置１３内部に侵入すること低減することが出来る。更に、外装部３９と溝、または切欠き２０ａとの嵌合部に、シリコンやエポキシ樹脂の如き防湿材を充填するか、ゴム製ブッシュを追加すると、更に効果的である。
【００３１】
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電流検出装置１は、シャント抵抗体１６と、シャント抵抗体１６の両端部にそれぞれ接合され、シャント抵抗体１６よりも低い抵抗値を有する材料から構成される第１、第２のバスバー基材１４、１５とを有するシャント抵抗付バスバー２０と、シャント抵抗体１６に流れる電流を検出する電流検出回路１７が搭載された電流検出回路基板３２と、第１、第２のバスバー基材１４、１５に設けられた穿孔にそれぞれ圧入された第１、第２のノックピン３５ａ、３５ｂと、電流検出回路１７と第１、第２のノックピン３５ａ、３５ｂとをそれぞれ接続してシャント抵抗体１６に流れる電流に応じた電流信号を電流検出回路１７へ伝達する第１、第２の配線１７ａ、１７ｂと、を備える。これにより、外力や熱疲労などの影響を受けにくい電流検出装置を提供することができる。
【００３２】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の構成例を組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１：電流検出装置
２、３：二次電池セル群
４：プリチャージ抵抗
５：プリチャージリレー
６：正極側メインリレー
７：負極側メインリレー
８：インバータ装置
９：モータ
１０：総電圧検出装置
１１ａ〜１１ｄ：温度センサ
１２：温度センサ
１３：バッテリ制御装置
１４、１５：バスバー基材
１６：シャント抵抗体
１７：電流検出回路
１８、１９：低電圧系電源スイッチ
２０：シャント抵抗付バスバー
２１、２２：バッファ回路
２４：差動増幅器
２５：Ａ／Ｄ素子
２６：マイコン
２７：絶縁電源
２８ａ、２８ｂ：絶縁通信素子
２９：ＣＡＮ通信素子
３２：電流検出回路基板
３３ａ、３３ｂ：電流信号取出部材
３４ａ、３４ｂ：コネクタ
３５ａ、３５ｂ：ノックピン
３６ａ、３６ｂ：ボンディングワイヤ
３７：熱伝導絶縁材
３９：外装部
４０：固定ネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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