(57)【要約】【課題】電池モジュールを複数接続して構成される二次電池の内部圧力を精度よく検出する。【解決手段】電力供給ユニット１０は、電池パック１００と、光ファイバ２００と、圧力検出ユニット３００とを含む。電池パック１００の内部には、電池ユニット１１０が複数収容される。電池ユニット１１０の上面には、安全弁１２０が設けられる。光ファイバ２００は、主線部２１０と、光分波器２２０と、副線部２３０とを含む。主線部２１０の一方の端部には圧力検出ユニット３００が接続され、他方の端部には、光分波器２２０を経由して副線部２３０が接続される。副線部２３０の端部には、ＦＧＢ２４０が設けられ、このＦＧＢ２４０が各安全弁１２０に接触された状態で固定される。圧力検出ユニット３００は、各ＦＧＢ２４０で反射されたブラッグ波長に基づいて、各電池ユニット１１０の内部圧力を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池モジュールを複数接続して構成される二次電池の内部圧力を検出する圧力検出装置であって、
少なくとも２つ以上の前記電池モジュールと接触し、前記電池モジュールの構成部品の形状の変化に応じた波長の光を反射する回折格子が各接触部分に設けられた光ファイバと、
前記光ファイバの端部に接続され、前記端部に光を入力する光源と、
前記端部に接続され、前記端部に戻ってくる反射光の波長を検出するための波長検出手段と、
前記検出された波長に基づいて、前記光ファイバと接触する各前記電池モジュールの内部圧力を検出するための圧力検出手段とを含む、圧力検出装置。
【請求項２】
各前記電池モジュールの外面には、内部圧力の上昇に応じて形状が変化する安全弁が備えられ、
前記光ファイバは、各前記安全弁に接触する、請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記回折格子は、各前記接触部分ごとに反射する波長が異なるように形成され、
前記圧力検出手段は、前記異なる波長に基づいて、各前記電池モジュールの内部圧力を検出するための手段を含む、請求項１または２に記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の内部圧力を検出する技術に関し、特に、光ファイバを用いて二次電池の内部圧力を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンとモータとの駆動力により走行するハイブリッド車両や、モータの駆動力により走行する電気自動車が実用化されている。これらの車両には、モータに電力を供給する電池パックが搭載されている。このような電池パックの内部には、電池モジュール（電池セルや複数の電池セルを複数接続した電池ユニット）が複数積層される。各電池セルの内部には電解液が充填されており、充放電時に発生する熱によって電解液が分解されてガスが発生する。このガスにより電池セル内部の圧力が所定値以上になると、各電池モジュールに設けられた安全弁が開状態となり、ガスが外部に放出される。このような状態になる前に各電池の挙動を監視して回路を遮断するなどの事前措置を行なうことを可能にする技術が、たとえば特開２００２−２８９２６５号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
この公報に開示された監視装置は、リチウム二次電池の容器の周面に複数回巻かれて密着して配線された光ファイバと、この光ファイバに接続されて光ファイバにパルス光を入射するとともに光ファイバにて発生したブリルアン反射を分析することにより容器の歪みを監視して表示する光ファイバ歪み測定器（ＢＯＴＤＲ：Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）とを有する。
【０００４】
この公報に開示された監視装置によると、光ファイバ歪み測定器により光ファイバにて発生したブリルアン反射を分析することにより光ファイバにかかる歪み量を計測することができ、パルス光を光ファイバに入射して散乱光が戻ってくるまでの時間を計測することにより、光ファイバの各部分での歪みの分布を求めることができる。また、１本の光ファイバを、複数のリチウム二次電池の容器に配線することにより、複数のリチウム二次電池の異常検出を、１本の光ファイバと１台の光ファイバ歪み測定器により監視することができる。
【特許文献１】特開２００２−２８９２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたようなＢＯＴＤＲ方式の監視装置においては、ブリリアン反射が光ファイバの全ての位置において生じるため、散乱光の計測時間に基づいて各歪み位置を特定する必要がある。そのため、狭い範囲に複数の電池モジュールが密集している場合においては、接触部分間の距離が十分に確保できず、歪みが生じた電池モジュールを精度よく特定できない場合がある。そのため、各電池モジュールの内部圧力を精度よく検出することができない。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電池モジュールを複数接続して構成される二次電池の内部圧力を精度よく検出することができる圧力検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る圧力検出装置においては、電池モジュールを複数接続して構成される二次電池の内部圧力を検出する。この圧力検出装置は、少なくとも２つ以上の電池モジュールと接触し、電池モジュールの構成部品の形状の変化に応じた波長の光を反射する回折格子が各接触部分に設けられた光ファイバと、光ファイバの端部に接続され、端部に光を入力する光源と、端部に接続され、端部に戻ってくる反射光の波長を検出するための波長検出手段と、検出された波長に基づいて、光ファイバと接触する各電池モジュールの内部圧力を検出するための圧力検出手段とを含む。
【０００８】
第１の発明によると、光ファイバにおける電池モジュールとの各接触部分に、電池モジュールの構成部品の形状の変化に応じた波長の光を反射する回折格子が設けられる。これにより、各回折格子での反射光の波長が、波長検出手段との距離が近い順に間欠的に検出される。このように検出された反射光の波長に基づいて、光ファイバと接触する各電池モジュールの内部圧力が検出される。このようにすると、光ファイバと電池モジュールとの接触位置（すなわち回折格子の位置）を調整することにより、電池モジュールの特定の構成部品（たとえば安全弁）の形状の変化を正確に検出することができる。さらに、各回折格子での反射光の波長が間欠的に検出されるので、狭い範囲に複数の電池モジュールが密集する場合においても、形状の変化が生じた電池モジュールを適確に特定することができる。その結果、電池モジュールを複数接続して構成される二次電池の内部圧力を精度よく検出することができる圧力検出装置を提供することができる。
【０００９】
第２の発明に係る圧力検出装置においては、第１の発明の構成に加えて、各電池モジュールの外面には、内部圧力の上昇に応じて形状が変化する安全弁が備えられる。光ファイバは、各安全弁に接触する。
【００１０】
第２の発明によると、各電池モジュールの外面に設けられた安全弁は、内部圧力の上昇に応じて形状が変化する。このような安全弁に光ファイバが接触する。そのため、たとえば電池モジュールにおける安全弁以外の部分に光ファイバが接触する場合に比べて、電池モジュールの内部圧力の上昇を適確に検出することができる。
【００１１】
第３の発明に係る圧力検出装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、回折格子は、各接触部分ごとに反射する波長が異なるように形成される。圧力検出手段は、異なる波長に基づいて、各電池モジュールの内部圧力を検出するための手段を含む。
【００１２】
第３の発明によると、各接触部分ごとに反射する波長が異なるように形成される。これにより、検出された反射光の波長がいずれの回折格子から反射したものかを、検出された波長の相違に基づいて特定することができる。そのため、変形が生じた電池モジュールを適確に特定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１４】
図１を参照して、本実施の形態に係る圧力検出装置を搭載した電力供給ユニット１０について説明する。
【００１５】
電力供給ユニット１０は、エンジンとモータとの駆動力により走行するハイブリッド車両や、モータの駆動力により走行する電気自動車に搭載される。なお、電力供給ユニット１０は、必ずしも車両に搭載されることに限定されない。電力供給ユニット１０は、電池パック１００と、光ファイバ２００と、圧力検出ユニット３００とを含む。
【００１６】
電池パック１００は、コンバータおよびインバータを経由してモータジェネレータ（いずれも図示せず）に接続され、モータジェネレータとの間で電力の充放電を行なう二次電池である。電池パック１００の内部には、低電圧の電池セルが直列に数個程度接続されて形成された電池ユニット１１０が複数（図１においては４つ）直列に積層された状態で収容されている。
【００１７】
電池ユニット１１０は、内部に複数の電池セルを含んだ状態で筐体により密封されている。各電池セルの内部には電解液が充填されており、充放電時に電池セル内部で発生する熱によって電解液が徐々に分解されてガスが発生する。このガスにより電池セルの内部圧力が所定値以上に上昇すると、ガスが電池セルの外部に漏れ出す。
【００１８】
電池ユニット１１０を密封する筐体の上面には、安全弁１２０が設けられる。安全弁１２０は、電池セルから漏れ出したガスにより電池ユニット１１０の内部圧力が上昇すると徐々に膨張し始め、電池ユニット１１０の内部圧力が所定値以上になると開状態となる。これにより、電池ユニット１１０の内部のガスが排気管１３０を経由して車両外部に放出される。
【００１９】
光ファイバ２００は、主線部２１０と、光分波器２２０と、副線部２３０とを含む。主線部２１０の一方の端部には圧力検出ユニット３００が接続され、他方の端部には、電池ユニット１１０と同じ数量の光分波器２２０が所定間隔で設けられている。
【００２０】
光分波器２２０には、副線部２３０が接続される。光分波器２２０は、主線部２１０からの光パルスを主線部２１０をそのまま進む光と副線部２３０に進む光とに分けるとともに、副線部２３０からの反射光を主線部２１０の圧力検出ユニット３００側へ出力する。
【００２１】
副線部２３０の光分波器２２０側と異なる側の端部には、ＦＧＢ（Fiber Bragg Grating）２４０が設けられ、このＦＧＢ２４０が各電池ユニット１１０の安全弁１２０に接触された状態で固定される。
【００２２】
圧力検出ユニット３００は、光ファイバ２００の主線部２１０の端部から光を入力し、端部に戻ってくる反射光を検出することにより、各電池ユニット１１０の内部圧力を一括して検出する装置である。圧力検出ユニット３００は、光源３１０と、光分波器３２０と、受光器３３０と、アナログ回路３４０と、ＥＣＵ３５０とを含む。
【００２３】
光源３１０は、ＥＣＵ３５０からの指令により、予め定められた広い波長帯域の波長を有する光パルスを所定時間発生して光分波器３２０へ出力する。光分波器３２０は、光源３１０からの光パルスを主線部２１０のコア内へ出力するとともに、主線部２１０からの反射光を受光器３３０へ出力する。
【００２４】
受光器３３０は、光分波器３２０からの反射光を受けて、それぞれの反射光の波長に応じた電気信号を、アナログ回路３４０に出力する。
【００２５】
アナログ回路３４０は、受光器３３０からの電気信号を増幅し、デジタル信号に変換してＥＣＵ３５０に出力する。
【００２６】
ＥＣＵ３５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するメモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力ポートとを備える。
【００２７】
ＥＣＵ３５０は、アナログ回路３４０からのデジタル信号に基づいて、反射光の波長を検出し、検出された波長から各電池ユニット１１０の内部圧力を検出する。
【００２８】
図２〜５を参照して、ＦＧＢ２４０について説明する。図２に示すように、ＦＧＢ２４０のコア部２４２には、所定間隔で形成された複数の回折格子を含む反射部２４４が設けられる。図３に示すような、広い波長帯域の波長を有する光パルスが主線部２１０から光分波器２２０を経由して副線部２３０に入射されると、反射部２４４は、回折格子間隔に応じた特定の波長λの光を除いた光（図４参照）を透過し、特定の波長λの光（図５参照）のみを反射する特性を有する。以下、ＦＧＢ２４０での反射光をブラッグ波とも記載し、この反射光の波長をブラッグ波長とも記載する。
【００２９】
上述したように、電池ユニット１１０の内部圧力が上昇して安全弁１２０が膨張し、その膨張に伴ってＦＧＢ２４０が変形して回折格子間隔が長くなると、図５の点線に示すように、ブラッグ波長は、回折格子間隔が長くなったことに応じて波長λからΔλだけ長い波長に変化する。本実施の形態においては、このようなＦＧＢ２４０の特性を利用して、電池ユニット１１０の内部圧力を検出する。
【００３０】
図６を参照して、本実施の形態に係る圧力検出装置の一部を構成するＥＣＵ３５０が、各電池ユニット１１０の内部圧力を検出する際に実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、このプログラムは、予め定められたサイクルタイムで繰り返し実行される。
【００３１】
ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、ＥＣＵ３５０は、光源３１０に光パルスを発生させる指令を送信する。
【００３２】
Ｓ１０２にて、ＥＣＵ３５０は、アナログ回路３４０からのデジタル信号に基づいて、ブラッグ波長を時間ごとに検出する。
【００３３】
Ｓ１０４にて、ＥＣＵ３５０は、ブラック波長の検出順に基づいて、各電池ユニット１１０のブラック波長を特定する。たとえば、ＥＣＵ３５０は、光分波器３２０と各ＦＧＢ２４０との距離の順を予め記憶しておき、記憶された距離の順とブラッグ波長の検出順とを比較することにより、各電池ユニット１１０のブラック波長を特定する。なお、各電池ユニット１１０のブラッグ波長を特定する方法は、これに限定されない。たとえば、ＥＣＵ３５０は、光分波器３２０と各ＦＧＢ２４０との距離に応じた各往復時間を予め記憶しておき、これらの往復時間とブラッグ波長の各検出時間とを比較することにより、各電池ユニット１１０のブラック波長を特定するようにしてもよい。
【００３４】
Ｓ１０６にて、ＥＣＵ３５０は、各ブラッグ波長のシフト量を算出する。たとえば、ＥＣＵ３５０は、予め記憶された各ブラッグ波長の初期値（安全弁１２０が膨張していない状態における各ブラッグ波長）と検出されたブラッグ波長との差を、ブラッグ波長のシフト量として算出する。
【００３５】
Ｓ１０８にて、ＥＣＵ３５０は、各電池ユニット１１０の内部圧力を検出する。たとえば、ＥＣＵ３５０は、ブラッグ波長のシフト量と各電池ユニット１１０の内部圧力との相関関係を示したマップを予め記憶しておき、このマップと算出されたブラッグ波長のシフト量とに基づいて、各電池ユニット１１０の内部圧力を検出する。
【００３６】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る圧力検出装置の作用について説明する。
【００３７】
光源３１０から光パルスが発生すると（Ｓ１００）、各ブラッグ波長が時間ごとに検出される（Ｓ１０２）。ＥＣＵ３５０は、ブラック波長の検出順に基づいて、各電池ユニット１１０のブラック波長が特定され（Ｓ１０４）、予め記憶された各ブラッグ波長の初期値と検出されたブラッグ波長との差がブラッグ波長のシフト量として算出される（Ｓ１０６）。
【００３８】
したがって、電池ユニット１１０の内部圧力の上昇により安全弁１２０が膨張すると、安全弁１２０の膨張に伴ってＦＧＢ２４０が変形し、その変形に応じたブラッグ波長のシフト量が検出される。
【００３９】
このように検出されたブラッグ波長のシフト量に基づいて、各電池ユニット１１０の内部圧力が検出される（Ｓ１０８）。そのため、各電池ユニット１１０の内部圧力を一括して検出することができる。さらに、圧力センサを各電池ユニット１１０に設ける必要がなく、低コスト化を図ることができる。
【００４０】
さらに、電池ユニット１１０の内部圧力に応じて膨張する安全弁１２０に、ＦＧＢ２４０が接触する。これにより、安全弁１２０の変形を正確に検出することができる。さらに、ＦＧＢ２４０が安全弁１２０との接触部分のみに設けられる。これにより、ブラッグ波長が間欠的に検出されるので、各電池ユニット１１０が近接する場合であっても検出されたブラッグ波長がいずれの電池ユニット１１０から反射したものかを容易に特定することができる。そのため、たとえばＢＯＴＤＲ方式に比べて、各電池ユニット１１０の内部圧力を精度よく検出することができる。
【００４１】
さらに、ブラッグ波は光であることから、電磁ノイズの影響を受けない。たとえば、インバータなどのスイッチング素子を備えた電気機器を有する車両に電池パック１００を搭載する場合においても、各電池ユニット１１０の内部圧力を精度よく検出することができる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態に係る検出装置によれば、複数の電池ユニットの安全弁に光ファイバが接触し、各接触部分に設けられたＦＧＢからのブラッグ波長を検出することにより、各電池ユニットの内部圧力が検出される。そのため、各電池ユニットの内部圧力を一括して精度よく検出することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態においては、電池ユニット１１０ごとの内部圧力を検出する場合について説明したが、本発明に係る圧力検出装置の検出対象は、二次電池として機能するモジュール（電池モジュール）であればよく、たとえば電池ユニット１１０内に含まれる電池セルごとの内部圧力を検出するようにしてもよい。
【００４４】
また、本実施の形態においては、ブラッグ波長の検出順に基づいて、各電池ユニット１１０のブラッグ波長を特定した。これに対し、回折格子間隔を各ＦＧＢ２４０ごとに変更して各ＦＧＢ２４０でのブラッグ波長をそれぞれ異ならせ、検出されたブラッグ波長の相違に基づいて、各電池ユニット１１０のブラッグ波長を特定するようにしてもよい。これにより、検出されたブラッグ波長がいずれのＦＧＢ２４０から反射したものかを、ブラッグ波長の相違に基づいて適確に特定することができる。
【００４５】
＜第１の変形例＞
上述の実施の形態における光ファイバ２００に代えて、図７に示すような光ファイバ１２００を用いるようにしてもよい。光ファイバ１２００は、１本の光ファイバで構成され、所定間隔でＦＧＢ１２４０が複数設けられる。各ＦＧＢ１２４０は、各電池ユニット１１０の安全弁１２０に接触された状態で固定される。各ＦＧＢ１２４０は、回折格子の間隔がそれぞれ相違し、各ＦＧＢ１２４０で反射されるブラッグ波長がそれぞれ相違するように形成される。
【００４６】
このように、１本の光ファイバを各電池ユニット１１０の安全弁１２０の接触させ、各接触部分に各ＦＧＢ１２４０を設けることで、入射光を光分波器を用いて分けることなく各電池ユニット１１０の内部圧力を検出することができる。そのため、軽量化および低コスト化を図ることができる。
【００４７】
＜第２の変形例＞
上述の実施の形態に係る圧力検出装置を、本変形例において以下のように変形してもよい。
【００４８】
図８に示すように、圧力検出ユニット３００とは反対側の光ファイバ２００の端部に、光ファイバ２２００を接続する。
【００４９】
光ファイバ２２００は、主線部２２１０、光分波器２２２０、前線部２２３０Ａ、および後線部２２３０Ｂで構成される。主線部２２１０は、光分波器２２２０で前線部２２３０Ａと後線部２２３０Ｂとに分岐する。
【００５０】
光分波器２２２０とは反対側の前線部２２３０Ａの端部には、ＦＧＢ２２４０Ａが設けられる。ＦＧＢ２２４０Ａは、たとえばフロントバンパなどの車両前方に設けられる部品に固定される。
【００５１】
光分波器２２２０とは反端側の後線部２２３０Ｂの端部には、ＦＧＢ２２４０Ｂが設けられる。ＦＧＢ２２４０Ｂは、たとえばリヤバンパなどの車両後方の設けられる部品に固定される。
【００５２】
圧力検出ユニット３００にて、ＦＧＢ２２４０ＡやＦＧＢ２２４０Ｂからのブラッグ波長を検出することにより、電池パック１００内の各電池ユニット１１０の内部圧力に加えて、車両前方および車両後方に設けられる部品の圧力変化を検出する。
【００５３】
これにより、電池ユニット１１０の内部圧力と車両の衝突とを同じ光ファイバ系で一括して検出することができる。そのため、たとえば車両が衝突したことが検出された場合には、安全を確保するための制御を電池パック１００に対して迅速に行なうことができる。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧力検出装置を搭載した電力供給ユニットを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光ファイバの内部構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光ファイバの入射光の特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光ファイバの透過光の特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光ファイバの反射光の特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る圧力検出装置を構成するＥＣＵの制御構造を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態の第１の変形例に係る圧力検出装置を搭載した電力供給ユニットを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の第２の変形例に係る圧力検出装置を搭載した電力供給ユニットを示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  電力供給ユニット、１００  電池パック、１１０  電池ユニット、１２０  安全弁、１３０  排気管、２００，１２００，２２００  光ファイバ、２１０，２２１０  主線部、２２０，３２０，２２２０  光分波器、２３０  副線部、２４０，１２４０，２２４０Ａ，２２４０Ｂ  ＦＧＢ、２４２  コア部、２４４  反射部、３００  圧力検出ユニット、３１０  光源、３３０  受光器、３４０  アナログ回路、３５０  ＥＣＵ、２２３０Ａ  前線部、２２３０Ｂ  後線部。
【図１】
2009059582.tif 000003
【図２】
2009059582.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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