(57)【要約】  本発明は、サイズとコストを低減した実装基板及び蓄電池の電流計測装置を提供することを目的とする。そのために、本発明の実装基板は、熱発生素子、前記熱発生素子の温度を測定する温度センサ、前記熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むスリットを有することを特徴とする。また本発明の蓄電池の電流計測装置は、複数の蓄電池の電圧を計測する複数のセルセンス回路に流れる電流を計測する蓄電池の電流計測装置であって、前記複数のセルセンス回路は熱発生素子、前記熱発生素子の温度を測定する温度センサ、前記熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むスリットを有する実装基板上に設けられ、前記温度センサの計測結果に基づき前記電流を求める電流計算部を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱発生素子、前記熱発生素子の温度を測定する温度センサ、前記熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むスリットを有することを特徴とする実装基板。
【請求項２】
前記熱発生素子を近接して複数備え、前記温度センサは前記複数の熱発生素子に近接した場所に位置し、前記スリットは前記複数の熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むことを特徴とする請求項１に記載の実装基板。
【請求項３】
短絡保護用の素子を前記熱発生素子として兼用する請求項１または２に記載の実装基板。
【請求項４】
前記熱発生素子は配線の幅を狭めて抵抗を増加させた領域である請求項３に記載の実装基板。
【請求項５】
複数の蓄電池の電圧を計測する複数のセルセンス回路に流れる電流を計測する蓄電池の電流計測装置であって、
前記複数のセルセンス回路は熱発生素子、前記熱発生素子の温度を測定する温度センサ、前記熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むスリットを有する実装基板上に設けられ、
前記温度センサの計測結果に基づき前記電流を求める電流計算部を備えた、
ことを特徴とする蓄電池の電流計測装置。
【請求項６】
前記実装基板上に熱的孤立領域と基板温度測定用温度センサとを備え、
前記電流計測部は前記温度センサと前記基板温度測定用温度センサの計測結果の差から前記熱発生素子の上昇温度を算出して前記電流を求める請求項５に記載の蓄電池の電流計測装置。
【請求項７】
複数の蓄電池の電圧を計測する複数セルセンス回路に流れる電流を計測する蓄電池の電流計測装置であって、
前記実装基板は多層基板であり、
前記熱発生素子は前記多層基板の二つの最表面層のうちの一層に設けられ、
前記温度センサは、前記二つの最表面層のうちの他の一層に設けられる
請求項５または６に記載の蓄電池の電流計測装置。
【請求項８】
前記電流計算部は、前記熱発生素子に流れる電流による所定時間での前記熱発生素子の上昇温度から前記電流を決定する電流値テーブルを備える請求項５から７のいずれか一項に記載の蓄電池の電流計測装置。
【請求項９】
前記電流値テーブルは基板温度毎に保持する請求項８に記載の蓄電池の電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実装基板及び蓄電池システムの電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池を用いた電源装置である蓄電池システムでは、蓄電池が供給する電流の監視を行っている（例えば特許文献１）。図１０に既存の蓄電池システムのセルセンスラインの回路構成を示す。各電池セル（以下セル）ｂ１〜ｂ４と監視ＩＣ（Integrated  Circuit）を繋ぐセルセンスラインには、セル毎に短絡保護を行うための電流ヒューズや、セルの電流を監視するための電流検出用抵抗Ｒｓや電流検出回路が搭載されている。なおセルｂ１〜ｂ４の出力にはセルセンスラインと並列に、負荷への出力線が接続されているが、図１０では省略している。【０００３】
図１１に図１０の電流検出回路の構成を示す。電流検出回路は、セルセンスラインに設けたシャント抵抗（電流検出用抵抗）Rsに発生する電位差を、複数の抵抗と演算増幅器で構成された回路によって検出し、電流計算部はRsに発生する電位差ＶOUTからセルセンスラインに流れる電流ＩOUTの電流値を導きだす。【０００４】
蓄電システムの大容量化に伴い、搭載電池モジュールを構成するセル数が増加すると、セル毎に必要とされる電流ヒューズや電流検出用抵抗、検出回路も増加して、これらを搭載する監視回路基板サイズやコストも大となる傾向があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１６８４８８号公報
【特許文献２】実開昭６３−３１７４号公報（実願昭６１−９６４８７号明細書）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
搭載電池モジュールを構成するセル数が増加すると、これらを監視する回路数も増加するが、セル毎に電流を監視するには、電流検出用抵抗や検出回路が必要となる。さらにグランドとセル間の電圧が高い場合、検出回路に高耐圧性が求められ、高電圧を読み取るための分圧回路の追加も必要となることから、これらを搭載する監視回路基板のサイズやコストも大となる傾向があった。【０００７】
本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、サイズとコストを低減した実装基板及び蓄電池の電流計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、熱発生素子、前記熱発生素子の温度を測定する温度センサ、前記熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むスリットを有することを特徴とする実装基板である。【０００９】
また本発明は、複数の蓄電池の電圧を計測する複数のセルセンス回路に流れる電流を計測する蓄電池の電流計測装置であって、前記複数のセルセンス回路は熱発生素子、前記熱発生素子の温度を測定する温度センサ、前記熱発生素子と前記温度センサの少なくとも一部を囲むスリットを有する実装基板上に設けられ、前記温度センサの計測結果に基づき前記電流を求める電流計算部を備えたことを特徴とする蓄電池の電流計測装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、実装基板と蓄電池の電流計測装置のサイズとコストを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態のパターン素子の基板上のレイアウトを示す図である。
【図２】通電時のパターン素子の上昇温度の時間変化を示す図である。
【図３】パターン素子の上昇温度と電流値の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のセルセンスラインを流れる電流の値を算出する回路のブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の熱的孤立領域の基板上のレイアウトを示す図である。
【図６】パターン素子の温度変化と上昇温度ΔT/tの算出方法を説明する図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の電流計算部の電流計算テーブルのイメージを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の基板上のパターン素子のレイアウトを示す図であり、（ａ）は第１層、（ｂ）は第２層、（ｃ）は第３層、（ｄ）は第４層のレイアウトを示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態のパターン素子の断面図であり、（ａ）は断面Ａ、（ｂ）は断面Ｂを示す図である。
【図１０】既存のセルセンスライン回路構成を示す図である。
【図１１】図１０のセルセンスライン回路の電流検出回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[第１の実施形態]
図１〜図５を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。
（構成の説明）
図１は本発明の第１の実施形態の実装基板上に形成するパターン素子のレイアウトを示す平面図である。蓄電システム用電池モジュール監視回路を搭載するプリント基板１００において、各セルのセルセンスライン（配線Ａ）内に、部分的に配線幅を細くしたパターン素子１０を直列に挿入している。本実施形態ではパターン素子１０は短絡に対する保護のための既存のヒューズである。パターン素子１０は既存のヒューズを温度検出とそれに基づく電流値の検出に兼用している。
【００１３】
パターン素子１０はスリット２０に挟まれ、スリット２０に挟まれたパターン素子１０のエリアにはパターン素子温度測定用の温度センサ３０が形成されている。パターン素子１０と温度センサ３０を２つのスリット２０で挟むことで熱の移動を抑制している。パターン素子１０、スリット２０，温度センサ３０をまとめてパターン素子セット１と称する。図１ではパターン素子セット１を１つしか示していないがセルセンスライン毎に設ける。
【００１４】
プリント基板１００には厚さ1.6mmのガラスエポキシ基板を用いている。パターン素子には銅箔を用いており、厚みは50um、長さは2mm、幅は120umで、電流容量I(th)は７Ａ以上となる。なお配線Ａも銅箔であり、厚みはパターン素子１０と同じ50um、幅は500umである。温度センサ３０はＮＴＣ型（Negative Temperature Coefficient）のサーミスタで、村田製作所社製のNCP18XH103F03RBを用いている。温度センサの長さは1.6mm、幅は0.8mmとなる。
【００１５】
スリット２０は、ルーター加工により基板の一部をくり抜いて裏面まで貫通させたもので、幅は2mm、長さは4.8mmとなる。本実施形態ではスリット２０内には何も充填せず空気だけしか存在しないが、熱遮断材料を充填してもよい。スリット２０は２つあり、パターン素子１０と温度センサ３０を囲む。スリット２０で温度センサ３０とパターン素子１０の大部分を囲むことで熱の移動を抑制する。パターン素子１０が挿入された配線Ａはセルセンスラインの一部である。また配線Ｂは温度センサ３０と後述する電流計算部とを接続するものである。これらパターン素子１０、スリット２０、温度センサ３０で構成されたパターン素子セット１は、各セルのセルセンスライン内に配置される。
【００１６】
各パターン素子温度測定用の温度センサ３０は電流計算部に接続され、さらにプリント基板１００の温度を測定するための温度センサ８０が電流計算部に接続されている。電流計算部は、パターン素子の温度と基板の温度からパターン素子の上昇温度を計算する機能と、パターン素子の単位時間あたりの上昇温度を計算する機能とを持っている。さらに電流計算部は、基板温度、パターン素子の上昇温度、パターン素子の単位時間あたりの上昇温度からパターン素子を流れる電流値を決定するテーブルを持っている。
（動作の説明）
本実施形態ではセルセンスラインの配線幅を部分的に狭めそこをパターン素子１０とし、そのパターン素子１０の配線抵抗を上げ、パターン素子１０での通電時の発熱（ジュール熱）を促している。
【００１７】
本実施形態のパターン素子１０は、電流容量が所定値I(th)を取るように配線パターン幅、厚さ、長さ、導電率を設定しており、パターン素子１０にI(th)を超える電流が流れた場合はパターン素子１０が溶断する。
【００１８】
また、パターン素子１０にI(th)以下の電流が流れると、パターン素子１０の配線抵抗Rによって
W=I2×R
の発熱（ジュール熱）が起り、パターン素子１０の温度は消費電力Wに比例して上昇する。よって電流を流す前と比べたパターン素子１０の上昇温度ΔＴはパターン素子１０を流れる電流値の二乗に比例する。そして、一定電流を流し続けると、基板温度など外部の温度変化がない状態では、図２のようにパターン素子１０の発熱量と放熱量が一致して電流値に応じた温度平衡状態になる。ここから、温度平衡状態のパターン素子１０において、図３のような上昇温度―電流特性が得られる。
【００１９】
図４に各セルセンスライン４０を流れる電流の値を算出する回路のブロック図を示す。セルに接続されたセルセンスライン４０、パターン素子セット１（スリット２０は省略している）、電流計算部５０、監視ＩＣ６０、熱的孤立領域７０、基板温度測定用温度センサ８０がプリント基板１００上に配置されている。これらで蓄電システム用電池モジュール監視回路を構成する。なおセルｂ１〜ｂ４の出力にはセルセンスラインと並列に、負荷への出力線が接続されているが、図４では省略している。
【００２０】
各セルｂ１〜ｂ４のセルセンスライン４０の途中に設けられたそれぞれのパターン素子セット１の温度センサ３０の出力は、電流計算部５０に入力される。監視ＩＣ６０には各セルセンスライン４０が接続され、監視ＩＣ６０は各セルｂ１〜ｂ４の動作を監視する。
【００２１】
さらに、電流計算部５０には、プリント基板１００上で、周囲と熱的に絶縁された熱的孤立領域７０に配置された基板温度測定用温度センサ８０が接続される。図５に、基板温度測定用温度センサ８０を配置する、熱的孤立領域７０のレイアウトを示す。基板１００上で部品を実装しない領域に、スリット２３によって外部部品の温度変化の影響を抑えた熱的孤立領域７０を形成し、そこに基板温度測定用温度センサ８０を配置している。スリット２３は基板温度測定用温度センサ８０の周囲の大部分を取り囲んでいる。基板温度測定用温度センサ８０の出力を電流計算部５０に入力するために配線Ｃを設ける。スリット２３はパターン素子セット１で用いるスリット２０と同様に形成すればよい。
【００２２】
以下、電流計算部６０が１つのパターン素子１０に流れる電流を計算する方法を説明する。図６にパターン素子の温度変化と単位時間あたりの上昇温度ΔT/tの算出イメージを示す。電流計算部は、検知したパターン素子の温度から、基板温度測定用温度センサで検知した温度を差し引いて、パターン素子の上昇温度ΔＴを計算する。さらに、時刻t1に取得した上昇温度ΔTt1と時刻t2に取得した上昇温度ΔTt2を用いて単位時間あたりの上昇温度ΔT/tを下記数式より求める。
ΔT/t＝(ΔTt2-ΔTt1)/(t2-t1)
尚、単位時間あたりの上昇温度ΔT/tを求めるにあたり、測定間隔t2-t1は常に所定の値を取る。
【００２３】
図７に電流計算部６０の電流計算テーブルのイメージを示す。電流計算部６０は、基板温度測定用温度センサで測定した基板温度毎に、ΔＴとΔT/tから電流値を算出するテーブル２００を備えている。パターン素子１０を構成する導体の抵抗は温度特性を持つ。基板温度毎に（図７では１℃毎に）テーブル２００を保持することで、このパターン素子１０の配線抵抗の持つ温度特性に対応している。例えば基板温度Tb=２５℃の場合、Tb=２５℃の温度テーブルを利用して、パターン素子１０の上昇温度ΔＴと単位時間あたりの上昇温度ΔT/tからパターン素子１０を配置したセルセンスライン４０の電流値を特定する。ある単位時間に測定した上昇温度ΔTが同じでも、ΔTの上がり具合（温度が飽和しているか、まだ上昇するか）でセルセンスライン４０に流れる電流値は変わる。そのため、例えばΔT=1、t=1でもΔT/t=1とは確定せず、ΔT/t＝(ΔTt2-ΔTt1)/1になる。このテーブル２００は、予め基板温度１℃刻みに実測しておき、電流計算部６０に記憶させておく。なおパターン素子１０は周囲よりも高温になる。そのためパターン素子１０で発生したジュール熱は配線Ａに一部放熱される。また、スリット２０はパターン素子１０の周囲を完全に熱絶縁しているわけではないので、ジュール熱はプリント基板１００にも一部放熱される。この放熱とジュール熱の兼ね合いで電流値と温度の特性つまりテーブル２００が決まる。つまりテーブル２００は上述した放熱の影響を織り込んでいる。
【００２４】
電流検出は、パターン素子セット１毎に行われ、各セルセンスライン４０の電流検出が行われる。これらの電流検出は、検出値によってセルセンスライン４０の状態を確認し、異常値を検出した場合に、蓄電システムに備えられた警告用LED(Light Emission Diode)を点灯させる、アラーム音を出す、蓄電システムを停止させるなど、蓄電システムの安全運用に利用できる。
【００２５】
また、該パターン素子１０にI(th)を超える電流が流れた場合には、パターン素子１０は溶断（オープンモード）する。溶断により以降のセルのセルセンスライン４０への過電流の通電を回避する。
（効果の説明）
本実施形態ではパターン素子と温度センサはスリットで周囲の基板から熱的に絶縁されており、パターン素子が外部部品の温度変化の影響を受けにくい構造になっている。そのためパターン素子の温度は基板温度から通電による上昇温度を加えた温度になる。このためパターン素子の温度と基板温度から、通電による上昇温度を算出し、電流検出を行うことが可能となる。
【００２６】
また、本実施形態では、パターン素子を用いた短絡保護エリアを電流検出に流用することで、電流検出に用いられるシャント抵抗分の部品実装を省略している。さらに、検出した温度から電流値を算出するので、図１１のような複数個の抵抗やアンプによって構成される検出回路は温度センサ1個に置き換えることができる。さらに高電圧帯の電流検出するための回路追加や高電圧に対応した高価な電流検出ＩＣを追加することなく、測定ラインとの絶縁状態を保った安全な電流検知を行う。このようにして、本実施形態によれば、蓄電システム用の電流検出及び短絡保護が小型／低コストで実現可能となる。
【００２７】
特許文献２には、銅箔部からなるパターンヒューズを有するプリント基板において、このパターンヒューズの形状に沿って熱遮断部を設けたプリント基板が示されている。熱遮断部とは基板に設けたスリットまたは穴である。この特許文献の実施例の欄には次のようなことが述べられている。銅箔部の両側にスリットと穴、またはスリットを設けているので、銅箔部に定格を少し超える程度の電流が流れた場合でも、この銅箔部からプリント基板へ熱が伝導することはなく、それだけ溶断時間が短くなり、また、プリント基板が焦げることも少ない、としている。
【００２８】
特許文献２でもヒューズである幅の狭い銅箔部の両側にスリットを形成している。しかしこのスリットはヒューズ溶断時の熱遮断を目的としており、温度測定における熱遮断を目的としているわけではない。
[第２の実施形態]
以下本発明の第２の実施形態を説明する。図８（ａ）〜（ｄ）に本実施形態の多層プリント基板１１０（以下多層基板と略称）上のパターン素子Ａ，Ｄ，Ｅのレイアウトを示す。また、図９（ａ）、（ｂ）にパターン素子Ａ，Ｄ，Ｅを含めて多層基板１１０の断面図を示す。
【００２９】
蓄電システム用電池モジュール監視回路を搭載する多層基板において、各セルセンスライン内に、部分的に配線幅を細くしたパターン素子を、直列に挿入している点は、第１の実施形態と同様である。しかし本実施形態では、各パターン素子１０は複数本単位で隣接して配置される。これを隣接パターン素子群と称する。隣接パターン素子群は多層基板１１０を貫通するスリット２５に大部分が囲まれ、スリット２５に囲まれた各隣接パターン素子群のエリアの多層基板裏面には、隣接パターン素子群温度測定用の温度センサ３５を一つ設けている。
【００３０】
隣接パターン素子群温度測定用の温度センサ３５は電流計算部に接続され、さらに第１の実施形態と同様に、プリント基板の温度を測定するための温度センサが電流計算部に接続されている。電流計算部は、隣接パターン素子群の温度と基板の温度から隣接パターン素子群の上昇温度を計算する機能と、隣接パターン素子群の単位時間あたりの上昇温度を計算する機能を持っている。さらに電流計算部は、基板温度、隣接パターン素子群の上昇温度、隣接パターン素子群の単位時間あたりの上昇温度から隣接パターン素子群を流れる電流値を決定するテーブルを持っている。
【００３１】
本実施形態の多層基板１１０は４層基板である。多層基板１１０上で、異なるセルセンスラインの一部である配線Ａ、配線Ｄ、配線Ｅに挿入された３本のパターン素子であるパターン素子Ａ、パターン素子Ｄ、パターン素子Ｅを隣接させて、３本のパターン素子を両側からスリット２５で囲んでいる。また、スリット内外の熱移動をさらに抑制するため、３本のパターン素子を表層にあたる第１層に配置して、温度センサ３５と、温度センサ３５と電流計算部を接続する配線Ｂを多層基板裏面の表層にあたる第４層に配置している。さらに、３本のパターン素子それぞれの両端を、スルーホール９０を用いて第１層、内層にあたる第２層、第３層に割り振り、図９の断面Ｂに示すように３本のパターン素子それぞれの両端と配線Ｂを基板の厚さ方向で重ねることで、スリットで囲む領域の面積を減らしている。パターン素子Ａ，Ｄ，Ｅは全て表層（第１層）に露出するように配置することで、これらのパターン素子にI(th)を超える電流が流れた場合にそれぞれのパターン素子が溶断する。
【００３２】
本実施形態は、多層基板１１０上のパターン素子のレイアウトと、３本のパターン素子Ａ，Ｄ，Ｅの温度変化を１つの温度センサで検知する以外は、第１の実施形態と同様である。このようにすると複数のパターン素子の電流変化をまとめて検出し、一括で監視することが可能となる。本実施形態は、例えば複数の監視ＩＣが用意され、複数のセルセンスラインを一つの監視ＩＣで監視し、監視ＩＣ毎のセルセンスライン異常を検出する用途に適用できる。また、狭いパターン素子エリアと少ない温度センサで電流検出及び短絡保護を実現することが可能となる。
[他の実施形態]
第１，第２の実施形態ではパターン素子を用いた短絡保護エリアを電流検出に用いた。しかし、短絡保護エリアのヒューズとは別にセルセンスラインの配線幅を狭めてパターン素子とし、近接した位置に温度センサを設け、パターン素子と温度センサの周囲をスリットで囲み、そのパターン素子に通電させて温度上昇を測定することも可能である。その場合は短絡保護と兼用ではないので、兼用する場合ほどには小型にならないが、図１１のような検出回路が温度センサ1個に置き換わって小型化する点、及び、高電圧帯の電流検出するための回路追加や高電圧に対応した高価な電流検出ＩＣを追加することなく、測定ラインとの絶縁状態を保った安全な電流検知を行うことができる点は同じである。
【００３３】
また上述の実施形態では基板温度測定用温度センサ８０を用いて基板温度を測定している。しかし蓄電池システムの動作前の基板温度がシステムの周囲の温度、例えばシステムが設置されている場所の温度とほぼ同じとみなせれば、基板温度測定用温度センサ８０と熱的孤立領域７０を省略し、周囲温度を基板温度として電流値を算出しても良い。
【００３４】
また上述の実施形態ではセルセンスライン（電池と監視ＩＣの間）にパターン素子を置いているが、電池と負荷間の電源ラインに置いても良い。
【００３５】
また上記第１、第２の実施形態ではパターン素子として、他の部分の配線に比べて配線の幅を狭めたものを使っているが、厚さを薄くする、導電率が低い材料で形成する等で他の部分の配線よりも発熱するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、直列接続数の多い電池セルを搭載し、各セルの監視機能を具備する蓄電システムにおいて、その小型／低コスト化を必要とする分野等での利用が考えられる。【００３７】
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。【００３８】
この出願は、２０１５年６月４日に出願された日本出願特願２０１５−１１３７３７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００３９】
１    パターン素子セット
１０    パターン素子
２０、２３、２５    スリット
３０、３５    温度センサ
４０    セルセンスライン
５０    電流計算部
６０    監視ＩＣ
７０    熱的孤立領域
８０    基板温度測定用温度センサ
９０    スルーホール
１００    プリント基板
１１０    多層プリント基板
２００    テーブル
【図１】
2016194368.tif 000003
【図２】
2016194368.tif 000004
【図３】
2016194368.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2016194368.tif 000008
【図７】
2016194368.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016194368.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2016194368.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月16日(2017.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
前記実装基板は多層基板であり、
前記熱発生素子は前記多層基板の二つの最表面層のうちの一層に設けられ、
前記温度センサは、前記二つの最表面層のうちの他の一層に設けられる
請求項５または６に記載の蓄電池の電流計測装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2016194368.tif 000014
【国際調査報告】
2016194368.tif 000015
2016194368.tif 000016
2016194368.tif 000017
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