WO2016194368A1 - 実装基板及び蓄電池の電流検出装置 - Google Patents

実装基板及び蓄電池の電流検出装置 Download PDF

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克也 小野瀬
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a mounting substrate and a current detection device for a storage battery system.
  • FIG. 10 shows a circuit configuration of a cell sense line of an existing storage battery system.
  • the cell sense line connecting each battery cell (hereinafter cell) b1 to b4 and the monitoring IC (Integrated Circuit) has a current fuse for short-circuit protection for each cell and a current detection resistor for monitoring the cell current. Rs and a current detection circuit are mounted.
  • the outputs of the cells b1 to b4 are connected to an output line to the load in parallel with the cell sense line, but are omitted in FIG.
  • FIG. 11 shows the configuration of the current detection circuit of FIG.
  • the current detection circuit detects the potential difference generated in the shunt resistor (current detection resistor) Rs provided in the cell sense line by a circuit composed of a plurality of resistors and an operational amplifier, and the current calculation unit generates the potential difference generated in Rs.
  • the current value of the current I OUT flowing from the V OUT to the cell sense line is derived.
  • JP 2003-168488 A Japanese Utility Model Publication No. 63-3174 (specification of Japanese Utility Model Application No. 61-96487)
  • the number of circuits for monitoring these increases.
  • a current detection resistor and a detection circuit are required.
  • the detection circuit is required to have a high withstand voltage, and it is necessary to add a voltage dividing circuit to read the high voltage. Also tended to be large.
  • An object of the present invention is to provide a mounting board and a storage battery current measuring device that solve the above-described problems and reduce size and cost.
  • the present invention is a mounting board comprising a heat generating element, a temperature sensor for measuring a temperature of the heat generating element, and a slit surrounding at least a part of the heat generating element and the temperature sensor.
  • the present invention is also a storage battery current measuring device for measuring current flowing in a plurality of cell sense circuits for measuring voltages of a plurality of storage batteries, wherein the plurality of cell sense circuits measure a temperature of the heat generating element and the heat generating element. And a temperature calculation unit, provided on a mounting substrate having a slit surrounding at least a part of the heat generating element and the temperature sensor, and comprising a current calculation unit for obtaining the current based on a measurement result of the temperature sensor.
  • This is a current measuring device for a storage battery.
  • FIG. 3 is a block diagram of a circuit that calculates a value of a current flowing through a cell sense line according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the layout on the board
  • DELTA rising temperature
  • FIG. 1 is a plan view showing a layout of pattern elements formed on a mounting substrate according to the first embodiment of the present invention.
  • the pattern elements 10 partially narrowed in the wiring width are inserted in series in the cell sense line (wiring A) of each cell.
  • the pattern element 10 is an existing fuse for protection against a short circuit.
  • the pattern element 10 uses an existing fuse for both temperature detection and current value detection.
  • the pattern element 10 is sandwiched between the slits 20, and a temperature sensor 30 for measuring the pattern element temperature is formed in the area of the pattern element 10 sandwiched between the slits 20. The movement of heat is suppressed by sandwiching the pattern element 10 and the temperature sensor 30 between the two slits 20.
  • the pattern element 10, the slit 20, and the temperature sensor 30 are collectively referred to as a pattern element set 1. Although only one pattern element set 1 is shown in FIG. 1, it is provided for each cell sense line.
  • the printed board 100 is a glass epoxy board having a thickness of 1.6 mm. Copper foil is used for the pattern element, the thickness is 50 ⁇ m, the length is 2 mm, the width is 120 ⁇ m, and the current capacity I (th) is 7 A or more.
  • the wiring A is also a copper foil, the thickness is 50 ⁇ m, which is the same as the pattern element 10, and the width is 500 ⁇ m.
  • the temperature sensor 30 is an NTC type (Negative-Temperature-Coefficient) thermistor, and uses NCP18XH103F03RB manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd. The length of the temperature sensor is 1.6mm and the width is 0.8mm.
  • the slit 20 is a part of the substrate cut out by router processing and penetrated to the back surface.
  • the width is 2mm and the length is 4.8mm. In this embodiment, nothing is filled in the slit 20 and only air is present, but a heat shielding material may be filled.
  • Two slits 20 surround the pattern element 10 and the temperature sensor 30.
  • the slit 20 surrounds most of the temperature sensor 30 and the pattern element 10 to suppress heat transfer.
  • the wiring A into which the pattern element 10 is inserted is a part of the cell sense line.
  • the wiring B connects the temperature sensor 30 and a current calculation unit described later.
  • the pattern element set 1 including the pattern element 10, the slit 20, and the temperature sensor 30 is arranged in the cell sense line of each cell.
  • Each pattern element temperature measurement temperature sensor 30 is connected to a current calculation unit, and a temperature sensor 80 for measuring the temperature of the printed circuit board 100 is connected to the current calculation unit.
  • the current calculation unit has a function of calculating the rising temperature of the pattern element from the temperature of the pattern element and the temperature of the substrate, and a function of calculating the rising temperature per unit time of the pattern element. Furthermore, the current calculation unit has a table for determining a current value flowing through the pattern element from the substrate temperature, the rising temperature of the pattern element, and the rising temperature per unit time of the pattern element. (Description of operation) In the present embodiment, the wiring width of the cell sense line is partially narrowed to make the pattern element 10, the wiring resistance of the pattern element 10 is increased, and heat generation (Joule heat) when energizing the pattern element 10 is promoted.
  • the wiring pattern width, thickness, length, and conductivity are set so that the current capacity takes a predetermined value I (th), and the pattern element 10 exceeds I (th). When the current flows, the pattern element 10 is melted.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a circuit for calculating the value of the current flowing through each cell sense line 40.
  • the cell sense line 40 connected to the cell, the pattern element set 1 (the slit 20 is omitted), the current calculation unit 50, the monitoring IC 60, the thermal isolation region 70, and the temperature sensor 80 for measuring the substrate temperature are provided on the printed circuit board 100. Is arranged. These constitute a storage module battery module monitoring circuit.
  • the outputs of the cells b1 to b4 are connected to the output line to the load in parallel with the cell sense line, but are omitted in FIG.
  • the output of the temperature sensor 30 of each pattern element set 1 provided in the middle of the cell sense line 40 of each cell b1 to b4 is input to the current calculation unit 50.
  • Each cell sense line 40 is connected to the monitoring IC 60, and the monitoring IC 60 monitors the operation of each of the cells b1 to b4.
  • FIG. 5 shows a layout of the thermal isolation region 70 in which the substrate temperature measuring temperature sensor 80 is arranged.
  • a thermal isolation region 70 in which the influence of the temperature change of the external component is suppressed is formed by the slit 23 in a region where no component is mounted on the substrate 100, and a substrate temperature measuring temperature sensor 80 is disposed there.
  • the slit 23 surrounds most of the periphery of the substrate temperature measuring temperature sensor 80.
  • a wiring C is provided in order to input the output of the temperature sensor 80 for substrate temperature measurement to the current calculator 50.
  • the slit 23 may be formed in the same manner as the slit 20 used in the pattern element set 1.
  • FIG. 6 shows a calculation image of the temperature change of the pattern element and the rising temperature ⁇ T / t per unit time.
  • the current calculation unit calculates the rising temperature ⁇ T of the pattern element by subtracting the temperature detected by the substrate temperature measuring temperature sensor from the detected temperature of the pattern element. Further, the rising temperature ⁇ T / t per unit time is obtained from the following equation using the rising temperature ⁇ Tt1 acquired at time t1 and the rising temperature ⁇ Tt2 acquired at time t2.
  • ⁇ T / t ( ⁇ Tt2- ⁇ Tt1) / (t2-t1) Note that when obtaining the temperature increase ⁇ T / t per unit time, the measurement interval t2-t1 always takes a predetermined value.
  • FIG. 7 shows an image of the current calculation table of the current calculation unit 60.
  • the current calculation unit 60 includes a table 200 for calculating a current value from ⁇ T and ⁇ T / t for each substrate temperature measured by the substrate temperature measuring temperature sensor.
  • the resistance of the conductor constituting the pattern element 10 has temperature characteristics.
  • the table 200 is measured in advance in increments of 1 ° C. of the substrate temperature and stored in the current calculation unit 60.
  • the pattern element 10 has a higher temperature than the surroundings. Therefore, Joule heat generated in the pattern element 10 is partially radiated to the wiring A.
  • the slit 20 does not completely thermally insulate the periphery of the pattern element 10, Joule heat is partially dissipated to the printed circuit board 100.
  • the characteristics of the current value and temperature, that is, the table 200 is determined by the balance between the heat radiation and the Joule heat. That is, the table 200 incorporates the above-described influence of heat dissipation.
  • the pattern element 10 When a current exceeding I (th) flows through the pattern element 10, the pattern element 10 is blown (open mode). Due to the fusing, energization of overcurrent to the cell sense line 40 of the subsequent cells is avoided.
  • the pattern element and the temperature sensor are thermally insulated from the surrounding substrate by slits, and the pattern element has a structure that is not easily affected by temperature changes of external components. Therefore, the temperature of the pattern element is a temperature obtained by adding the temperature rise due to energization from the substrate temperature. For this reason, it is possible to detect the current by calculating the temperature rise due to energization from the temperature of the pattern element and the substrate temperature.
  • the detection circuit constituted by a plurality of resistors and amplifiers as shown in FIG. 11 can be replaced with one temperature sensor. Furthermore, safe current detection is performed while maintaining insulation from the measurement line without adding a circuit for detecting a current in a high voltage band or adding an expensive current detection IC corresponding to a high voltage. In this way, according to the present embodiment, current detection and short circuit protection for a power storage system can be realized at a small size / low cost.
  • Patent Document 2 discloses a printed circuit board having a pattern fuse composed of a copper foil portion, and a heat blocking portion provided along the shape of the pattern fuse.
  • the heat shield is a slit or hole provided in the substrate. The following is stated in the example column of this patent document. Since slits and holes, or slits are provided on both sides of the copper foil part, heat will not be conducted from this copper foil part to the printed circuit board even if a current that exceeds the rating slightly flows through the copper foil part. The fusing time is shortened accordingly, and the printed circuit board is less likely to burn.
  • slits are formed on both sides of a narrow copper foil portion that is a fuse.
  • this slit is intended for heat insulation when the fuse is blown, and is not intended for heat insulation in temperature measurement.
  • 8A to 8D show layouts of the pattern elements A, D, and E on the multilayer printed board 110 (hereinafter abbreviated as multilayer board) according to the present embodiment.
  • 9A and 9B are sectional views of the multilayer substrate 110 including the pattern elements A, D, and E.
  • the pattern elements with partially narrowed wiring widths are inserted in series in each cell sense line, similar to the first embodiment. is there.
  • the pattern elements 10 are arranged adjacent to each other in a plurality of units. This is referred to as an adjacent pattern element group.
  • the adjacent pattern element group is mostly surrounded by a slit 25 penetrating the multilayer substrate 110, and a temperature sensor for measuring the adjacent pattern element group temperature is provided on the back surface of the multilayer substrate in the area of each adjacent pattern element group surrounded by the slit 25.
  • One 35 is provided.
  • the temperature sensor 35 for measuring the adjacent pattern element group temperature is connected to the current calculation unit, and further, similarly to the first embodiment, a temperature sensor for measuring the temperature of the printed circuit board is connected to the current calculation unit.
  • the current calculation unit has a function of calculating the rising temperature of the adjacent pattern element group from the temperature of the adjacent pattern element group and the substrate temperature, and a function of calculating the rising temperature per unit time of the adjacent pattern element group. Furthermore, the current calculation unit has a table for determining a current value flowing through the adjacent pattern element group from the substrate temperature, the rising temperature of the adjacent pattern element group, and the rising temperature per unit time of the adjacent pattern element group.
  • the multilayer substrate 110 of this embodiment is a four-layer substrate.
  • the pattern element A, the pattern element D, and the pattern element E which are three pattern elements inserted into the wiring A, the wiring D, and the wiring E that are part of different cell sense lines, are adjacent to each other.
  • Three pattern elements are surrounded by slits 25 from both sides. Further, in order to further suppress heat transfer inside and outside the slit, three pattern elements are arranged on the first layer corresponding to the surface layer, and the temperature sensor 35 and the wiring B connecting the temperature sensor 35 and the current calculation unit are arranged on the back surface of the multilayer substrate. It arrange
  • both ends of each of the three pattern elements are allocated to the first layer, the second layer corresponding to the inner layer, and the third layer using the through holes 90, and each of the three pattern elements is shown in the cross section B of FIG.
  • the pattern elements A, D and E are all arranged so as to be exposed on the surface layer (first layer), and when a current exceeding I (th) flows through these pattern elements, the respective pattern elements are fused.
  • This embodiment is the same as the first embodiment, except that the layout of the pattern elements on the multilayer substrate 110 and the temperature changes of the three pattern elements A, D, and E are detected by one temperature sensor. In this way, current changes in a plurality of pattern elements can be detected together and monitored collectively.
  • This embodiment can be applied to, for example, a case where a plurality of monitoring ICs are prepared, a plurality of cell sense lines are monitored by one monitoring IC, and a cell sense line abnormality is detected for each monitoring IC. Further, current detection and short circuit protection can be realized with a narrow pattern element area and a small temperature sensor. [Other embodiments] In the first and second embodiments, a short-circuit protection area using a pattern element is used for current detection.
  • the cell sense line is narrowed to form a pattern element, a temperature sensor is provided in the proximity, the pattern element and the temperature sensor are surrounded by a slit, and the pattern element is energized. It is also possible to measure the temperature rise. In that case, it is not shared with short-circuit protection, so it will not be as small as when combined, but the detection circuit as shown in FIG. 11 is replaced with a single temperature sensor and the current is detected in a high voltage band. The same is true in that safe current detection can be performed while maintaining the insulation state from the measurement line without adding a circuit for performing the operation or adding an expensive current detection IC corresponding to a high voltage.
  • the substrate temperature is measured using the temperature sensor 80 for measuring the substrate temperature.
  • the substrate temperature measuring temperature sensor 80 and the thermal isolation region 70 are omitted.
  • the current value may be calculated using the ambient temperature as the substrate temperature.
  • the pattern element is placed on the cell sense line (between the battery and the monitoring IC), but it may be placed on the power supply line between the battery and the load.
  • the pattern element is made of a material having a reduced thickness and a low conductivity. For example, heat may be generated more than the wiring in other parts.
  • the present invention is considered to be used in a field that requires miniaturization / cost reduction in a power storage system equipped with battery cells having a large number of series connections and having a monitoring function for each cell.

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Abstract

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。

Description

実装基板及び蓄電池の電流検出装置
　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。
　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。
　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。
　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。
特開２００３－１６８４８８号公報 実開昭６３－３１７４号公報（実願昭６１－９６４８７号明細書）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 既存のセルセンスライン回路構成を示す図である。 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。
[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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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

Claims (9)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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