JP4818218B2 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両に搭載されて車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしているバッテリと、このバッテリの出力側に接続しているコンタクタと、コンタクタをオンに切り換える前に負荷のコンデンサーを充電するプリチャージ回路と、バッテリの電流を検出する電流センサと、この電流センサの信号を検出すると共に、コンタクタをオンオフに制御する制御回路を備えている。（特許文献１参照）

この電源装置は、発熱部品であるコンタクタやプリチャージ回路を実現するプリチャージ抵抗とプリチャージリレー等のパワー部品と、発熱の少ない制御回路などを分離しながら、ノイズの影響を少なくして正確にバッテリの電流を検出するのが極めて難しい。さらに、この電源装置は、高電圧なバッテリに接続される高電圧回路と、車両の車載バッテリで駆動される低電圧回路とを互いに絶縁して配置することが要求される。高電圧回路をシャーシアースに接続しないことで安全性を高くするからである。低電圧回路のグランドラインは車両のシャーシアースに接続されることから、高電圧回路を低電圧回路に接続すると、高電圧回路がシャーシアースに接続されてしまう。高電圧回路をシャーシアースから絶縁するために、高電圧回路と低電圧回路とを絶縁している。

バッテリに接続される高電圧回路のパワー部品を専用の基板であるパワー基板に実装し、低電圧回路である制御回路を制御基板に実装し、パワー基板と制御基板はワイヤハーネスで接続し、制御基板において高電圧回路と低電圧回路とを絶縁して配線し、さらに、パワー基板と制御基板とをワイヤハーネスで接続して、発熱部品であるパワー部品を分離して配置しながら、高電圧回路と低電圧回路とを絶縁して配置できる。
特開２００５−２６９７４２号公報

しかしながら、パワー基板を制御基板から分離し、パワー基板と制御基板をワイヤハーネスで接続する構造は、パワー基板から制御基板に伝送される信号がノイズの影響を受けやすい。とくにワイヤハーネスが誘導ノイズの影響を受けやすく、パワー基板の電流センサから制御基板に伝送する信号がノイズの影響を受けやすい。電流センサに接続しているワイヤハーネスがノイズの影響を受けると、正確に電流を検出できなくなる。制御回路は、電流センサの信号でバッテリの状態を検出する。すなわち、制御回路は、バッテリの電流を積算して残容量を演算し、残容量でバッテリを充放電する電流をコントロールしている。ノイズで電流を正確に検出できなくなると、バッテリの状態を正確に判定できず、バッテリを正常な状態でコントロールできなくなる。この弊害を避けるために、制御回路は、バッテリの電流を正確に検出することが大切である。ノイズでバッテリの状態を正確に検出できなくなると、バッテリを理想的な状態で充放電できなくなって寿命を短くする。さらに、バッテリを所定の残容量の範囲で充放電できなくなるので、バッテリを充放電できる実質的な容量が少なくなってしまう。

さらに、ワイヤハーネスは、コネクタを介してパワー基板や制御基板に接続されることから、コネクタの接触不良や接触抵抗の変化が検出精度を低下させる原因となる。とくに、ワイヤハーネスを介して電流センサから制御回路に信号される信号はこの影響を受けやすい。それは、信号レベルが低いのでＳ／Ｎ比が小さくなり、また電力レベルが低いことから、コネクタの接点に十分な電流を流すことができないからである。

さらに、パワー基板と制御基板とを別々に配置してワイヤハーネスで接続する構造は、パワー基板と制御基板とをワイヤハーネスで接続してキャリブレーションする。電流センサの測定精度を向上するためである。キャリブレーションは、特定のパワー基板と制御基板とをワイヤハーネスで接続した状態で行われるので、組み合わせるパワー基板と制御基板が異なると、測定精度が低下してしまう。このため、ワイヤハーネスで接続するパワー基板と制御基板が変更されると、測定精度が低下する欠点もある。

本発明は、従来の電源装置が有する以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、パワー部品と制御回路などの部品を理想的な状態で配置しながら、パワー基板から制御基板に電流センサの信号を正確に伝送でき、また、キャリブレーションされた状態で常に高い精度で電流を検出できる車両用の電源装置を提供することにある。

本発明の請求項１の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ２３に電力を供給するバッテリ１と、このバッテリ１に接続してなるパワー部品４及び電池の電流センサ５を実装しているパワー基板２と、このパワー基板２の電流センサ５を接続してなる制御回路を実装する制御基板３と、パワー基板２と制御基板３を連結する連結ロッド１８とを備える。パワー基板２の電流センサ５は、金属ロッドからなるハードワイヤー１４を介して制御回路に接続している。この電源装置は、このハードワイヤー１４及び連結ロッド１８を介して制御基板３とパワー基板２とを一体構造に連結している。

本発明の請求項２の車両用の電源装置は、制御基板３を、ハードワイヤー１４を介してパワー基板２と平行に連結している。

本発明の請求項３の車両用の電源装置は、パワー基板２と制御基板３とを連結する複数の連結ロッド１８を備えている。

本発明の請求項４の車両用の電源装置は、連結ロッド１８を介して制御基板３の四隅部をパワー基板２に連結している。

本発明の電源装置は、パワー部品と制御回路などの部品を理想的な状態で配置しながら、パワー基板から制御基板に電流センサの信号を正確に伝送できる特徴がある。それは、本発明の電源装置が、バッテリに接続しているパワー部品と電池の電流センサをパワー基板に実装し、このパワー基板の電流センサを接続している制御回路を制御基板に実装すると共に、ハードワイヤーを介して、あるいはハードワイヤーを介することなく直接に制御基板をパワー基板に電気的に接続しながら、物理的に連結してパワー基板と制御基板を一体構造に連結しているからである。

金属ロッドからなるハードワイヤーは、ワイヤハーネスに比較してノイズレベルを低減して電流センサの信号を制御回路に伝送できる。とくに、本発明の請求項１の電源装置は、ハードワイヤーを介してパワー基板を制御基板に連結することから、ハードワイヤーを短い金属ロッドとして、パワー基板と制御基板を最適な位置に配置できる。パワー基板と制御基板とを所定の位置に配置して、これらの基板にコネクタを介してワイヤハーネスを接続する従来の構造は、コネクタを脱着し、また接続する信号でワイヤハーネスに無理な力が作用しないように、ワイヤハーネスを長くする必要がある。これに対して、金属ロッドからなるハードワイヤーを介して、パワー基板と制御基板とを電気接続しながら、物理的に連結する電源装置は、ハードワイヤーでもって電流センサと制御回路とを最短距離で接続して、誘導ノイズの影響を少なくできる。また、ハードワイヤーは、コネクタを介することなく直接にパワー基板と制御基板とに連結できるので、コネクタによる接触不良や接触抵抗の変化が皆無になり、長期間にわたってバッテリの状態を正確に検出できる特徴がある。

とくに、制御基板をパワー基板に直接に連結している本発明の請求項３の電源装置は、ワイヤハーネスを介することなく、制御基板を直接にパワー基板に接続しているので、電流センサと制御回路とをさらに最短距離に接続して、誘導ノイズの影響をさらに少なくできる特徴がある。

また、本発明の電源装置は、ハードワイヤーを介してパワー基板と制御基板とを一体構造とし、あるいは制御基板をパワー基板に直接に連結して一体構造とし、両者を一体構造とする状態で電流センサのキャリブレーションをできることから、キャリブレーションされた状態で、パワー基板と制御基板とが交換されることがなく、パワー基板と制御基板とを１組のアッセンブリーとして、つねに高い精度で電流を検出できる特徴も実現される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１と図３の分解斜視図に示す車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ２３に電力を供給するバッテリ１と、このバッテリ１に接続してなるパワー部品４及び電池の電流センサ５を実装しているパワー基板２、３２と、このパワー基板２、３２の電流センサ５を接続してなる制御回路を実装する制御基板３、３３とを備える。

パワー基板２、３２は、絶縁プレート１０にパワー部品４を固定している。絶縁プレート１０は、絶縁性の熱伝導性樹脂からなる絶縁板１２の表面に、１〜４ｍｍの厚さの金属板を所定の幅に切断している導電板１１を固定して、裏面には金属板からなるベースプレート１３を積層している。この絶縁プレート１０は、パワー部品４の発熱を効率よく放熱できる特徴がある。それは、パワー部品４の熱が、熱伝導性樹脂を介して裏面のベースプレート１３に効率よく伝導されてベースプレート１３から放熱されるからである。また、この絶縁プレート１０は、裏面をベースプレート１３で補強して機械的な強度も向上できる特徴がある。導電板１１は、絶縁板１２を成形する工程でインサートされて表面に固定され、また、絶縁板１２の内部に、ベースプレート１３から絶縁して埋設される。

絶縁プレート１０の上面には、パワー部品４を固定している。パワー部品４は、一対のコンタクタ６と、負荷２０に並列に接続しているコンデンサー２１を充電するプリチャージ回路を実現するプリチャージリレー７及びプリチャージ抵抗８と、バッテリ１に流れる電流を検出する電流センサ５である電流検出抵抗９である。これ等のパワー部品４は、導電板１２にスポット溶接して固定される。

コンタクタ６は、バッテリ１の正負の出力端子に接続される。このコンタクタ６は、車両のイグニッションスイッチをオンとする状態でオン状態に切り換えられて、バッテリ１を負荷２０に接続する。また、イグニッションスイッチがオフに切り換えられると、コンタクタ６もオフに切り換えられて、バッテリ１を負荷２０に接続しない状態とする。コンタクタ６は、励磁コイルへの通電を制御してオンオフに切り変えられる。したがって、図１に示すパワー基板２に固定されるコンタクタ６の励磁コイルは、ハードワイヤー１４を介して制御基板３の制御回路に接続される。制御回路は、ハードワイヤー１４を介して励磁コイルの通電を制御してコンタクタ６の接点をオンオフに切り変える。

車両用の電源装置は、インバータ２２を介してモータ２３と発電機２４に接続される。インバータ２２は、バッテリ１側に大容量のコンデンサー２１を並列に接続している。大容量のコンデンサー２１は、コンタクタ６をオンに切り換えるときに大電流を流してコンタクタ６の接点を溶着する原因となる。この弊害を防止すめためにプリチャージ回路を備えている。プリチャージ回路は、プリチャージ抵抗６とプリチャージリレー７との直列回路からなり、パワー基板２、３２に実装されている。

電流センサ５は、バッテリ１と直列に接続している電流検出抵抗９と、この電流検出抵抗９の両端電圧を増幅するアンプ１９とを備える。電流検出抵抗９は、バッテリ１に流れる電流に比例する電圧が発生する。電流検出抵抗９は、できるかぎり低い電気抵抗の抵抗器である。電気抵抗に比例して消費電力が大きくなるからである。電流検出抵抗９の消費電力は、それ自体を発熱させると共に、バッテリ１の電力を効率よく負荷２０に供給できなくするからである。電流検出抵抗９は、電流に比例した電圧が両端に発生する。すなわち、電流検出抵抗９の両端電圧は、電気抵抗と電流に比例する。低抵抗な電流検出抵抗９は両端電圧が低くなる。低い電圧では高い精度で電流を検出できないので、電流検出抵抗９の両端電圧はアンプ１９で増幅される。増幅された両端電圧はＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換される。制御回路は、デジタル信号に変換された電流信号を演算して、バッテリ１の残容量を演算する。

電流検出抵抗９の両端電圧は微弱な電圧であるから、誘導ノイズの影響を受けやすい。また、アンプ１９の出力も誘導ノイズの影響を受けやすい。それは、アンプ１９の消費電力が制限されることから、出力インピーダンスを十分に低くできないからである。このため、電流センサ５は、誘導ノイズの影響を少なくして、電流信号を制御回路に入力することが大切である。

電源装置は、電流センサ５の一部である電流検出抵抗９をパワー基板２、３２に実装してアンプ１９を制御基板３、３３に実装している。ただし、パワー基板に電流検出抵抗とアンプの両方を実装することもできる。電流センサ５の一部である電流検出抵抗９をパワー基板２、３２に実装して、アンプ１９を制御基板３、３３に実装する電源装置は、ハードワイヤー１４を介してパワー基板２の電流検出抵抗９を制御基板３のアンプ１９に接続し、あるいはパワー基板３２に直接に制御基板３３を連結して、電流検出抵抗９をアンプ１９に接続する。この電源装置は、アンプ１９を発熱部品のパワー部品４から分離して制御基板３、３３に実装するので、アンプ１９の熱による弊害、たとえば温度ドリフトの影響を少なくして安定に電流を検出できる。電源装置は、電流検出抵抗とアンプの両方をパワー基板に実装することもできるが、この装置は、ハードワイヤーを介してアンプの出力を制御基板に接続し、あるいはパワー基板に直接に制御基板を連結してアンプの出力を制御基板に接続する。この電源装置は、アンプで増幅された信号を制御基板に出力するので、誘導ノイズの影響をより少なくできる。

制御基板３、３３はプリント基板で、制御回路を実現するマイコン１５を実装している。さらに、図の制御回路は、車両側の制御回路に接続するためのワイヤハーネスを連結するコネクタ１６を上面に固定している。マイコン１５は、電流センサ５から入力される電流信号を演算してバッテリ１の残容量を演算する。残容量は、充電電流の積算値を加算し、放電電流の積算値を減算して演算される。さらに、制御回路は、演算された残容量に基づいてバッテリ１の電流をコントロールする。たとえば、制御回路は、バッテリ１の残容量が最高値になると充電電流を制限あるはい停止し、反対に残容量が最低値になると放電電流を制限あるいは停止して、バッテリ１の残容量の所定の範囲に保持しながら充放電させる。

パワー基板２、３２と制御基板３、３３は、信号線を介して電気接続される。信号線は、パワー基板２、３２の電流センサ５を制御回路に接続する。また、信号線は、制御回路をコンタクタ６やプリチャージリレー７に接続して、コンタクタ６やプリチャージリレー７をオンオフに切り換える。さらに、信号線は、パワー基板２、３２と制御基板３、３３との間で伝送される電気信号を伝送する回路に接続される。

図１と図２の電源装置は、パワー基板２と制御基板３とを連結するハードワイヤー１４を信号線に併用する。言い換えると信号線をパワー基板２と制御基板３とを連結するロッドに併用する。この電源装置は、パワー基板２と制御基板３を、金属ロッドからなる複数のハードワイヤー１４で連結している。ハードワイヤー１４は、下端を絶縁プレート１０に固定している。図１と図２のハードワイヤー１４は、垂直な姿勢で下端を絶縁プレート１０に固定している。ハードワイヤー１４は、パワー基板２を制御基板３に接続し、かつ物理的に連結するものであるから、下端をパワー部品４に電気接続し、かつ絶縁プレート１０に固定している。ハードワイヤー１４は、絶縁プレート１０の表面に設けた導電板１１を介してパワー部品４に接続される。電流センサ５を制御回路に接続する一対のハードワイヤー１４は、下端を電流センサ５に接続している。

ハードワイヤー１４は、その下端を絶縁プレート１０に埋設してパワー基板２に固定され、あるいは絶縁プレート１０に固定している導電板１１にハンダ付け又は溶接して固定される。さらに、ハードワイヤー１４は、その上端を制御基板３に設けた貫通孔１７に挿通して制御基板３に固定され、また、制御基板３の導電部にハンダ付けして電気接続される。図１の電源装置は、複数本のハードワイヤー１４を、所定の間隔で平行な姿勢として同一面に配置して、パワー基板２と制御基板３とに連結している。図１の電源装置は、複数本のハードワイヤー１４を介してパワー基板２と制御基板３とを連結し、さらに、連結ロッド１８を介してパワー基板２と制御基板３とを連結している。図の電源装置は、連結ロッド１８を介して制御基板３の四隅部をパワー基板２に連結している。この電源装置は、ハードワイヤー１４と連結ロッド１８の両方で、制御基板３をパワー基板２にしっかりと強固に連結できる。

図３と図４の電源装置は、パワー基板３２に直接に制御基板３３を連結している。この電源装置は、コンタクタ６と、プリチャージ抵抗８と、プリチャージリレー７と、電流センサ５である電流検出抵抗９をパワー基板３２に実装し、電流検出抵抗９の電圧を増幅するアンプ１９と制御回路を制御基板３３に実装している。ただし、電流検出抵抗とアンプの両方をパワー基板に実装することもできる。

図のパワー基板３２は、制御基板３３を連結するためのコネクタ３４を上面に固定している。このコネクタ３４に制御基板３３が挿入されて、パワー基板３２に制御基板３３が連結される。制御基板３３は、コネクタ３４に挿入される挿入部分に接続端子３５を設けている。コネクタ３４は、制御基板３３の挿入部３３Ａを挿入する保持凹部３４Ａを有する。この保持凹部３４Ａは、ここに挿入される制御基板３３の挿入部３３Ａを両面から弾性的に挟着して、制御基板３３を所定の姿勢に、図４においてパワー基板３２に垂直な姿勢で保持する。さらに、コネクタ３４の保持凹部３４Ａは、ここに挿入される挿入部３３Ａの接続端子３５に接触する位置に接点３６を設けている。

この電源装置は、制御基板３３の挿入部３３Ａをコネクタ３４の保持凹部３４Ａに挿入して、接続端子３５を接点３６に電気接続する。また、制御基板３３の挿入部３３Ａがコネクタ３４の保持凹部３４Ａに挿入されて、パワー基板３２に垂直な姿勢に連結される。図の電源装置は、パワー基板３２にコネクタ３４を固定し、このコネクタ３４に制御基板３３の挿入部３３Ａを挿入して連結される。この構造の電源装置は、制御基板３３を簡単に、しかも脱着できるようにパワー基板３２に連結でき。ただし、本発明の電源装置は、コネクタを使用することなく、パワー基板に連結具を介して制御基板を連結し、パワー基板と制御基板とをリード線やリード板で電気接続することもできる。

本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の分解斜視図である。 図１に示す車両用の電源装置の垂直断面図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の分解斜視図である。 図３に示す車両用の電源装置の垂直断面図である。

符号の説明

１…バッテリ
２…パワー基板
３…制御基板
４…パワー部品
５…電流センサ
６…コンタクタ
７…プリチャージリレー
８…プリチャージ抵抗
９…電流検出抵抗
１０…絶縁プレート
１１…導電板
１２…絶縁板
１３…ベースプレート
１４…ハードワイヤー
１５…マイコン
１６…コネクタ
１７…貫通孔
１８…連結ロッド
１９…アンプ
２０…負荷
２１…コンデンサー
２２…インバータ
２３…モータ
２４…発電機
３２…パワー基板
３３…制御基板 ３３Ａ…挿入部
３４…コネクタ ３４Ａ…保持凹部
３５…接続端子
３６…接点

Claims (8)

1. 車両を走行させるモータ(23)に電力を供給するバッテリ(1)と、このバッテリ(1)に接続してなるパワー部品(4)及び電池の電流センサ(5)を実装しているパワー基板(2)と、このパワー基板(2)の電流センサ(5)を接続してなる制御回路を実装する制御基板(3)とを備える車両用の電源装置であって、
   前記パワー基板(2)と前記制御基板(3)を連結する連結ロッド(18)を有し、
   前記パワー基板(2)の電流センサ(5)が金属ロッドからなるハードワイヤー(14)を介して前記制御回路に接続されると共に、このハードワイヤー(14)及び前記連結ロッド(18)を介して制御基板(3)とパワー基板(2)とを一体構造に連結してなる車両用の電源装置。
2. 前記制御基板(3)がハードワイヤー(14)を介して前記パワー基板(2)と平行に連結されてなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記連結ロッド(18)を複数備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の車両用の電源装置。
4. 前記連結ロッド(18)は、前記制御基板(3)の四隅部に備えられることを特徴とする請求項３記載の車両用の電源装置。
5. 電流センサ(5)がバッテリ(1)と直列に接続している電流検出抵抗(9)と、この電流検出抵抗(9)の両端電圧を増幅するアンプ(19)とを備え、電流検出抵抗(9)がパワー基板(2)、(32)に実装され、アンプ(19)が制御基板(3)、(33)に実装されてなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
6. 電流センサがバッテリと直列に接続している電流検出抵抗と、この電流検出抵抗の両端電圧を増幅するアンプとを備え、電流検出抵抗とアンプがパワー基板に実装されてなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
7. 前記パワー基板(2)、(32)が、絶縁性のある熱伝導性樹脂に導電板(11)を固定してなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
8. 前記パワー基板(2)、(32)が、熱伝導性樹脂の裏面に金属板からなるベースプレート(13)を積層している請求項７に記載される車両用の電源装置。

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