JP6184242B2 - 基板および組電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、基板および組電池モジュールに関する。
従来、複数の電池セルを電気的に接続するとともに機械的に一体に固定した組電池において、リード線が接続されたサーミスタによって各電池セルの温度を検出する技術が知られている。
ところで、温度検出対象とサーミスタとの熱的な結合を強めることにより、サーミスタによる温度検出精度を向上させることが望まれている。
本実施形態の組電池モジュールは、積層された複数の配線層と、前記複数の配線層のうちで積層方向の第１の端部に設けられた第１配線層の表面に配置された温度センサと、前記複数の配線層を積層方向に貫通し、前記温度センサの温度検出対象に電気的に接続された第１スルーホールと、前記第１配線層の表面上において前記第１スルーホールに熱的に接続されるとともに、前記温度センサの周囲を取り囲むように形成された第１熱伝達パターンと、前記複数の配線層のうちで内層の第２配線層において前記第１スルーホールに熱的に接続されるとともに、前記複数の配線層の積層方向に見て前記温度センサに重なる位置に配置された第２熱伝達パターンと、前記第１熱伝達パターンの周囲を取り囲むように設けられるとともに、前記複数の配線層のうちで少なくとも前記第１配線層を前記積層方向に貫通する穴部と、を備える基板と、複数の電池セルと、前記電池セルの電極端子に電気的に接続されるとともに、外部に露出した第３配線層の表面において前記第１スルーホールに電気的に接続された接続部材と、を備える。
以下、実施形態の基板および組電池モジュールについて添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態の組電池モジュール１０は、図１に示すように、筐体１１と、複数の電池セル１２，…，１２と、温度センサ１３と、制御回路基板１４と、を備えている。
本実施形態の組電池モジュール１０は、図１に示すように、筐体１１と、複数の電池セル１２，…，１２と、温度センサ１３と、制御回路基板１４と、を備えている。
複数の電池セル１２，…，１２は、樹脂などから成る筐体１１の内部に収容されている。複数の電池セル１２，…，１２の各々は、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された扁平な略直方体形状の外装容器２１と、外装容器２１内に非水電解液と共に収納された電極体（図示略）と、を備えている。
各電池セル１２は、電極体の正極に接続された正極端子２２および負極に接続された負極端子２３を、例えば合成樹脂やガラスなどの絶縁体からなるガスケット２４を介して、外装容器２１の端子面２１Ａ（例えば、鉛直方向上方の上端面）上の長手方向両端部のそれぞれに備えている。
複数の電池セル１２，…，１２の各々の正極端子２２および負極端子２３は、導電性のアルミニウムまたは真鍮などの金属からなる複数のバスバー２５，…，２５により電気的に直列または並列に接続されている。
複数のバスバー２５，…，２５のうち正極側の出力端を有するバスバー２５および負極側の出力端を有するバスバー２５は、複数の電池セル１２，…，１２の各々の端子面２１Ａに所定間隔をおいて対向配置された制御回路基板１４の対向面１４Ａに形成された回路パターンに電気的に接続されている。
各電池セル１２は、電極体の正極に接続された正極端子２２および負極に接続された負極端子２３を、例えば合成樹脂やガラスなどの絶縁体からなるガスケット２４を介して、外装容器２１の端子面２１Ａ（例えば、鉛直方向上方の上端面）上の長手方向両端部のそれぞれに備えている。
複数の電池セル１２，…，１２の各々の正極端子２２および負極端子２３は、導電性のアルミニウムまたは真鍮などの金属からなる複数のバスバー２５，…，２５により電気的に直列または並列に接続されている。
複数のバスバー２５，…，２５のうち正極側の出力端を有するバスバー２５および負極側の出力端を有するバスバー２５は、複数の電池セル１２，…，１２の各々の端子面２１Ａに所定間隔をおいて対向配置された制御回路基板１４の対向面１４Ａに形成された回路パターンに電気的に接続されている。
温度センサ１３は、例えばチップ型のサーミスタであって、制御回路基板１４の厚さ方向で対向面１４Ａの反対側の表面１４Ｂ上に実装され、バスバー２５に電気的に接続された第１スルーホール４０の近傍に配置されている。温度センサ１３は、バスバー２５の温度に応じた抵抗値の電圧信号を処理回路３２に出力する。
制御回路基板１４は、図２に示すように、複数の絶縁層４１と交互に積層された複数の配線層４２、例えば４つの第１〜第４配線層Ｌ１〜Ｌ４を備えている。第１〜第４配線層Ｌ１〜Ｌ４のうち、積層方向の第１の端部に配置された第１配線層Ｌ１の表面は制御回路基板１４の表面１４Ｂを成し、積層方向の第２の端部に配置された第４配線層Ｌ４の表面は制御回路基板１４の対向面１４Ａを成している。なお、第１配線層Ｌ１および第４配線層Ｌ４の各表面上の所定領域には、所定パターンの絶縁性のレジスト膜４３が設けられている。
制御回路基板１４は、制御回路基板１４を積層方向に貫通し、第１配線層Ｌ１の表面（つまり、制御回路基板１４の表面１４Ｂ）上の回路パターンと第４配線層Ｌ４の表面（つまり、制御回路基板１４の対向面１４Ａ）上の回路パターンとに電気的に接続された第１スルーホール４０を備えている。第１スルーホール４０は、導電性の内壁を有する貫通穴であって、対向面１４Ａ上の回路パターンに接続されたバスバー２５に電気的に接続されている。
制御回路基板１４は、図３に示すように、第１配線層Ｌ１の表面（つまり、制御回路基板１４の表面１４Ｂ）上において、第１スルーホール４０の接点部４４に電気的および熱的に接続された第１導体パターン４５を備えている。第１導体パターン４５は、第１スルーホール４０の接点部４４から温度センサ１３に向かい延伸して、温度センサ１３の周囲を取り囲むような形状を有する。
さらに、制御回路基板１４は、図２に示すように、第１〜第４配線層Ｌ１〜Ｌ４のうちで積層方向の内層、例えば絶縁層４１を介して第１配線層Ｌ１に積層された第２配線層Ｌ２において、第１スルーホール４０に電気的および熱的に接続された第２導体パターン４６を備えている。第２導体パターン４６は、第１スルーホール４０から、積層方向で温度センサ１３に干渉する位置まで延伸する形状を有している。
制御回路基板１４は、図３に示すように、第１配線層Ｌ１の表面（つまり、制御回路基板１４の表面１４Ｂ）上において、第１スルーホール４０の接点部４４に電気的および熱的に接続された第１導体パターン４５を備えている。第１導体パターン４５は、第１スルーホール４０の接点部４４から温度センサ１３に向かい延伸して、温度センサ１３の周囲を取り囲むような形状を有する。
さらに、制御回路基板１４は、図２に示すように、第１〜第４配線層Ｌ１〜Ｌ４のうちで積層方向の内層、例えば絶縁層４１を介して第１配線層Ｌ１に積層された第２配線層Ｌ２において、第１スルーホール４０に電気的および熱的に接続された第２導体パターン４６を備えている。第２導体パターン４６は、第１スルーホール４０から、積層方向で温度センサ１３に干渉する位置まで延伸する形状を有している。
上述したように、本実施形態による組電池モジュール１０によれば、温度センサ１３の周囲を取り囲むような形状を有する第１導体パターン４５に加えて、内層で温度センサ１３に干渉する位置まで延伸する形状を有する第２導体パターン４６を備えることにより、バスバー２５と温度センサ１３との熱的な結合を増大させ、温度の検出精度を向上させることができる。
（第１変形例）
なお、上述した実施形態では、図４に示す第１変形例のように、制御回路基板１４は、第１導体パターン４５と第２導体パターン４６とを電気的かつ熱的に接続する第２スルーホール４７を備えてもよい。
第２スルーホール４７は、導電性の内壁を有する貫通穴であって、例えば、複数の配線層４２，…，４２を成す４つの第１〜第４配線層Ｌ１〜Ｌ４のうちの少なくとも第１配線層Ｌ１と第２配線層Ｌ２との間を貫通している。第２スルーホール４７は、第１配線層Ｌ１の第１導体パターン４５と第２配線層Ｌ２の第２導体パターン４６とを電気的かつ熱的に接続する。
この第１変形例によれば、バスバー２５と温度センサ１３との熱的な結合を、より一層増大させ、温度の検出精度を向上させることができる。
なお、上述した実施形態では、図４に示す第１変形例のように、制御回路基板１４は、第１導体パターン４５と第２導体パターン４６とを電気的かつ熱的に接続する第２スルーホール４７を備えてもよい。
第２スルーホール４７は、導電性の内壁を有する貫通穴であって、例えば、複数の配線層４２，…，４２を成す４つの第１〜第４配線層Ｌ１〜Ｌ４のうちの少なくとも第１配線層Ｌ１と第２配線層Ｌ２との間を貫通している。第２スルーホール４７は、第１配線層Ｌ１の第１導体パターン４５と第２配線層Ｌ２の第２導体パターン４６とを電気的かつ熱的に接続する。
この第１変形例によれば、バスバー２５と温度センサ１３との熱的な結合を、より一層増大させ、温度の検出精度を向上させることができる。
（第２変形例）
なお、上述した実施形態および第１変形例では、図５に示す第２変形例のように、制御回路基板１４は、第１導体パターン４５の周囲を取り囲むように設けられるとともに、複数の配線層４２，…，４２のうちで少なくとも第１配線層Ｌ１を積層方向に貫通する穴部４８を備えてもよい。
穴部４８は、非導電性の内壁を有する貫通穴である。例えば図５に示すように、複数の穴部４８，…，４８は、複数の第２スルーホール４７，…，４７によって第１導体パターン４５に電気的かつ熱的に接続された第２導体パターン４６の周囲のうち、温度センサ１３に接続された配線パターン（図示略）が存在する領域以外の領域を取り囲むように設けられている。複数の穴部４８，…，４８の各々は、少なくとも第１配線層Ｌ１から第２配線層Ｌ２までに亘って積層方向に貫通している。
この第２変形例によれば、温度検出対象であるバスバー２５以外の部品と温度センサ１３との熱的な結合を抑制し、温度センサ１３によるバスバー２５の温度の検出精度を向上させることができる。
なお、上述した実施形態および第１変形例では、図５に示す第２変形例のように、制御回路基板１４は、第１導体パターン４５の周囲を取り囲むように設けられるとともに、複数の配線層４２，…，４２のうちで少なくとも第１配線層Ｌ１を積層方向に貫通する穴部４８を備えてもよい。
穴部４８は、非導電性の内壁を有する貫通穴である。例えば図５に示すように、複数の穴部４８，…，４８は、複数の第２スルーホール４７，…，４７によって第１導体パターン４５に電気的かつ熱的に接続された第２導体パターン４６の周囲のうち、温度センサ１３に接続された配線パターン（図示略）が存在する領域以外の領域を取り囲むように設けられている。複数の穴部４８，…，４８の各々は、少なくとも第１配線層Ｌ１から第２配線層Ｌ２までに亘って積層方向に貫通している。
この第２変形例によれば、温度検出対象であるバスバー２５以外の部品と温度センサ１３との熱的な結合を抑制し、温度センサ１３によるバスバー２５の温度の検出精度を向上させることができる。
（第３変形例）
なお、上述した実施形態の第２変形例では、図６に示す第３変形例のように、制御回路基板１４は、温度センサ１３に接続された配線を設置するための領域を複数の配線層４２，…，４２の内層に設けることによって、複数の穴部４８，…，４８を第１導体パターン４５の周囲を隙間無く取り囲むように配置可能である。
例えば図６に示す複数の穴部４８，…，４８は、第２導体パターン４６の周囲の全域を取り囲むように設けられ、少なくとも第１配線層Ｌ１から第２配線層Ｌ２までに亘って積層方向に貫通している。
この第３変形例によれば、温度検出対象であるバスバー２５以外の部品と温度センサ１３との熱的な結合を、より一層、抑制し、温度センサ１３によるバスバー２５の温度の検出精度を向上させることができる。
なお、上述した実施形態の第２変形例では、図６に示す第３変形例のように、制御回路基板１４は、温度センサ１３に接続された配線を設置するための領域を複数の配線層４２，…，４２の内層に設けることによって、複数の穴部４８，…，４８を第１導体パターン４５の周囲を隙間無く取り囲むように配置可能である。
例えば図６に示す複数の穴部４８，…，４８は、第２導体パターン４６の周囲の全域を取り囲むように設けられ、少なくとも第１配線層Ｌ１から第２配線層Ｌ２までに亘って積層方向に貫通している。
この第３変形例によれば、温度検出対象であるバスバー２５以外の部品と温度センサ１３との熱的な結合を、より一層、抑制し、温度センサ１３によるバスバー２５の温度の検出精度を向上させることができる。
（第４変形例）
なお、上述した実施形態では、温度センサ１３は、電池セル１２の電圧（セル電圧）を検出する電圧検出回路４９に対して、電気的な接続および遮断を切り替え可能に接続されてもよい。
例えば図７に示す第４変形例の組電池モジュール１０は、直列に接続された複数の電池セル１２，…，１２に対して、隣り合う電池セル１２，１２間の接続点に温度センサ１３（例えば、ＴＨ１，ＴＨ２，…）を介して接続された電圧検出回路４９を備えている。電圧検出回路４９は、例えばアナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ）などのアナログ回路である。組電池モジュール１０は、複数の温度センサ１３，…，１３の各々と電圧検出回路４９とを接続する各接続線と接地点Ｇとの間に、直列に接続されたスイッチング素子５０および分圧抵抗５１を備えている。さらに、組電池モジュール１０は、スイッチング素子５０と分圧抵抗５１との間に接続された分圧検出回路５２を備えている。スイッチング素子５０は、例えばＦＥＴなどであって、処理回路３２から出力されるオン・オフ信号に応じて、温度センサ１３による温度検出時に接続（オン）とされ、温度検出時以外に遮断（オフ）とされる。分圧検出回路５２は、例えばアナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）などである。
なお、上述した実施形態では、温度センサ１３は、電池セル１２の電圧（セル電圧）を検出する電圧検出回路４９に対して、電気的な接続および遮断を切り替え可能に接続されてもよい。
例えば図７に示す第４変形例の組電池モジュール１０は、直列に接続された複数の電池セル１２，…，１２に対して、隣り合う電池セル１２，１２間の接続点に温度センサ１３（例えば、ＴＨ１，ＴＨ２，…）を介して接続された電圧検出回路４９を備えている。電圧検出回路４９は、例えばアナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ）などのアナログ回路である。組電池モジュール１０は、複数の温度センサ１３，…，１３の各々と電圧検出回路４９とを接続する各接続線と接地点Ｇとの間に、直列に接続されたスイッチング素子５０および分圧抵抗５１を備えている。さらに、組電池モジュール１０は、スイッチング素子５０と分圧抵抗５１との間に接続された分圧検出回路５２を備えている。スイッチング素子５０は、例えばＦＥＴなどであって、処理回路３２から出力されるオン・オフ信号に応じて、温度センサ１３による温度検出時に接続（オン）とされ、温度検出時以外に遮断（オフ）とされる。分圧検出回路５２は、例えばアナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）などである。
この第４変形例において、処理回路３２は、各スイッチング素子５０のオンおよびオフの切り替えと、電圧検出回路４９の時定数の切り替えとなどを制御し、各電池セル１２のセル電圧の検出と温度の検出とを切り替えて実行する。処理回路３２は、電圧検出回路４９により検出された複数の電池セル１２，…，１２の各々のセル電圧値と、各分圧検出回路５２により検出された分圧値とにより、各電池セル１２の温度を検出する。
この第４変形例によれば、各温度センサ１３と電圧検出回路４９とを接続して、各温度センサ１３にセル電圧検出線から直接的に給電することによって、バスバー２５と温度センサ１３との熱的な結合を増大させ、温度の検出精度を向上させることができる。さらに、各電池セル１２に対する温度検出時のみに各スイッチング素子５０をオンにするので、電流の漏れやセル電圧のバランスの崩れなどの不具合が生じることを防ぐことができる。
この第４変形例によれば、各温度センサ１３と電圧検出回路４９とを接続して、各温度センサ１３にセル電圧検出線から直接的に給電することによって、バスバー２５と温度センサ１３との熱的な結合を増大させ、温度の検出精度を向上させることができる。さらに、各電池セル１２に対する温度検出時のみに各スイッチング素子５０をオンにするので、電流の漏れやセル電圧のバランスの崩れなどの不具合が生じることを防ぐことができる。
（第５変形例）
なお、上述した実施形態の第４変形例では、図８に示す第５変形例の組電池モジュール１０のように、直列に接続されたスイッチング素子５０および分圧抵抗５１を、各電池セル１２の正極および負極の端子間に各温度センサ１３を介して接続してもよい。
なお、上述した実施形態の第４変形例では、図８に示す第５変形例の組電池モジュール１０のように、直列に接続されたスイッチング素子５０および分圧抵抗５１を、各電池セル１２の正極および負極の端子間に各温度センサ１３を介して接続してもよい。
なお、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、上述した実施形態において、第１スルーホール４０に電気的および熱的に接続された第１および第２導体パターン４５，４６を備えるとしたが、これに限定されず、第１および第２導体パターン４５，４６の代わりに、第１スルーホール４０に熱的に接続された第１および第２熱伝達パターンを備えてもよい。つまり、第１および第２熱伝達パターンは電気的な導電性を有していなくてもよい。
例えば、上述した実施形態の第４変形例において、高耐圧のマルチプレクサや複数の電圧検出回路４９を用いて複数の電池セル１２，…，１２の各々の温度を検出してもよい。
１０ 組電池モジュール
１２ 電池セル
１３ 温度センサ
１４ 制御回路基板
２５ バスバー
４０ 第１スルーホール
４２ 配線層
４５ 第１導体パターン
４６ 第２導体パターン
４７ 第２スルーホール
４８ 穴部
１２ 電池セル
１３ 温度センサ
１４ 制御回路基板
２５ バスバー
４０ 第１スルーホール
４２ 配線層
４５ 第１導体パターン
４６ 第２導体パターン
４７ 第２スルーホール
４８ 穴部
Claims (4)
- 積層された複数の配線層と、
前記複数の配線層のうちで積層方向の第１の端部に設けられた第１配線層の表面に配置された温度センサと、
前記複数の配線層を積層方向に貫通し、前記温度センサの温度検出対象に電気的に接続された第１スルーホールと、
前記第１配線層の表面上において前記第１スルーホールに熱的に接続されるとともに、前記温度センサの周囲を取り囲むように形成された第１熱伝達パターンと、
前記複数の配線層のうちで内層の第２配線層において前記第１スルーホールに熱的に接続されるとともに、前記複数の配線層の積層方向に見て前記温度センサに重なる位置に配置された第２熱伝達パターンと、
前記第１熱伝達パターンの周囲を取り囲むように設けられるとともに、前記複数の配線層のうちで少なくとも前記第１配線層を前記積層方向に貫通する穴部と、
を備える、
ことを特徴とする基板。 - 前記複数の配線層のうちの少なくとも前記第１配線層と前記第２配線層との間を貫通し、前記第１熱伝達パターンと前記第２熱伝達パターンとを熱的に接続する第２スルーホールを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の基板。 - 請求項１または請求項２に記載の基板と、
複数の電池セルと、
前記複数の電池セルの各々の電極端子に電気的に接続されるとともに、前記複数の配線層のうちで積層方向の第２の端部に設けられた第３配線層の表面において前記第１スルーホールに電気的に接続された接続部材と、
を備える、
ことを特徴とする組電池モジュール。 - 前記電池セルの電圧を検出する電圧検出回路を備え、
前記温度センサは前記電圧検出回路に電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の組電池モジュール。
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