特開 2024-120708 光センサ、バッテリーの異常検知システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120708

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】光センサ、バッテリーの異常検知システム

(51)【国際特許分類】

   G01K 11/32 20210101AFI20240829BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240829BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20240829BHJP

【ＦＩ】

G01K11/32 Z

H01M10/48 301

G01R31/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027701

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】391045897

【氏名又は名称】古河ＡＳ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096091

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 誠一

(72)【発明者】

【氏名】上田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 英明

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 淳一

(72)【発明者】

【氏名】椎野 雅人

【テーマコード（参考）】

2F056

2G036

5H030

【Ｆターム（参考）】

2F056VF02

2F056VF12

2F056VF16

2F056VF17

2G036AA18

2G036BB08

5H030AA06

5H030FF22

(57)【要約】

【課題】 環境温度の影響を抑制し、感度よく熱異常を検知することが可能な光センサ及びこれを用いたバッテリーの異常検知システムを提供する。
【解決手段】 光センサ１は、温度異常を検知可能であって、主に、電源３、スイッチ４、光源５、受光器７、検知部９、プラスチックファイバ１１等から構成される。光源５は、例えばＬＥＤ光源であり、互いに波長の異なる複数の光源５が用いられる。光源５には、プラスチックファイバ１１の一端が光接続される。複数の光源５にはスイッチ４が配置され、使用する光源５を切り替えることが可能である。すなわち、スイッチ４を切り替えることで、プラスチックファイバ１１へ入射させる光の波長を切り替えることが可能である。プラスチックファイバ１１の他端には受光器７が光接続される。受光器７には検知部９が接続される。検知部９は、受光器７で受光した光強度に基づいて、異常を検知することが可能である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度異常を検知可能な光センサであって、
光源と、
一端が前記光源と光接続されるプラスチックファイバと、
前記プラスチックファイバの他端と光接続される受光器と、
前記受光器で受光した光強度に基づいて異常を検知することが可能な検知部と、
を具備し、
前記受光器で受光する光の波長を切り替えることが可能であることを特徴とする光センサ。

【請求項2】

互いに波長の異なる複数の前記光源と、
使用する前記光源を切り替えるスイッチと、
を具備し、
前記光源を切り替えることで、前記受光器で受光する光の波長を切り替えることが可能であることを特徴とする請求項１記載の光センサ。

【請求項3】

前記プラスチックファイバの外径が４５０μｍ以上であり、波長４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の前記光源を選択可能であることを特徴とする請求項２記載の光センサ。

【請求項4】

前記プラスチックファイバの外径が２５０μｍ±１３μｍであり、波長５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の前記光源を選択可能であることを特徴とする請求項２記載の光センサ。

【請求項5】

前記プラスチックファイバの外径が１２５μｍ±７μｍであり、波長６３０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の前記光源を選択可能であることを特徴とする請求項２記載の光センサ。

【請求項6】

前記スイッチを制御する制御部と、
使用する前記プラスチックファイバの種類又は前記プラスチックファイバの最小曲げ半径の情報を入力可能な入力部と、
を有し、
前記制御部は、前記入力部で入力された前記プラスチックファイバの種類又は前記プラスチックファイバの最小曲げ半径に紐づけられた前記光源を選択して、前記スイッチを切り替えることが可能であることを特徴とする請求項２記載の光センサ。

【請求項7】

前記スイッチを制御する制御部と、
使用する前記プラスチックファイバの種類又は前記プラスチックファイバの最小曲げ半径の情報を入力可能な入力部と、
前記光源の波長ごとの光出力の温度依存情報と、前記プラスチックファイバの種類による透過光強度の温度依存情報又は前記プラスチックファイバの曲げ半径による透過光強度の温度依存情報とを有する記憶部を有し、
前記制御部は、前記入力部で入力された情報に基づいて、前記受光器が受光する光強度の温度による影響が最も小さくなる前記光源を選択して、前記スイッチを切り替えることが可能であることを特徴とする請求項２記載の光センサ。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれかに記載の光センサを用いたバッテリーの異常検知システムであって、
前記プラスチックファイバが、バッテリーのセルに沿って配置され、
前記検知部は、いずれかの前記セルの温度異常に伴う損失の増加によって、バッテリーの温度異常を検知可能であることを特徴とするバッテリーの異常検知システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バッテリーの熱異常を検知することが可能な光センサ及びこれを用いたバッテリーの異常検知システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、電気機器や電気自動車の需要が増加しており、バッテリーについても開発が進んでいる。例えば、リチウムイオンバッテリーは、正極側と負極側を別々の電解液で満たし、これらがセパレータで仕切られた構造を有する。充放電の際には、リチウムイオンがセパレータを通過することで反応が進み、充電及び放電を行うことができる。

【0003】

ここで、何らかの原因（過充電、内部短絡、外部発熱など）がトリガーとなり、電池温度が上昇すると、セパレータのメルトダウンに至る場合がある。セパレータがメルトダウンすると、全面短絡が生じ、セル全体の発熱が進み、いわゆる熱暴走が生じる恐れがある。

【0004】

このような熱暴走に起因して、電気自動車の火災事故も発生しており、例えば、２０２０年には、国連のＵＮ規則において、乗員室に危険が発生する前に脱出を可能とする時間、又は５分前に事前警告表示を行うことが規定された。このため、バッテリーの異常を迅速に検知することが可能な方法が要求される。

【0005】

このようなバッテリーの異常検知方法としては、例えば、バッテリーの温度を測定する温度センサ、圧力を測定する圧力センサ、およびガス濃度を測定するガスセンサを用いたバッテリー異常検知装置が提案されている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０２２－５２９４０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ここで、通常、複数のセルが連結されてバッテリースタックが構成され、バッテリーは、複数のバッテリースタックが集合されて構成される。また、セルの温度を測定する温度センサとしては、一般的にセルに接触するサーミスタが使用される。しかし、すべてのセルごとにサーミスタを配置するのは配策面やコスト面から問題がある。

【0008】

これに対し、光ファイバ（光センサ）を用いてスタック全体を一括して温度測定する方法もある。光センサを用いて温度測定を行うことで、セルの個々に温度センサを配置する必要がない。しかし、例えば、後方散乱光を計測するようなＯＴＤＲは、どのセルが異常であるかの位置も特定はできるものの、装置が大型であり高価である。

【0009】

一方、光ファイバの透過光の減衰・遮断により異常を検知する光センサを用いれば、どのセルが異常であるかは把握できないが、構造が簡易であり異常検知にも適用可能である。しかし、このような光センサを用いて温度測定を行った際には、各部材の周囲の環境温度の変化の影響を受けるため、必ずしも精度の良い測定が容易ではなかった。

【0010】

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、環境温度の影響を抑制し、感度よく熱異常を検知することが可能な光センサ及びこれを用いたバッテリーの異常検知システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前述した目的を達成するため、第１の発明は、温度異常を検知可能な光センサであって、光源と、一端が前記光源と光接続されるプラスチックファイバと、前記プラスチックファイバの他端と光接続される受光器と、前記受光器で受光した光強度に基づいて異常を検知することが可能な検知部と、を具備し、前記受光器で受光する光の波長を切り替えることが可能であることを特徴とする光センサである。

【0012】

互いに波長の異なる複数の前記光源と、使用する前記光源を切り替えるスイッチと、を具備し、前記光源を切り替えることで、前記受光器で受光する光の波長を切り替えることが可能であってもよい。

【0013】

前記プラスチックファイバの外径が４５０μｍ以上であり、波長４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の前記光源を選択可能であってもよい。

【0014】

前記プラスチックファイバの外径が２５０μｍ±１３μｍであり、波長５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の前記光源を選択可能であってもよい。

【0015】

前記プラスチックファイバの外径が１２５μｍ±７μｍであり、波長６３０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の前記光源を選択可能であってもよい。

【0016】

前記スイッチを制御する制御部と、使用する前記プラスチックファイバの種類又は前記プラスチックファイバの最小曲げ半径の情報を入力可能な入力部と、を有し、前記制御部は、前記入力部で入力された前記プラスチックファイバの種類又は前記プラスチックファイバの最小曲げ半径に紐づけられた前記光源を選択して、前記スイッチを切り替えることが可能であってもよい。

【0017】

前記スイッチを制御する制御部と、使用する前記プラスチックファイバの種類又は前記プラスチックファイバの最小曲げ半径の情報を入力可能な入力部と、前記光源の波長ごとの光出力の温度依存情報と、前記プラスチックファイバの種類による透過光強度の温度依存情報又は前記プラスチックファイバの曲げ半径による透過光強度の温度依存情報とを有する記憶部を有し、前記制御部は、前記入力部で入力された情報に基づいて、前記受光器が受光する光強度の温度による影響が最も小さくなる前記光源を選択して、前記スイッチを切り替えることが可能であってもよい。

【0018】

第１の発明によれば、光ファイバの一端から光を入射して、他端から出射される光の強度によって温度異常を検知するため、構造が簡易である。また、受光する光の波長を切りかえることが可能であるため、使用条件に合わせて、適切な光を受光器に入射させることができる。

【0019】

このような方法としては、多数の波長の光を含む光をプラスチックファイバに入射させて、受光器側で受光器に入射させる光の波長を分波してもよいし、光源側を切り替えてもよいが、互いに波長の異なる複数の光源をスイッチで切り替え可能とすることで、使用するプラスチックファイバの種類や敷設状態等に応じて適切な光源を選択して使用することができる。

【0020】

特に、プラスチックファイバの外径が４５０μｍ以上であれば、波長４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の光源を選択することで、環境温度による影響をより低減することができる。同様に、プラスチックファイバの外径が２５０μｍ±１３μｍであれば、波長５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の光源を選択することで、環境温度による影響をより低減することができる。同様に、プラスチックファイバの外径が１２５μｍ±７μｍであれば、波長６３０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光源を選択することで、環境温度による影響をより低減することができる。

【0021】

また、使用するプラスチックファイバの種類又はプラスチックファイバの最小曲げ半径の情報を入力可能な入力部とスイッチを制御する制御部を用いることで、入力した情報に基づいて制御部によって適切な光源を選択させることができる。

【0022】

さらに、光源等の温度依存情報を記憶部に保存しておき、入力部から所定の条件を入力することで、入力した条件に基づいて制御部が適切な光源を自動で選択することができる。

【0023】

第２の発明は、第１の発明にかかる光センサを用いたバッテリーの異常検知システムであって、前記プラスチックファイバが、バッテリーのセルに沿って配置され、前記検知部は、いずれかの前記セルの温度異常に伴う損失の増加によって、バッテリーの温度異常を検知可能であることを特徴とするバッテリーの異常検知システムである。

【0024】

第２の発明によれば、環境温度の影響を抑制し、感度よくバッテリーの温度異常を検知することができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、環境温度の影響を抑制し、感度よく熱異常を検知することが可能な光センサ及びこれを用いたバッテリーの異常検知システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】バッテリー異常検知システム１０の構成を示す概略図。

【図2】光ファイバ径ごとの環境温度による損失変動の関係を示す図。

【図3】光源ごとの環境温度による損失変動の関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施の形態にかかるバッテリー異常検知システムについて説明する。図１は、バッテリー異常検知システム１０を示す概略図である。バッテリー異常検知システム１０は、光センサ１が利用されたものである。光センサ１は、温度異常を検知可能であって、主に、電源３、スイッチ４、光源５、受光器７、検知部９、プラスチックファイバ１１等から構成される。

【0028】

光源５は、例えばＬＥＤ光源である。本実施形態では、互いに波長の異なる複数の光源５が用いられる。例えば、波長４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の青色ＬＥＤと、波長５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の緑色ＬＥＤと、波長６３０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の赤色ＬＥＤが配置される。

【0029】

光源５には、プラスチックファイバ１１の一端が光接続される。なお、ＬＥＤ光源自体も環境温度により出力が変化する場合があるので受光器で検出したＬＥＤ出力が一定になるようにＬＥＤ駆動電流を調整しても良いし、中身の温度変化が小さい筐体に収納しても良い。

【0030】

また、複数の光源５にはスイッチ４が配置され、使用する光源５を切り替えることが可能である。すなわち、スイッチ４を切り替えることで、プラスチックファイバ１１へ入射させる光の波長を切り替えることが可能である。

【0031】

プラスチックファイバ１１は、バッテリーの複数のセル１３（スタック１５）に沿って配置される。図示した例では、１本のプラスチックファイバ１１が、複数のスタック１５に沿って配置される。また、プラスチックファイバ１１の他端には受光器７が光接続される。

【0032】

受光器７には検知部９が接続される。検知部９は、受光器７で受光した光強度に基づいて、異常を検知することが可能である。例えば、検知部９は、受光する光の強度をモニタリングして、いずれかのセル１３の温度異常に伴う光強度の低下（損失の増加）によって、バッテリーの温度異常を検知可能である。

【0033】

例えば、検知部９は、受光器７で受光した光の光強度があらかじめ設定された光強度を下回った場合（すなわち、プラスチックファイバの光損失が所定以上大きくなった場合）に、バッテリーが異常であると判定する。なお、光センサ１に用いられるプラスチックファイバ１１としては、１００℃以上において軟化又は溶融するものが望ましい。このようなプラスチックファイバ１１によれば、１００℃を超えると軟化・溶融によって急激に損失が増大するため、検知部９によって異常を検知することが可能である。

【0034】

また、検知部９は、受光器７で受光した光の光強度があらかじめ設定された光強度を上回った場合（すなわち、プラスチックファイバの光損失が所定以上小さくなった場合）に、システムが異常であると判定することもできる。このように、検知部９は、光損失の変化から異常を検知可能である。なお、検知部９は、受光器７で受光した光の光強度の時間当たりの低下率（プラスチックファイバの光損失の時間当たりの増加率）からも、バッテリーの異常を検知してもよい。すなわち、急激に受光器７で受光した光の光強度が低下した場合（プラスチックファイバの光損失が急激に増加した場合）に、バッテリーが異常であると判定してもよい。また、これらの両方によって判断してもよい。

【0035】

スイッチ４には、制御部８が接続される。制御部８は、スイッチ４を制御して、使用する光源５を選択することが可能である。制御部８は、入力部６と記憶部１２が接続される。入力部６は、使用するプラスチックファイバ１１の種類（径や材質）を入力可能である。なお、入力部６は、予め設定された複数の選択肢から選択可能としてもよい。

【0036】

記憶部１２には、光源５の波長ごとの温度と光源５から出力される光出力との関係を示す光源温度依存情報と、プラスチックファイバ１１の種類ごとの温度とプラスチックファイバ１１を透過する透過光強度との関係を示すプラスチックファイバ温度依存情報が記憶される。

【0037】

例えば、図２は、プラスチックファイバ１１の径ごとの温度変化による透過光強度変化を示す図である。また、図３は、光源（波長）ごとの温度変化による出力変化を示す図である。このように、光源５の波長やプラスチックファイバ１１の径によって温度依存性が異なる。

【0038】

このため、プラスチックファイバ温度依存情報としては、プラスチックファイバ１１の種類ごとに、例えば基準温度（２５℃）における透過光強度を基準として、低温（例えば－４０℃）における透過光強度及び高温（例えば６０℃）における透過光強度の情報が記憶されている。一例を表１に示す。

【0039】

【表1】

【0040】

表１に示すように、２５℃における透過光強度を１とした場合、低温時と高温時とでは、透過光強度が変化し、また、その変化量（率）がプラスチックファイバ１１の外径によって異なる。

【0041】

同様に、ＬＥＤ光源は、波長によって光出力の温度依存性が異なる。このため、光源温度依存情報としては、光源５ごとに（波長ごとに）、例えば基準温度（２５℃）における光出力を基準として、低温（例えば－４０℃）における透過光強度及び高温（例えば８０℃）における光出力の情報が記憶されている。一例を表２に示す。

【0042】

【表2】

【0043】

上述したように、プラスチックファイバ１１の透過光強度の温度依存性と光源５による光出力の温度依存性が大きいため、光センサ１による検出精度が温度変化によって低下する。そこで、本実施形態では、使用するプラスチックファイバ１１の種類に応じて、使用する光源５を変更することで、この温度変化に伴う精度低下を抑制する。表３には、例として、適切なプラスチックファイバ１１の径と使用する光源５の適切な組み合わせを示す一例である。

【0044】

【表3】

【0045】

表３に示すように、プラスチックファイバ１１の温度依存性と光源５の温度依存性を乗じると、互いの温度依存性が補償され、単独での温度依存性と比較して温度による変化が小さくなり、光検出精度を高めることができる。例えば、使用するプラスチックファイバの外径が４５０μｍ以上の場合には、青色ＬＥＤ（４００～４６０ｎｍ）を選択することで、常温（２５℃）での受光器で受光した光強度に比較して－４０℃から８０℃における周囲温度による変化量を±１５％以下（－１３％～＋１２％）の範囲に安定させることができる。

【0046】

同様に、ファイバ外径２５０±１３μｍの場合には、緑色ＬＥＤ（５００～５６０ｎｍ）を選択することで、常温での受光器で受光した光強度に比較して－４０℃から８０℃における周囲温度による変化量を－１３％～０％の範囲に安定させることができる。

【0047】

同様に、ファイバ外径１２５±７μｍの場合には、赤色ＬＥＤ（６３０～７００ｎｍ）を選択することで、常温での受光器で受光した光強度に比較して－４０℃から８０℃における周囲温度による変化量を－３６％～０％の範囲に安定させることができる。

【0048】

このため、使用者は、予め入力部６から、使用するプラスチックファイバ１１の径を入力することで、制御部８は、入力部６で入力された情報に基づいて、受光器７が受光する光強度の温度による影響が最も小さくなる光源を５選択してスイッチ４を切り替え、温度による精度の低下を抑制することができる。

【0049】

以上、本実施形態によれば、使用するプラスチックファイバ１１の径に応じて、使用する光源５を切り替えることで、温度による精度の低下（ばらつき）を抑制して、精度よく異常を検知することができる。

【0050】

なお、上述した例では、プラスチックファイバ１１の径を入力して、制御部８が使用する光源５を選択したが、光源５の選択を他の情報に基づいて行ってもよい。例えば、プラスチックファイバ１１の種類（材質）に応じても、温度による透過光強度の温度依存性が異なる。また、敷設したプラスチックファイバ１１の曲げ半径によっても、温度による透過光強度の温度依存性が異なる。

【0051】

この場合、例えば、入力部６から、配置されたプラスチックファイバ１１の最小曲げ半径を入力すると、制御部８が入力部６で入力された情報に基づいて、受光器が受光する光強度の温度による影響が最も小さくなる光源５を選択して、スイッチ４を切り替えることができる。このように、記憶部１２に、プラスチックファイバ１１の曲げ半径ごとの透過光強度の温度依存情報（例えば曲げ半径範囲ごとに、常温時を基準とした低温時と高温時の透過光強度情報）を保存しておけば、プラスチックファイバ１１の曲げ半径に基づいて光源５を選択することもできる。

【0052】

なお、上述した例では、記憶部１２に、光源５の波長ごとの光出力の温度依存情報と、プラスチックファイバ１１の径による透過光強度の温度依存情報又はプラスチックファイバ１１の曲げ半径による透過光強度の温度依存情報とが保存される例を示したが、これには限られない。例えば、プラスチックファイバの種類又は曲げ半径を入力した際に、制御部８は、予め紐づけられた光源５を単に選択するようにしてもよい。また、制御部８、入力部６、記憶部１２を用いずに、スイッチ４を手動で切り替え可能としてもよい。

【0053】

また、上述した例では、スイッチ４を用いてプラスチックファイバ１１と光接続させる光源５を選択可能としたが、複数の光源５をスイッチ４によって切り替えなくてもよい。例えば、光源５として複数の波長を含んだ白色ＬＥＤを用い、分波器を利用して、受光器７に導入される光の波長を分波してもよい。この場合、分波器を制御部８で制御してもよいし、手動で受光する波長を選択してもよい。すなわち、受光器７で受光する光の波長を切り替えることが可能であれば、光源５を切り替えてもよいし、プラスチックファイバ１１を導波する光を分波してもよい。

【0054】

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0055】

１………光センサ
３………電源
４………スイッチ
５………光源
６………入力部
７………受光器
８………制御部
９………検知部
１０………バッテリー異常検知システム
１１………プラスチックファイバ
１２………記憶部
１３………セル
１５………スタック

【図1】

【図2】

【図3】