JP2013145716A

JP2013145716A - 電池モジュール及び車両

Info

Publication number: JP2013145716A
Application number: JP2012006367A
Authority: JP
Inventors: Yuki Sugimoto; 祐樹杉本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-25

Abstract

【課題】磁場が発生しても、電池のケース内の圧力が上昇したことを検出できる電池モジュール及び車両を提供すること。
【解決手段】車両に搭載される電池モジュール１０は、角形電池１〜３と、角形電池１〜３に取り付けられた光ファイバ３１とから構成されている。角形電池１〜３は、ケース１１内に電極体１２を収容してなる。ケース１１の天板１１ａには、感圧部材２１が設けられている。光ファイバ３１には、その軸方向に沿ってＦＢＧ部が形成されており、ＦＢＧ部は各角形電池１〜３の感圧部材２１に取り付けられている。ＦＢＧ部は、形状の変化に基づいて入射光に対する透過光及び反射光の波長を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池と、形状の変化に基づいて入射光に対する反射光の波長を変化させるファイバブラッググレーティング部を有する光ファイバと、を備えた電池モジュール及び該電池モジュールを搭載した車両に関する。

例えば、電池が異常な状態で充放電された場合、ケース内にガスが発生するおそれがある。ガスの発生に伴い、ケース内の圧力が高くなるとケースが破損する原因となる。そこで、電池には、ケース内の圧力を検知する異常検知システムが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

この異常検知システムにおいて、電池収容ケース内には、複数の円筒型電池を直列接続することにより構成された組電池が収容されている。電池収容ケース内には、電池収容ケースの内圧値を検出する圧力センサ部が設けられている。圧力センサ部は、信号線を介して電池ＥＣＵに電気的及び機械的に接続されている。また、電池ＥＣＵは、信号線を介して電流遮断部に電気的及び機械的に接続されている。

そして、電池ＥＣＵは、圧力センサ部から出力される圧力情報に基づき、電池収容ケースの内圧を監視しており、電池収容ケースの内圧値の変化率が所定値を超えると、電流遮断部に異常信号を出力する。電流遮断部は、異常信号を受信すると電池に電流が流れることを遮断する。この結果、電池が異常な状態で充放電されることが防止される。

特開２０１０−４５００１号公報

ところで、圧力センサ部は、圧力の変化に伴う電池収容ケースの抵抗値の変化を、微少な電流を流すことにより検出している。しかしながら、電池の充放電時には、電池に流れる大電流により磁場が発生することから、磁場の影響により電池収容ケースの内圧値を正確に測定できない場合がある。このため、ケース内の圧力が上昇したことを検出できないおそれがある。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、磁場が発生しても、電池のケース内の圧力が上昇したことを検出できる電池モジュール及び車両を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ケース内に電極体を収容してなる電池と、形状の変化に基づいて入射光に対する反射光の波長を変化させるファイバブラッググレーティング部を有する光ファイバと、を備えた電池モジュールであって、前記ケースには、前記ケース内の圧力の上昇に伴い形状が変化する感圧部材が設けられ、前記感圧部材には、前記ファイバブラッググレーティング部が取り付けられることを要旨とする。

これによれば、ケース内の圧力が上昇し感圧部材の形状が変化するのに伴いファイバブラッググレーティング部の形状が変化する。ファイバブラッググレーティング部の形状が変化すると、入射光に対する反射光の波長が変化する。その結果として入射光に対する透過光の波長も変化するため、透過光及び反射光のいずれか一方の変化からケース内の圧力が上昇したことを検出することができる。そして、ケース内の圧力上昇は光の波長の変化に基づいて検出されるため、磁場の影響を受けにくい。このため、磁場が発生してもケース内の圧力が上昇したことを検出することができる。

また、前記電池は複数設けられ、前記感圧部材それぞれに前記ファイバブラッググレーティング部が取り付けられていてもよい。
これによれば、複数の電池のうち、いずれかの電池におけるケース内の圧力が上昇したことを検出することができる。

また、前記ファイバブラッググレーティング部は、取り付けられる前記電池ごとにグレーティング周期が異なっていてもよい。
これによれば、取り付けられる電池毎にファイバブラッググレーティング部のグレーティング周期が異なることから、各電池のケース毎に固有の波長成分が決められる。したがって、複数の電池のうち、いずれかの電池におけるケース内の圧力が上昇したときに、検出された波長成分を確認することで、どの電池におけるケース内の圧力が上昇したかを把握することができる。

また、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュールを車両に搭載してもよい。
これによれば、電池モジュールでは、電池のケース内の圧力が上昇したことを検出できるため、例えば、電池のケース内の圧力が上昇したときに電流を遮断することで、電池が異常な状態で放電されることが防止され、電池モジュールを搭載した車両は、電池からの電力により適切に走行することができる。

本発明によれば、磁場による影響を受けにくく、かつ、電池のケース内の圧力が上昇したことを検出できる。

実施形態における電池モジュールを示す斜視図。（ａ）〜（ｃ）は実施形態における角形電池の一部を破断して示す断面図。実施形態における光ファイバ、光源及び測定器の関係を示す図。実施形態における電池モジュールの作用図。別例の角形電池の一部を破断して示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、車両に搭載される電池モジュール１０は、複数（本実施形態では３個）並設された電池としての角形電池１〜３と、角形電池１〜３それぞれに設けられた光ファイバ３１と、から構成されている。角形電池１〜３は、同一の角形電池であるが、説明の便宜上、その並設方向に沿って、第１角形電池１、第２角形電池２、第３角形電池３と別の符号を付して説明を行う。なお、以下の説明において、角形電池１〜３の厚み方向を図中矢印Ｘで示す方向とし、角形電池１〜３の幅方向を図中矢印Ｙで示す方向とし、角形電池１〜３の高さ方向を図中矢印Ｚで示す方向とする。

角形電池１〜３は、矩形状をなすとともに、その厚み方向に所定の間隔を空けて並設されている。角形電池１〜３は矩形状のケース１１と、ケース１１内に収容された電極体１２から構成されている。電極体１２は、図示しない正極体及び負極体から構成されている。ケース１１の天板１１ａには、正極端子１３及び負極端子１４が突設されている。ケース１１の天板１１ａにおいて正極端子１３と負極端子１４の間には、ケース１１内の圧力の上昇に伴い形状が変化する金属製の感圧部材２１が設けられている。

図２に示すように、感圧部材２１の厚みは、天板１１ａの厚みよりも薄く形成されている。感圧部材２１は、ケース１１内の圧力が上昇していないときには、その形状が変化せず、天板１１ａと面一となっている。一方、感圧部材２１は、ケース１１内の圧力が上昇すると、ケース１１の外側に向かって突出するようにその形状が変化する。

次に、光ファイバ３１について詳細に説明する。
光ファイバ３１には、その軸方向に沿って第１〜第３ファイバブラッググレーティング部３２〜３４（以下、第１〜第３ＦＢＧ部３２〜３４と示す）が一定間隔おきに形成されており、各ＦＢＧ部３２〜３４が形成された部分が柔軟性のある接着剤で各角形電池１〜３の感圧部材２１に接着されている。本実施形態では、第１角形電池１の感圧部材２１に第１ＦＢＧ部３２が接着され、第２角形電池２の感圧部材２１に第２ＦＢＧ部３３が接着され、第３角形電池３の感圧部材２１に第３ＦＢＧ部３４が接着されている。ＦＢＧ部３２〜３４は、感圧部材２１のケース１１の外側へ向けた突出を阻害しないように感圧部材２１に取り付けられている。そして、ＦＢＧ部３２〜３４は、感圧部材２１のケース１１の外側へ向けた突出に伴いその形状が変化する。また、ＦＢＧ部３２〜３４は、形状の変化に基づいて入射光に対する透過光及び反射光の波長を変化させる。

ＦＢＧ部３２〜３４は、光ファイバ３１の軸方向に沿って一定間隔毎に形成された複数のブラッグ格子３２ａ〜３４ａから形成されている。そして、ブラッグ格子３２ａ〜３４ａの形成間隔からグレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３が定まり、グレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３は、ブラッグ波長を規定する要素の一つとなっている。したがって、グレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３が変化することにより、ブラッグ波長も変化する。光ファイバ３１に入射した入射光のうち、ブラッグ波長の成分は反射光となり、ブラッグ波長以外の成分は透過光となる。すなわち、入射光に対する反射光が変化すると、その結果として入射光に対する透過光も変化することになる。

ＦＢＧ部３２〜３４は、取り付けられる角形電池１〜３毎に、ブラッグ格子３２ａ〜３４ａの形成間隔が異なるようになっている。すなわち、ＦＢＧ部３２〜３４は、取り付けられる角形電池１〜３毎に、そのグレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３が異なるように形成されている。これにより、ＦＢＧ部３２〜３４のブラッグ波長は、取り付けられる角形電池１〜３毎に異なっている。本実施形態では、第１ＦＢＧ部３２のグレーティング周期Ｔ１、第２ＦＢＧ部３３のグレーティング周期Ｔ２、第３ＦＢＧ部３４のグレーティング周期Ｔ３の順にグレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３が短くなるようにブラッグ格子３２ａ〜３４ａが形成されている。

そして、感圧部材２１は、ケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇したときには、その形状が所定量変化するようになっている。この所定量は、各ＦＢＧ部３２〜３４のブラッグ波長を予め定めた一定以上変化させる量である。また、感圧部材２１は、ケース１１内の圧力が閾値未満のときには、各ＦＢＧ部３２〜３４のブラッグ波長を一定以上変化させない程度に形状が変化するようになっている。すなわち、ケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇すると、感圧部材２１の形状の変化に伴って各ＦＢＧ部３２〜３４のブラッグ波長が一定以上変化するようになっている。この閾値は、感圧部材２１の厚みを変更することによって変更することができる。また、この閾値は、ケース１１内の圧力の上昇に伴うケース１１の破損が起こり得る圧力値よりも若干低い値に設定され、ケース１１の充放電に影響を与えない圧力の範囲内で決定される。

図３に示すように、光ファイバ３１の軸方向一端には、光ファイバ３１に光を入射する光源４１が配設されるとともに、光ファイバ３１の軸方向他端には、光ファイバ３１内を通過した透過光の波長成分を測定することができる測定器４２が配設されている。

次に、本実施形態における電池モジュール１０の作用について説明する。
電池モジュール１０の放電に伴い車両が駆動された状態において、光ファイバ３１には、光源４１から光が入射されている。

図４に示すように、角形電池１〜３のケース１１内の圧力が上昇すると、感圧部材２１がケース１１の外側に向かって突出するように変形する。なお、感圧部材２１のケース１１の外側へ向けた突出は、実際には極わずかであるが、説明の便宜上、図４ではその変化量を誇大して表現している。ケース１１内の圧力が閾値未満の場合には、感圧部材２１の変形量が小さく、ＦＢＧ部３２〜３４の形状は変化するものの、予め定めた一定以上のブラッグ波長の変化がないため、感圧部材２１が変形したことは検出しない。ケース１１内の圧力が閾値以上の場合は、感圧部材２１の変形に伴い、ＦＢＧ部３２〜３４の形状がブラッグ波長を一定以上変化させるまで変化する。そして、ＦＢＧ部３２〜３４の形状の変化に伴い、各ＦＢＧ部３２〜３４に対応したブラッグ波長が一定以上変化する。透過光のスペクトルから、ブラッグ波長が一定以上変化したことを検出することができるため、測定器４２では、感圧部材２１が変形したことを検出することができる。特に、本実施形態では、ＦＢＧ部３２〜３４毎にブラッグ波長が異なっているため、第１〜第３ＦＢＧ部３２〜３４のうち、どのＦＢＧ部３２〜３４の形状が変化したかを把握することができる。すなわち、測定される透過光の変化から、角形電池１〜３のケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇したことを検出することができる。したがって、本実施形態における電池モジュール１０と、光ファイバ３１に光を入射する光源４１と、入射光に対する透過光を測定する測定器４２と、から角形電池１〜３のケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇したことを検出できる電池圧力監視システムが構成されていると捉えることもできる。

したがって、上記実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）角形電池１〜３のケース１１に感圧部材２１を設けるとともに、この感圧部材２１に光ファイバ３１のＦＢＧ部３２〜３４を取り付けた。そして、ケース１１の圧力上昇に伴う、感圧部材２１の変形をＦＢＧ部３２〜３４の形状変化によって検出するようにした。そして、ＦＢＧ部３２〜３４の形状に伴うブラッグ波長の変化によって、角形電池１〜３のケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇したかを検出することができる。ケース１１内の圧力上昇は、光の波長の変化に基づいて検出される。光は、磁場の影響を受けにくいため、角形電池１〜３の充放電時などに磁場が発生しても、ケース１１内の圧力が上昇したことを検出することができる。

（２）電池モジュール１０として複数の角形電池１〜３を並設するとともに、各角形電池１〜３の感圧部材２１にＦＢＧ部３２〜３４を取り付けた。そして、角形電池１〜３毎にグレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３が異なるようにした。このため、角形電池１〜３の感圧部材２１が変形したときに、透過光のスペクトルの波長成分から、どのＦＢＧ部３２〜３４の形状が変化したかを把握することができる。したがって、複数並設された角形電池１〜３の中から、どの角形電池１〜３のケース１１内の圧力が上昇したかを把握することができる。

（３）ケース１１の圧力上昇を検知するため、電力で駆動する圧力センサを用いる場合、各圧力センサに対して、一つずつ電源を要する。本実施形態では、複数の角形電池１〜３に感圧部材２１を設けるとともに、各感圧部材２１にＦＢＧ部３２〜３４を取り付けている。そして、ＦＢＧ部３２〜３４は、１本の光ファイバ３１に設けられている。このため、１本の光ファイバ３１で複数の角形電池１〜３のケース１１内の圧力上昇を検出できる。したがって、必要となる電源は、光源４１の電源のみとなり、省エネルギー化が図られる。

（４）角形電池１〜３のケース１１に、ケース１１内の圧力が上昇したときにケース１１の外側へ向けて突出するように変形する感圧部材２１を設けている。このため、ケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇したことを的確に検出することができる。

（５）車両に電池モジュール１０を搭載している。電池モジュール１０では、角形電池１〜３のケース１１内の圧力が上昇したことを検出できるため、例えば、角形電池１〜３のケース１１内の圧力が上昇したときに電流を遮断することで、角形電池１〜３が異常な状態で放電されることが防止され、電池モジュール１０を搭載した車両は、角形電池１〜３からの電力により適切に走行することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、ＦＢＧ部３２〜３４は、取り付けられる角形電池１〜３毎に、グレーティング周期Ｔ１〜Ｔ３が異なるように形成したが、同一のグレーティング周期としてもよい。この場合、角形電池１〜３のうち、いずれかの角形電池におけるケース１１内の圧力が閾値以上まで上昇したことを検出することができる。

○ 実施形態において、透過光の変化から角形電池１〜３のケース１１内の圧力の上昇を検出したが、反射光から角形電池のケース１１内の圧力の上昇を検出してもよい。この場合、光ファイバ３１の軸方向一端、すなわち、光源４１と同一方向に反射光の波長成分を測定できる測定器４２を配設する。光ファイバ３１に入射した光は、ブラッグ波長の成分が反射光となって光ファイバ３１の軸方向一端に反射するため、反射光からブラッグ波長の変化を検出すればよい。

○ 実施形態において、電池として角形電池１〜３を採用したが、円筒形電池や、ラミネート型の電池など、他の形状の電池を採用してもよい。
○ 実施形態において、電池モジュール１０を複数の角形電池１〜３を備える構成としたが、電池モジュール１０を、単数の角形電池を備える構成としてもよい。

○ 実施形態において、角形電池１〜３の天板１１ａに感圧部材２１を設けたが、角形電池１〜３の幅方向の面や、厚み方向の面などに設けてもよい。
○ 実施形態において、ＦＢＧ部３２〜３４を接着剤により感圧部材２１に取り付けたが、ロウ材や、粘着テープにより取り付けてもよい。すなわち、感圧部材２１のケース１１の外へ向けた突出を阻害しなければ、どのような方法で取り付けてもよい。

○ 実施形態において、金属製の感圧部材２１を用いたが、樹脂製の感圧部材２１など、他の材料からなる感圧部材２１を用いてもよい。すなわち、ケース１１内の圧力が上昇したときに、その形状が変化する材料であればよい。

○ 図５に示すように、ケース１１における天板１１ａの一部に、他の部分よりも厚みの薄い薄肉部１１ｂを形成するとともに、薄肉部１１ｂを感圧部材として機能させてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（イ）ケース内に正極体及び負極体からなる電極体を収容してなる電池と、形状の変化に基づいて入射光に対する透過光及び反射光の波長を変化させるファイバブラッググレーティング部を有する光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記入射光に対する透過光又は反射光を測定する測定器と、を備えた電池内圧力監視システムであって、前記ケースには、前記ケース内の圧力の向上に伴い形状が変化する感圧部材が設けられ、前記感圧部材には、前記ファイバブラッググレーティング部が取り付けられることを特徴とする電池圧力監視システム。

（ロ）前記電池は複数設けられ、各電池の前記感圧部材に前記ファイバブラッググレーティング部が取り付けられることを特徴とする技術的思想（イ）に記載の電池圧力監視システム。

（ハ）前記ファイバブラッググレーティング部は、取り付けられる前記電池ごとにグレーティング周期が異なることを特徴とする技術的思想（ロ）に記載の電池圧力監視システム。

１…電池としての第１角形電池、２…電池としての第２角形電池、３…電池としての第３角形電池、１０…電池モジュール、１１…ケース、１１ｂ…感圧部材としての薄肉部、１２…電極体、２１…感圧部材、３１…光ファイバ、３２…第１ファイバブラッググレーティング部、３３…第２ファイバブラッググレーティング部、３４…第３ファイバブラッググレーティング部。

Claims

ケース内に電極体を収容してなる電池と、形状の変化に基づいて入射光に対する反射光の波長を変化させるファイバブラッググレーティング部を有する光ファイバと、を備えた電池モジュールであって、
前記ケースには、前記ケース内の圧力の上昇に伴い形状が変化する感圧部材が設けられ、
前記感圧部材には、前記ファイバブラッググレーティング部が取り付けられることを特徴とする電池モジュール。
前記電池は複数設けられ、前記感圧部材それぞれに前記ファイバブラッググレーティング部が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
前記ファイバブラッググレーティング部は、取り付けられる前記電池ごとにグレーティング周期が異なることを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュールを搭載したことを特徴とする車両。