JP5698615B2

JP5698615B2 - 混成回路

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Publication number: JP5698615B2
Application number: JP2011142597A
Authority: JP
Inventors: 佳浩河村
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2015-04-08
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Description

本発明は、互いの電源電圧が異なる高圧系回路と低圧系回路の混成回路に関するものである。

互いの電源電圧が異なる高圧系回路と低圧系回路の混成回路においては、従来から、例えば、特開平１１−１７６４７９号公報（特許文献１）、及び、特開２００６−００９６８７号公報（特許文献２）に記載された混成回路が提案されている。特許文献１及び特許文献２では、高圧系回路と低圧系回路を別々の基板に実装し、階層状に重ねて配置することにより、基板の配置面積の増大を抑制している。

特開平１１−１７６４７９号公報特開２００６−００９６８７号公報

上述したように高圧系回路と低圧系回路の混成回路が使用される分野の一例として、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ、エンジンとモータ−ジェネレータの併用車）が挙げられる。これらの車両では、従来のエンジンを動力源とする車両と同じ電圧（例えば、実効電圧１２Ｖ）で作動する低圧系回路が、制御系や車内電装品に関連して設けられる。また、低圧系回路よりも高い（例えば、実効電圧２００Ｖ）電圧で作動する高圧系回路が、動力源であるモータ（又はモータジェネレータ）やその周辺機器に関連して設けられる。

上述した電気自動車やハイブリッド車の混成回路においては、回路及び基板の設計上、ショートによる異常放電を防止するための対策が特に重要となる。それは、車両に搭載されるバッテリが鉛蓄電池から電圧の高いリチウムイオン電池に移行することに起因する。つまり、リチウムイオン電池では、異常放電により生じる電池機能のダメージが鉛蓄電池に比べて大きく、また、異常放電時の自身や配線の発熱も鉛蓄電池の場合に比べて高いからである。

また、車両以外の分野でも、高圧系回路と低圧系回路の混成回路は、低圧系回路を単独で基板に実装する場合に比べて、回路及び基板の設計において、より一層ショートを防止できるように留意することが必要となる。それは、ショート時に大きな損傷を受けるリチウムイオン電池を電源としているか否かに関係なく重要なことである。

その点、先に挙げた先行技術文献（特許文献１、及び特許文献２）では、基板の配置面積を抑制する設計上の方策が提示されているだけで、上述したようなショート対策については何ら解決策が示されていない。

また、このような高圧系回路と低圧系回路の混成回路では、高圧系回路と高圧系回路の動作を制御する低圧系回路が別々の基板に実装されているため、高圧系回路に設計変更等が生じた場合、混成回路全体を変更しなければならいといった問題があった。

そこで、本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、配置面積の増大抑制とショートの発生を防止するとともに、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の混成回路は、
互いの電源電圧が異なる高圧系回路と低圧系回路とを有する混成回路において、
前記低圧系回路にその外部要素を電気的に接続するための低圧系接続用コネクタが実装された低圧系基板と、
前記低圧系基板に重ねて配置されたハイブリッドＩＣとを備え、
前記低圧系回路は、前記高圧系回路の動作を制御する制御ユニットを有しており、
前記制御ユニットと、前記高圧系回路と、該高圧系回路にその外部要素を電気的に接続するための高圧系接続用コネクタとは、前記ハイブリッドＩＣに実装されている、
ことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の混成回路によれば、混成回路の低圧系回路をその外部要素に接続するための低圧系接続用コネクタが実装された基板に、高圧系回路とその外部要素接続用の高圧系接続用コネクタとが実装されたハイブリッドＩＣが、重ねて配置される。そのため、混成回路の基板を配置するのに要する面積は、基板に混成回路の全構成要素を実装する場合に比べて大きくなることはない。

また、高圧系回路はハイブリッドＩＣに実装されているので、高圧系回路に異物が混入することによるショート故障を回避することができる。

さらに、高圧系回路の動作を制御する制御ユニットと高圧系回路、及び、高圧系接続用コネクタはハイブリッドＩＣに実装されているので、ハイブリッドＩＣを別のものに交換することで、高圧系回路とその制御ユニット、及び、高圧系接続用コネクタを別の仕様のものに交換することが可能となる。従って、高圧系回路に設計変更等が生じた場合、混成回路全体を変更することなく、ハイブリッドＩＣの交換のみで対応することができるので、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路を提供することが可能となる。

以上により、配置面積の増大抑制とショートの発生を防止するとともに、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路を提供することができる。

請求項２に記載した本発明の混成回路は、請求項１に記載した本発明の混成回路において、前記低圧系基板と前記ハイブリッドＩＣの基板との間隔方向において、前記高圧系接続用コネクタの少なくとも一部を、前記ハイブリッドＩＣの基板の前記低圧系基板に対向する面とは反対の面側に配置していることを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の混成回路によれば、請求項１に記載した本発明の混成回路において、ハイブリッドＩＣの低圧系基板に対向する面とは反対側の面側に、高圧系接続用コネクタの少なくとも一部が配置されている。このため、低圧系基板とハイブリッドＩＣとの間隔を高圧系接続用コネクタの寸法が上回る場合でも、低圧系基板とハイブリッドＩＣとの間隔を拡げずに高圧系接続用コネクタを配置することが可能となる。言い換えると、高圧系接続用コネクタの寸法よりも短い間隔で、低圧系基板とハイブリッドＩＣとを配置することができる。従って、混成回路全体のコンパクト化を図ることができる。

請求項３に記載した本発明の混成回路は、請求項１又は請求項２に記載した本発明の混成回路において、前記高圧系回路及び前記高圧系接続用コネクタは前記ハイブリッドＩＣの基板の対向する一対の辺のうち一辺側に配置され、前記制御ユニットは他辺側に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の混成回路によれば、請求項１又は請求項２に記載した本発明の混成回路において、ハイブリッドＩＣの対向する二つの辺のうち一辺側に高圧系回路と高圧系接続用コネクタとが配置され、他辺側に制御ユニットが配置されている。このため、高圧系回路や高圧系接続用コネクタと低圧系回路の制御ユニットとを、物理的に位置を離してハイブリッドＩＣの基板上に配置することができる。よって、高圧系回路と低圧系回路とのショートを回避するのに適したレイアウトを実現することができる。

本発明の混成回路によれば、配置面積の増大抑制とショートの発生を防止するとともに、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る混成回路の一部分解平面図である。（ａ），（ｂ）は本発明の一実施形態に係るハイブリッドＩＣの平面図及び側面図である。本発明の一実施形態に係る混成回路の平面図である。本発明の一実施形態に係るハイブリッドＩＣの回路配置図である。（ａ），（ｂ）は図２（ｂ）に示す高圧コネクタのハイブリッドＩＣにおける配置の変更例を示す側面図である。図２（ａ）に示す高圧コネクタのハイブリッドＩＣにおける配置の変更例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。はじめに、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る混成回路の実装構造について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る混成回路の一部分解平面図である。図２は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドＩＣの平面図及び側面図である。

図１に示すように、混成回路１は、複数のセルからなるリチウムイオン電池Ｂ（外部要素に相当）の出力電圧を測定する電圧測定装置に設けられるもので、基板３とハイブリッドＩＣ５を有している。

基板３には、基板３には、例えば、車両（図示せず）に搭載されたＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ、外部要素に相当）に接続するための低圧コネクタ３１（低圧系接続用コネクタに相当）と、低圧コネクタ３１に電力を供給する電源３２と、低圧コネクタ３１に接続されたインターフェース３３が実装されている。

また、基板３には、ハイブリッドＩＣ５が重ねて実装されるハイブリッドＩＣ実装エリア３ａが設けられている。

平面視矩形を呈するハイブリッドＩＣ５の上面５ａ（ハイブリッドＩＣの基板の低圧系基板に対向する面とは反対の面に相当）には、高圧系回路と低圧系回路の一部を実装するための高圧系実装エリア６ａと、低圧系回路の残りの一部を実装するための低圧系実装エリア６ｂが設けられている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、ハイブリッドＩＣ５には、その長手方向における対向する二つの辺のうち一辺側に高圧系実装エリア６ａが、他辺側に低圧系実装エリア６ｂが設けられている。

高圧系実装エリア６ａには、リチウムイオン電池Ｂの出力電圧を測定する電圧測定回路（高圧系回路に相当）２６が実装されている。また、高圧系実装エリア６ａには、高圧系回路をリチウムイオン電池Ｂの各セルに接続するための高圧コネクタ２１（高圧系接続用コネクタに相当）が実装されている。

低圧系実装エリア６ｂには、低圧系回路の構成要素のうち、高圧系回路の動作を制御する制御ユニット３６が実装されている。制御ユニット３６は、電源３２により作動するマイコン３４と、マイコン３４から出力された制御信号により電圧測定回路２６に設けられたスイッチＳ１〜Ｓ４のオンオフ状態を切り替えるロジックＩＣ３５と、マイコン３４に所定以上の電圧が入力されるのを防止するために入力電圧のオンオフ状態を切り替えるアナログＳＷ（以下、Ａ−ＳＷと称する）３７を有している。

このように、低圧コネクタ３１と、電源３２と、インターフェース３３が実装された基板３に、電圧測定回路２６と、制御ユニット３６と、高圧コネクタ２１が実装されたハイブリッドＩＣ５が重ねて配置される。そのため、混成回路１の基板３を配置するのに要する面積は、基板３に混成回路１の全構成要素を実装する場合に比べて大きくなることはない。また、電圧測定回路２６はハイブリッドＩＣ５に実装されているので、電圧測定回路２６に異物が混入することによるショート故障を回避することができる。

さらに、制御ユニット３６と、高圧コネクタ２１及び電圧測定回路２６とはハイブリッドＩＣ５に実装されており、ハイブリッドＩＣ５自体が一つの部品となるので、ハイブリッドＩＣ５を単品で販売することができる。また、ハイブリッドＩＣ５又は基板３を別のものに交換することで、混成回路１を別の仕様のものに変更することが可能となる。従って、混成回路１に設計変更等が生じた場合、混成回路１全体を変更することなく、ハイブリッドＩＣ５又は基板３の交換のみで対応することができるので、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路１を提供することが可能となる。

また、ハイブリッドＩＣ５は、モールド成形されているので、耐ノイズ性を向上させることができる。

さらに、ハイブリッドＩＣ５の長手方向に対向する二つの辺のうち一辺側に高圧コネクタ２１や電圧測定回路２６を配置し、他辺側に制御ユニット３６を配置することにより、高圧系回路の構成要素である高圧コネクタ２１や電圧測定回路２６と、低圧系回路の構成要素の一部である制御ユニット３６との絶縁距離を、十分に確保することが可能となる。従って、高圧コネクタ２１や電圧測定回路２６と制御ユニット３６の電位差によるショートの発生を回避することができる。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の実施形態に係るハイブリッドＩＣの実装構造について詳細に説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る混成回路の平面図である。図４は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドＩＣの回路配置図である。

図３に示すように、電圧測定回路２６は、両極性のフライングキャパシタＣ１と、フライングキャパシタＣ１の両極をリチウムイオン電池Ｂの正極及び負極にそれぞれ選択的に接続するスイッチＳ１、Ｓ２と、フライングキャパシタＣ１の両極をマイコン３４及び接地電位部に選択的に接続するスイッチＳ３、Ｓ４とを有している。各スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）は、オンオフが光信号によって切り替え制御される半導体スイッチであり、例えば、フォトＭＯＳＦＥＴで構成されている。

図３に示す電圧測定回路２６では、リチウムイオン電池Ｂの電圧を測定する際に、まず、マイコン３４の制御により、スイッチＳ１、Ｓ２をオンさせると共にスイッチＳ３、Ｓ４をオフさせる。これにより、リチウムイオン電池Ｂの正極から、スイッチＳ１、抵抗Ｒ１、フライングキャパシタＣ１の一端、他端、抵抗Ｒ２、及び、スイッチＳ２を経て、リチウムイオン電池Ｂの負極に至る充電回路を形成する。そして、この充電回路において、フライングキャパシタＣ１をリチウムイオン電池Ｂの電圧に応じた電荷量で充電する。この充電により、フライングキャパシタＣ１の一端が正極、他端が負極となる。

続いて、マイコン３４の制御により、スイッチＳ１、Ｓ２をオフさせると共にスイッチＳ３、Ｓ４をオンさせる。これにより、フライングキャパシタＣ１が、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ３、及び、抵抗Ｒ４の直列回路と並列接続される。そして、フライングキャパシタＣ１の充電電圧を抵抗Ｒ５、Ｒ３、Ｒ４で分圧したうち抵抗Ｒ３の両端電圧の差に相当する電位が、マイコン３４に入力されて計測される。この計測値と、抵抗Ｒ５、Ｒ３、Ｒ４の分圧比とから、フライングキャパシタＣ１の充電電圧をマイコン３４で計測させることにより、リチウムイオン電池Ｂの電圧を測定する。

このように、電圧測定回路２６は、マイコン３４の制御によりリチウムイオン電池Ｂの正極に接続された正極側部分２６ａ（スイッチＳ１、抵抗Ｒ１、及び、フライングキャパシタＣ１の一端）と、マイコン３４の制御によりリチウムイオン電池Ｂの負極に接続された負極側部分２６ｂ（フライングキャパシタＣ１の他端、抵抗Ｒ２、及び、スイッチＳ２）を有することとなる。

そして、図４に示すように、ハイブリッドＩＣ５の長手方向とは異なる方向に対向する二つの辺のうち一辺側に、電圧測定回路２６の正極側部分２６ａを配置し、他辺側に電圧測定回路２６の負極側部分２６ｂを配置することにより、正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの絶縁距離を十分に確保することが可能となる。従って、正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの電位差によるショートの発生を回避することができる。

また、図４に示すように、電圧測定回路２６と制御ユニット３６の間には、オンオフ状態が光信号によって切り替え制御される半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）が配置されている。この光信号によってオンオフ制御される半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）は、電気的に互いに絶縁された部分を有している。このような絶縁部分が電圧測定回路２６と制御ユニット３６との間に存在することで、両者間の放電経路が遮断されることになる。このため、確実に電圧測定回路２６と制御ユニット３６の絶縁を確保することができる。

さらに、正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの間にも半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）が配置されている。この光信号によってオンオフ制御される半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）は、電気的に互いに絶縁された部分を有している。このような絶縁部分が正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂとの間に存在することで、両者間の放電経路が遮断されることになる。このため、確実に電圧測定回路２６の正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの絶縁を確保することができる。

このようにして、本発明の実施形態に係る混成回路１は、低圧コネクタ３１と、電源３２と、インターフェース３３が実装された基板３に、高圧系回路の構成要素である高圧コネクタ２１及び電圧測定回路２６と、低圧系回路の構成要素である制御ユニット３６が実装されたハイブリッドＩＣ５が重ねて配置される。そのため、混成回路１の基板３を配置するのに要する面積は、基板３に混成回路１の全構成要素を実装する場合に比べて大きくなることはない。

また、電圧測定回路２６はハイブリッドＩＣ５に実装されているので、異物が混入することによるショート故障を回避することができる。

さらに、電圧測定回路２６と、電圧測定回路２６の動作を制御する制御ユニット３６、そして、電圧測定回路２６にリチウムイオン電池Ｂを接続するための高圧コネクタ２１が、ハイブリッドＩＣ５に実装されているので、ハイブリッドＩＣ５又は基板３を別のものに交換することで、混成回路１を別の仕様に変更することが可能となる。従って、混成回路１に設計変更等が生じた場合、混成回路１全体を変更することなく、ハイブリッドＩＣ５又は基板３の交換のみで対応することができるので、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路１を提供することが可能となる。

以上により、本発明の混成回路１によれば、配置面積の増大抑制とショートの発生を防止するとともに、汎用性の高い高圧系回路と低圧系回路の混成回路１を提供することができる。

また、本発明の実施形態に係る混成回路１は、ハイブリッドＩＣ５の長手方向に対向する二つの辺のうち一辺側に電圧測定回路２６が配置され、他辺側に制御ユニット３６が配置されているので、電圧測定回路２６と制御ユニット３６の絶縁距離を十分に確保することが可能となる。従って、電圧測定回路２６と制御ユニット３６の電位差によるショートの発生を回避することができる。

さらに、本発明の実施形態に係る混成回路１は、電圧測定回路２６と制御ユニット３６の間には、オンオフ状態が光信号によって切り替え制御される半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）が配置されている。この光信号によってオンオフ制御される半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）は、電気的に互いに絶縁された部分を有している。このような絶縁部分が電圧測定回路２６と制御ユニット３６との間に存在することで、両者間の放電経路が遮断されることになる。このため、確実に電圧測定回路２６と制御ユニット３６の絶縁を確保することができる。

また、本発明の実施形態に係る混成回路１は、ハイブリッドＩＣ５の長手方向とは異なる方向に対向する二つの辺のうち一辺側に、マイコン３４の制御によりリチウムイオン電池Ｂの正極に接続される電圧測定回路２６の正極側部分２６ａが配置され、他辺側にマイコン３４の制御によりリチウムイオン電池Ｂの負極に接続される電圧測定回路２６の負極側部分２６ｂが配置されているので、正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの絶縁距離を十分に確保することが可能となる。従って、正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの電位差によるショートの発生を回避することができる。

さらに、本発明の実施形態に係る混成回路１は、正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの間には、オンオフ状態が光信号によって切り替え制御される各半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）が配置されている。この光信号によってオンオフ制御される半導体スイッチ２７（Ｓ１〜Ｓ４）は、電気的に互いに絶縁された部分を有している。このような絶縁部分が正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂとの間に存在することで、両者間の放電経路が遮断されることになる。このため、確実に電圧測定回路２６の正極側部分２６ａと負極側部分２６ｂの絶縁を確保した安全性の高い混成回路を提供することができる。

また、本発明の実施形態に係る混成回路１は、高圧回路が全てハイブリッドＩＣ５としてパッケージングされ、モールド成形により周辺と絶縁されているので、低圧回路側に対する絶縁性の向上と、メンテナンス時等における感電防止面から見た安全性の向上を図ることができる。しかも、高圧コネクタ２１を含む高圧回路が全て基板３の実装対象から除外されるので、基板３の小型化を図ることができ、また、高圧回路を低圧回路と基板３上で混在させる必要がないので、基板３の部品実装効率を高めることができる。

以上、本発明の混成回路を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上記した実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、高圧コネクタ２１を、電圧測定回路２６や制御ユニット３６等と共に、ハイブリッドＩＣ５の上面に配置した場合を説明した。

しかし、図５（ａ）の側面図に示すように、ハイブリッドＩＣ５の基板３と対向する下面５ｂ（ハイブリッドＩＣの基板の低圧系基板に対向する面に相当）に高圧コネクタ２１を配置してもよい。このように配置すれば、上面５ａに高圧コネクタ２１の配置スペースを必要としないので、上面５ａを電圧測定回路２６や制御ユニット３６等の配置スペースとして有効活用することができる。

あるいは、図５（ｂ）の側面図に示すように、ハイブリッドＩＣ５の基板に切り欠きを設けて高圧コネクタ２１を嵌め込むことで、高圧コネクタ２１の一部をハイブリッドＩＣ５の上面側に、他の一部をハイブリッドＩＣ５の下面側に、両面に跨がるように配置してもよい。このように配置すれば、高圧コネクタ２１の高さよりも短い間隔で、基板３とハイブリッドＩＣ５とを配置することができ、混成回路１全体のコンパクト化を図ることができる。

また、図６の平面図に示すように、ハイブリッドＩＣ５の長手方向の一辺側ではなく、長手方向とは異なる方向に対向する二つの辺のうち一辺側に高圧コネクタ２１を配置してもよい。その場合にも、図５（ａ），（ｂ）に示すように、高圧コネクタ２１をハイブリッドＩＣ５の下面５ｂ側に配置したり、ハイブリッドＩＣ５に切り欠きを設けて高圧コネクタ２１を嵌め込み、上面５ａと下面５ｂとに跨がるように高圧コネクタ２１を配置することができる。

また、上記した実施形態では、リチウムイオン電池Ｂの各セルの電圧を測定する混成回路１を例に取って説明したが、本発明は、電源電圧が高い高圧系回路と電源電圧が低い低圧系回路とが混在する混成回路を基板に実装する場合の構造として、広い分野に適用可能である。

例えば、ニッケル水素組電池や燃料電池等の高圧電池全般の電源モニタ用の混成回路にも本発明は適用可能である。また、電源モニタ用に限らず、例えば漏電センサ用の混成回路にも本発明は適用可能である。さらに、本発明の混成回路は、車両に搭載される電池に限らず、あるいは、車両以外で用いる電池にも限定されず、高圧電源系のシステムで各種の用途に用いられる混成回路として広く適用可能である。

本発明は、互いの電源電圧が異なる高圧系回路と低圧系回路との混成回路を基板に実装する上で極めて有用である。

１混成回路
３基板
３ａハイブリッドＩＣ実装エリア
５ハイブリッドＩＣ
５ａハイブリッドＩＣ上面
５ｂハイブリッドＩＣ下面
６ａ高圧系回路実装エリア
６ｂ低圧系回路実装エリア
２１高圧コネクタ
２６電圧測定回路
２６ａ正極側部分
２６ｂ負極側部分
２７半導体スイッチ
３１低圧コネクタ
３２電源
３３インターフェース
３４マイコン
３５ロジックＩＣ
３６制御ユニット

Claims

互いの電源電圧が異なる高圧系回路と低圧系回路とを有する混成回路において、
前記低圧系回路にその外部要素を電気的に接続するための低圧系接続用コネクタが実装された低圧系基板と、
前記低圧系基板に重ねて配置されたハイブリッドＩＣとを備え、
前記低圧系回路は、前記高圧系回路の動作を制御する制御ユニットを有しており、
前記制御ユニットと、前記高圧系回路と、該高圧系回路にその外部要素を電気的に接続するための高圧系接続用コネクタとは、前記ハイブリッドＩＣに実装されている、
ことを特徴とする混成回路。
前記低圧系基板と前記ハイブリッドＩＣの基板との間隔方向において、前記高圧系接続用コネクタの少なくとも一部を、前記ハイブリッドＩＣの基板の前記低圧系基板に対向する面とは反対の面側に配置していることを特徴とする請求項１記載の混成回路。
前記高圧系回路及び前記高圧系接続用コネクタは前記ハイブリッドＩＣの基板の対向する一対の辺のうち一辺側に配置され、前記制御ユニットは他辺側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の混成回路。