KR101564536B1

KR101564536B1 - 배터리 온도 조정 장치

Info

Publication number: KR101564536B1
Application number: KR1020157009112A
Authority: KR
Inventors: 겐타로 하타; 겐타로 오시마; 퀴예 양
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-10-29
Also published as: CN104756305B; US20150291019A1; EP2916383A1; EP2916383A4; KR20150056587A; US9566859B2; JP5967214B2; CN104756305A; WO2014069270A1; JPWO2014069270A1; EP2916383B1

Abstract

온도 조정 유닛의 증발기에서 발생한 응축수가, 배터리 모듈의 전극까지 도달해 버리는 것을 방지하는 것. 배터리 온도 조정 장치는, 배터리 모듈군으로서의 배터리 스택(2) 및 온도 조정 유닛(3)을 수납하는 배터리팩 케이스(1)를 구비한다. 이 배터리 온도 조정 장치에 있어서, 온도 조정 유닛(3)은, 풍류 방향의 상류측으로부터, 에어컨 유닛(107)의 냉매를 사용하여 열교환을 행하는 증발기(32)와, 팩 케이스 내기를 순환시키는 블로워 팬(33)과, 핀 부재로서의 PTC 히터(34)와, 배터리 스택(2)으로 바람을 송풍하는 유닛 덕트(35)를 갖는다.

Description

배터리 온도 조정 장치 {BATTERY TEMPERATURE REGULATION DEVICE}

본 발명은 배터리팩 케이스에 수용된 배터리 모듈의 온도 조정을 행하는 배터리 온도 조정 장치에 관한 것이다.

종래, 증발기에서 발생하는 응축수를 배수시키기 위해, 증발기를 기울여 배수 드레인을 설치한 구조가 개시된 차량용 배터리 냉각 시스템이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 제2008-54379호 공보

그러나, 종래의 차량용 배터리 냉각 시스템에 있어서는, 배수 드레인을 설치한 구조로 하고 있으므로, 배수 드레인으로부터 물, 먼지, 진흙 등의 이물질이 들어가 버려, 배터리 전극에 도달하면 전극 단락이 발생할 우려가 있다고 하는 문제가 있었다. 또한, 이러한 문제를 피하기 위해, 배수 드레인을 설치하지 않는 경우에는, 증발기에서 발생한 응축수가 배터리 모듈의 전극까지 도달해 버린다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제에 착안하여 이루어진 것으로, 온도 조정 유닛의 증발기에서 발생한 응축수가, 배터리 모듈의 전극까지 도달해 버리는 것을 방지하는 배터리 온도 조정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배터리 온도 조정 장치는, 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈의 온도를 조정하는 온도 조정 유닛과, 상기 배터리 모듈 및 상기 온도 조정 유닛을 수납하는 배터리팩 케이스를 구비한다.

상기 온도 조정 유닛은, 풍류 방향의 상류측으로부터, 차실 내 에어컨의 냉매를 사용하여 열교환을 행하는 증발기와, 팩 케이스 내기를 순환시키는 송풍기와, 핀 부재와, 상기 배터리 모듈로 바람을 송풍하는 덕트를 갖는다.

따라서, 증발기에서 응축수가 발생한 경우에 있어서는, 증발기의 하류 위치에 송풍기와 핀 부재를 배치하고 있으므로, 증발기로부터 보내지는 세립 형상의 응축수가, 송풍기나 핀 부재에 부착되어 증발함으로써 블록된다. 또한, 증발기의 하류 위치에 송풍기와 핀 부재와 덕트를 설치함으로써, 증발기로부터 배터리 전극까지의 거리가 확보되므로, 응축수가 배터리의 전극에 도달하기 어려워진다.

즉, 응축수 블록 작용에 응축수의 전극 부착 지연 작용이 더해짐으로써, 응축수가 핀 부재의 하류 위치에 배치된 배터리 모듈에 도달하는 일이 없다.

이 결과, 온도 조정 유닛의 증발기에서 발생한 응축수가, 배터리 모듈의 전극까지 도달해 버리는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)이 탑재된 전기 자동차를 도시하는 개략 측면도이다.
도 2는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)이 탑재된 전기 자동차를 도시하는 개략 저면도이다.
도 3은 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)을 도시하는 전체 사시도이다.
도 4는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)을 도시하는 배터리팩 케이스 어퍼 커버를 제거한 사시도이다.
도 5는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)의 케이스 내부 공간의 영역 구분 구성을 도시하는 평면도이다.
도 6은 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)의 내부 구성과 온도 조정풍의 흐름을 도시하는 배터리팩 케이스 어퍼 커버를 제거한 평면도이다.
도 7은 온도 조정 유닛 주위에 있어서의 온도 조정 구성과 온도 조정풍의 흐름을 도시하는 도 6의 A부 확대도이다.
도 8은 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)에 탑재된 온도 조정 유닛의 PTC 히터의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)에 탑재된 온도 조정 유닛 및 배풍 덕트를 도시하는 사시도이다.

이하, 본 발명의 배터리 온도 조정 장치를 실현하는 최량의 형태를, 도면에 도시하는 실시예 1에 기초하여 설명한다.

실시예 1

우선, 구성을 설명한다.

실시예 1의 배터리 온도 조정 장치에 있어서의 구성을, 「배터리팩(BP)의 차량 탑재 구성」, 「배터리팩(BP)의 전체 상세 구성」, 「팩 케이스 내부 공간의 영역 구분 구성」, 「배터리 온도 조정 장치의 상세 구성」으로 나누어 설명한다.

[배터리팩(BP)의 차량 탑재 구성]

도 1 및 도 2는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)이 탑재된 전기 자동차를 도시한다. 이하, 도 1 및 도 2에 기초하여, 배터리팩(BP)의 차량 탑재 구성을 설명한다.

상기 배터리팩(BP)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 플로어 패널(100)의 하부인 바닥 하부의 휠 베이스 중앙부 위치에 배치된다. 플로어 패널(100)은, 모터 룸(101)과 차실(102)을 구획 형성하는 대시 패널(104)과의 접속 위치로부터 차량 후단부 위치까지 설치되고, 차량 전방으로부터 차량 후방까지의 플로어면 요철을 억제한 플랫 형상으로 하고 있다. 차실(102)에는, 인스트루먼트 패널(105)과, 센터 콘솔 박스(106)와, 에어컨 유닛(107)과, 탑승자 시트(108)를 갖는다. 또한, 차량 전방의 모터 룸(101)에는, 에어컨 유닛(107)에서 사용하는 냉매를 압축하는 에어컨 컴프레서(103)가 배치된다.

상기 배터리팩(BP)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 차체 강도 부재인 차체 멤버에 대해 8점 지지된다. 차체 멤버는, 차량 전후 방향으로 연장되는 한 쌍의 사이드 멤버(109, 109)와, 한 쌍의 사이드 멤버(109, 109)를 차폭 방향으로 연결하는 복수의 크로스 멤버(110, 110,…)를 가지고 구성된다. 배터리팩(BP)의 양측은, 한 쌍의 제1 사이드 멤버 지지점(S1, S1)과 한 쌍의 제1 크로스 멤버 지지점(C1, C1)과 한 쌍의 제2 사이드 멤버 지지점(S2, S2)에 의해 6점 지지된다. 배터리팩(BP)의 후방측은, 한 쌍의 제2 크로스 멤버 지지점(C2, C2)에 의해 2점 지지되어 있다.

상기 배터리팩(BP)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 대시 패널(104)을 따라 차량 전후 방향으로 배선한 충방전 하네스(111)를 통해, 모터 룸(101)에 배치되어 있는 강전 모듈(112)(DC/DC 컨버터＋충전기)과 접속된다. 이 모터 룸(101)에는, 강전 모듈(112) 이외에, 인버터(113)와, 모터 구동 유닛(114)(주행용 모터＋감속 기어＋디퍼렌셜 기어)을 갖는다. 또한, 차량 전방면 위치에는, 충전 포트 리드를 갖는 충전 포트(115)(급속 충전/보통 충전)가 설치되고, 충전 포트(115)는, 충전 하네스(117)에 의해 강전 모듈(112)에 접속된다.

상기 배터리팩(BP)은, 도시하지 않은 CAN 케이블 등의 쌍방향 통신선을 통해, 외부의 전자 제어 시스템과 접속됨과 함께, 인스트루먼트 패널(105) 내에 배치되어 있는 에어컨 유닛(107)을 구비한 차량 탑재 공조 시스템과 접속된다. 즉, 배터리 방전 제어(역행 제어)나 배터리 충전 제어(급속 충전 제어·보통 충전 제어·회생 제어) 등이 행해짐과 함께, 배터리팩(BP)의 내부 온도(배터리 온도)가, 냉풍 및 온풍에 의한 온도 조정풍에 의해 관리 제어된다.

[배터리팩(BP)의 전체 상세 구성]

도 3 및 도 4는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)의 상세를 도시한다. 이하, 도 3 및 도 4에 기초하여, 배터리팩(BP)의 전체 상세 구성을 설명한다.

실시예 1의 배터리팩(BP)은, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 케이스(1)와, 배터리 스택(2)과, 온도 조정 유닛(3)과, 서비스·디스커넥트·스위치(4)(강전 차단 스위치:이하, 「SD 스위치」라 함)와, 정션 박스(5)와, 리튬 이온·배터리·컨트롤러(6)(이하, 「LB 컨트롤러」라 함)를 구비하고 있다.

상기 배터리팩 케이스(1)는, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11)과 배터리팩 어퍼 커버(12)의 2부품에 의해 구성된다. 그리고, 배터리팩 로워 프레임(11)과 배터리팩 어퍼 커버(12)의 외주연을 따라 연속되는 환상의 시일 부재를 개재 장착하고, 2부품을 볼트 체결에 의해 고정함으로써, 외부로부터의 물 침입을 저지하는 수밀 구조로 되어 있다.

상기 배터리팩 로워 프레임(11)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 차체 멤버에 대해 지지 고정되는 프레임 부재이다. 이 배터리팩 로워 프레임(11)에는, 배터리 스택(2)이나 다른 팩 구성 요소(3, 4, 5, 6)를 탑재하는 사각형 오목부 공간을 갖는다. 이 배터리팩 로워 프레임(11)의 프레임 전단부 테두리에는, 냉매관 커넥터 단자(13)와 충방전 커넥터 단자(14)와 강전 커넥터 단자(15)(차실 내 공조용)와 약전 커넥터 단자(16)가 장착되어 있다.

상기 배터리팩 어퍼 커버(12)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11)을 수밀 상태로 덮는 커버 부재이다. 이 배터리팩 어퍼 커버(12)에는, 배터리팩 로워 프레임(11)에 탑재되는 각 팩 구성 요소(2, 3, 4, 5, 6) 중, 특히 배터리 스택(2)의 요철 높이 형상에 대응한 요철 단차면 형상에 의한 커버면을 갖는다.

상기 배터리 스택(2)(＝배터리 모듈군)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11)에 탑재되고, 제1 배터리 스택(21)과 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)의 3분할 스택에 의해 구성된다. 각 배터리 스택(21, 22, 23)은, 2차 전지(리튬 이온 배터리 등)에 의한 배터리 모듈(＝배터리 단위)을 복수 적층한 적층체 구조이다. 각 배터리 스택(21, 22, 23)의 자세한 구성은, 하기와 같다.

상기 제1 배터리 스택(21)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11) 중 차량 후방부 영역에 탑재된다. 이 제1 배터리 스택(21)은, 두께가 얇은 직육면체 형상의 배터리 모듈을 구성 단위로 하고, 복수개의 배터리 모듈을 두께 방향으로 적층한 것을 준비해 둔다. 그리고, 배터리 모듈의 적층 방향과 차폭 방향을 일치시켜 탑재하는 세로 적층(예를 들어, 20매 세로 적층)에 의해 구성하고 있다.

상기 제2 배터리 스택(22)과 상기 제3 배터리 스택(23)의 각각은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11) 중, 제1 배터리 스택(21)보다 전방측의 차량 중앙부 영역에 차폭 방향으로 좌우 나뉘어 한 쌍 탑재된다. 이 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)은 완전히 동일한 패턴에 의한 수평 적층 구성으로 하고 있다. 즉, 두께가 얇은 직육면체 형상의 배터리 모듈을 구성 단위로 하고, 복수매(예를 들어, 4매와 5매)의 배터리 모듈을 두께 방향으로 적층한 것을 복수개(예를 들어, 4매 적층을 1세트, 5매 적층을 2세트) 준비해 둔다. 그리고, 배터리 모듈의 적층 방향과 차량 상하 방향을 일치시킨 수평 적층 상태로 한 것을, 예를 들어 차량 후방으로부터 차량 전방을 향해 순서대로 4매 수평 적층·5매 수평 적층·5매 수평 적층과 같이, 차량 전후 방향으로 정렬시킴으로써 구성하고 있다. 제2 배터리 스택(22)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 전방측 배터리 스택부(22a, 22b)와, 전방측 배터리 스택부(22a, 22b)보다 높이 치수가 1매분 더 낮은 후방측 배터리 스택부(22c)를 갖는다. 제3 배터리 스택(23)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 전방측 배터리 스택부(23a, 23b)와, 전방측 배터리 스택부(23a, 23b)보다 높이 치수가 1매분 더 낮은 후방측 배터리 스택부(23c)를 갖는다.

상기 온도 조정 유닛(3)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11) 중 차량 전방측 공간의 우측 영역에 배치되고, 배터리팩(BP)의 후술하는 배풍 덕트(9)에 온도 조정풍(냉풍, 온풍)을 송풍한다.

상기 SD 스위치(4)는, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11) 중 차량 전방측 공간의 중앙부 영역에 배치되고, 수동 조작에 의해 배터리 강전 회로를 기계적으로 차단하는 스위치이다. 배터리 강전 회로는, 내부 부스바를 구비한 각 배터리 스택(21, 22, 23)과, 정션 박스(5)와, SD 스위치(4)를 서로 부스바를 통해 접속함으로써 형성된다. 이 SD 스위치(4)는, 강전 모듈(112)이나 인버터(113) 등의 점검이나 수리나 부품 교환 등을 행할 때, 수동 조작에 의해 스위치 온과 스위치 오프가 전환된다.

상기 정션 박스(5)는, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 로워 프레임(11) 중 차량 전방측 공간의 좌측 영역에 배치되고, 릴레이 회로에 의해 강전의 공급/차단/분배를 집중적으로 행한다. 이 정션 박스(5)에는, 온도 조정 유닛(3)의 제어를 행하는 온도 조정용 릴레이(51)와 온도 조정용 컨트롤러(52)가 병설되어 있다. 정션 박스(5)와 외부의 강전 모듈(112)은, 충방전 커넥터 단자(14)와 충방전 하네스(111)를 통해 접속된다. 정션 박스(5)와 외부의 전자 제어 시스템은, 약전 하네스를 통해 접속된다.

상기 LB 컨트롤러(6)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 배터리 스택(21)의 좌측 단부면 위치에 배치되고, 각 배터리 스택(21, 22, 23)의 용량 관리·온도 관리·전압 관리를 행한다. 이 LB 컨트롤러(6)는, 온도 검출 신호선으로부터의 온도 검출 신호, 배터리 전압 검출선으로부터의 배터리 전압 검출값, 배터리 전류 검출 신호선으로부터의 배터리 전류 검출 신호에 기초하는 연산 처리에 의해, 배터리 용량 정보나 배터리 온도 정보나 배터리 전압 정보를 취득한다. 그리고, LB 컨트롤러(6)와 외부의 전자 제어 시스템은, 릴레이 회로의 온/오프 정보나 배터리 용량 정보나 배터리 온도 정보 등을 전달하는 약전 하네스를 통해 접속된다.

[팩 케이스 내부 공간의 영역 구분 구성]

도 5는 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치를 채용한 배터리팩(BP)의 케이스 내부 공간의 영역 구분 구성을 도시한다. 이하, 도 5에 기초하여, 팩 케이스 내부 공간의 영역 구분 구성을 설명한다.

실시예 1의 배터리팩(BP)은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 배터리팩 케이스(1)의 내부 공간을, 차폭 방향으로 그어지는 경계선 L을 이격하여, 차량 후방측의 배터리 모듈 탑재 영역(7)과 차량 전방측의 전장품 탑재 영역(8)의 2개의 차량 전후 방향 영역으로 나누고 있다. 배터리 모듈 탑재 영역(7)은, 차량 후방 단부로부터 차량 전방 부근의 경계선 L까지의 케이스 내부 공간의 대부분의 영역을 점유한다. 전장품 탑재 영역(8)은, 차량 전방 단부로부터 차량 전방 부근의 경계선 L까지의 배터리 모듈 탑재 영역(7)보다 좁은 영역을 점유한다.

상기 배터리 모듈 탑재 영역(7)은, T자 통로[중앙 통로(36)와 횡단 통로(37)]에 의해 제1 분할 직사각형 영역(71)과 제2 분할 직사각형 영역(72)과 제3 분할 직사각형 영역(73)의 3개의 분할 직사각형 영역으로 구분된다. 제1 분할 직사각형 영역(71)에는, 일측면에 LB 컨트롤러(6)를 갖는 제1 배터리 스택(21)이 탑재된다. 제2 분할 직사각형 영역(72)에는, 제2 배터리 스택(22)이 탑재된다. 제3 분할 직사각형 영역(73)에는, 제3 배터리 스택(23)이 탑재된다.

상기 전장품 탑재 영역(8)은, 차폭 방향으로 나뉘어진 제1 구분 영역(81)과 제2 구분 영역(82)과 제3 구분 영역(83)의 3개의 구분 영역으로 나뉘어진다. 제1 구분 영역(81)으로부터 제2 구분 영역(82)의 하부에 걸쳐서는, 온도 조정 유닛(3)이 탑재된다. 제2 구분 영역(82)의 상부에는, SD 스위치(4)가 탑재된다. 제3 구분 영역(83)에는, 정션 박스(5)가 탑재된다.

상기 배터리팩(BP)의 배터리 모듈 탑재 영역(7)에는, 온도 조정 유닛(3)에 접속되는 배풍 덕트(9)(도 6 및 도 9 참조)의 배치를 확보함과 함께, 온도 조정풍의 내부 순환을 확보하는 온도 조정풍 통로를 형성하고 있다. 이 온도 조정풍 통로는, 각 배터리 스택(21, 22, 23)을 분할 직사각형 영역에 탑재하였을 때의 간극을 이용한 것으로, 차량 전후 방향의 중앙 통로(36)와, 상기 중앙 통로(36)에 교차하는 차폭 방향의 횡단 통로(37)와, 유입되어 온 온도 조정풍을 온도 조정 유닛(3)으로 되돌리는 환상 통로(38)를 갖는다. 중앙 통로(36)는, 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)의 대향면에 간극을 갖게 함으로써 형성된다. 횡단 통로(37)는, 제1 배터리 스택(21)과 제2, 제3 배터리 스택(22, 23)의 대향면에 간극을 갖게 함으로써 형성된다. 환상 통로(38)는, 배터리팩 로워 프레임(11)과 각 팩 구성 요소(2, 3, 4, 5, 6) 사이에 간극 여유를 갖게 함으로써 형성된다. 또한, 온도 조정풍 통로로서는, 중앙 통로(36)와 횡단 통로(37)와 환상 통로(38) 이외에, 케이스 내부 공간에 팩 구성 요소(2, 3, 4, 5, 6)를 탑재함으로써 형성되는 간극이나 간격이나 공간도 포함된다.

[배터리 온도 조정 장치의 상세 구성]

도 6∼도 9는 배터리팩(BP)에 탑재된 실시예 1의 배터리 온도 조정 장치의 상세를 도시한다. 이하, 도 6∼도 9에 기초하여, 배터리 온도 조정 장치의 상세 구성을 설명한다.

상기 배터리 온도 조정 장치는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 제1 배터리 스택(21)과, 제2 배터리 스택(22)과, 제3 배터리 스택(23)과, 온도 조정 유닛(3)과, 배풍 덕트(9)를 구비한다.

상기 제1 배터리 스택(21)은, 배터리팩 케이스(1)의 내부 공간의 차량 후방 영역에 수납 배치된다. 상기 제2, 제3 배터리 스택(22, 23)은, 배터리팩 케이스(1)의 내부 공간 중, 제1 배터리 스택(21)보다도 차량 전방 영역에 수납 배치됨과 함께, 스택의 높이 치수가 제1 배터리 스택(21)보다도 낮게 설정된다.

상기 온도 조정 유닛(3)은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 유닛 케이스(31)의 내부에, 풍류 방향의 상류측으로부터, 증발기(32)와, 블로어 팬(33)(송풍기)과, PTC 히터(34)(핀 부재)를 가지고 구성된다. 이 온도 조정 유닛(3)은, 차량 전후 방향의 대략 중앙의 바닥 하부 위치에 배치된 배터리팩 케이스(1)의 내부 공간 중, 차량 전방의 모터 룸(101)에 배치된 에어컨 컴프레서(103)에 가까운 측의 위치에 배치된다.

상기 유닛 케이스(31)는, 전장품 탑재 영역(8) 중, 코너부의 제1 구분 영역(81)에 배치되고, 그 토출구에 유닛 덕트(35)가 접속된다. 이 유닛 덕트(35)는, 차폭 방향으로부터 차량 전후 방향으로 구부러지는 L자 형상으로 되고, 중앙 통로(36)에 면하는 단부 위치에, 배풍 덕트(9)가 접속되는 배풍구(35a)를 갖는다.

상기 증발기(32)는, 에어컨 유닛(107)(차실 내 에어컨)의 냉매를 사용하여 열교환을 행하고, 통과하는 공기로부터 열을 빼앗아 냉풍을 만들어 낸다. 에어컨 유닛(107)으로부터의 냉매는, 프레임 전단부 테두리에 장착된 냉매관 커넥터 단자(13)를 통해, 증발기(32)에 도입된다. 이 증발기(32)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 블로어 팬(33)보다도 차량 전방 위치에 배치되고, 차량 전방의 프레임 내측면(11a)(팩 케이스 내측면)과 대략 평행하고 또한 대면하도록 한쪽의 코어면(32a)을 배치하고 있다.

상기 블로어 팬(33)은, 팩 케이스 내기를 순환시키는 것으로, 블로어 모터를 물로부터 격리하는 방수 구조를 갖는다. 이 블로어 팬(33)은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 증발기(32)의 다른 쪽의 코어면(32b)과 석션측(33a)(＝흡입측)이 대략 평행하고 또한 대면하도록 배치하고 있다.

상기 PTC 히터(34)는, PTC 서미스터(Positive Temperature Coefficient Thermistor)라 하는 세라믹 소자(PTC 소자)를 사용하고, PTC 소자에 전류를 흘리면 발열하고, 통과하는 공기에 열을 부여하여 온풍을 만들어 낸다. 이 PTC 히터(34)는, PTC 소자의 발열량을 크게 하기 위한 방열용 핀을 구비한 핀 타입 PTC 히터이며, 예를 들어 도 8에 도시하는 바와 같이, 히터 프레임(34a)과, PTC 소자(34b)와, 그물 형상 핀(34c)을 가지고 구성된다.

상기 배풍 덕트(9)는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 일단부가 유닛 덕트(35)의 배풍구(35a)에 접속되고, T자 간극 스페이스 영역에 배치된 등폭 덕트부(92)와 확폭 덕트부(93)를 통해, 타단부에 차량 후방을 향해 온도 조정풍을 분출하는 분출 개구(91)가 형성된다.

상기 분출 개구(91)는, 제2, 3 배터리 스택(22, 23)의 상면보다도 차량 상방으로 돌출된 제1 배터리 스택(21)의 스택 정면 상부 영역(21a)(도 4 참조)을 따라 차폭 방향으로 연장되어 대향 배치된다.

상기 등폭 덕트부(92)는, 유닛 덕트(35)의 배풍구(35a)에 접속되고, 도 9에 도시하는 바와 같이, 차폭 방향의 치수가 일정한 세로로 긴 단면 형상을 갖고, 차량 전후 방향으로 연장 설치된다. 이 등폭 덕트부(92)의 배치에는, 덕트 단면 형상과 상사한 형상을 갖는 T자 간극 스페이스 영역의 중앙 통로(36)에 의한 공간이 이용된다.

상기 확폭 덕트부(93)는, 등폭 덕트부(92)에 접속되고, 도 9에 도시하는 바와 같이, 분출 개구(91)를 향해 차폭 방향 치수를 서서히 확대하는 것에 맞추어 차량 상하 방향 치수를 서서히 축소함으로써 형성된다. 이 확폭 덕트부(93)의 배치에는, T자 간극 스페이스 영역의 중앙 통로(36)와, 전방측 배터리 스택부(22a, 22b)보다 높이 치수가 1매분 더 낮은 후방측 배터리 스택부(22c, 23c)의 상부에 형성되는 간극 공간과, T자 간극 스페이스 영역의 횡단 통로(37)의 상부 공간이 이용된다.

다음으로, 작용을 설명한다.

실시예 1의 배터리 온도 조정 장치에 있어서의 작용을, 「배터리팩(BP)의 배터리 온도 조정 작용」, 「응축수에 의한 전극의 단락 방지 작용」으로 나누어 설명한다.

[배터리팩(BP)의 배터리 온도 조정 작용]

배터리는 온도 의존도가 높고, 배터리 온도가 지나치게 높아도, 또한 배터리 온도가 지나치게 낮아도 배터리 성능이 저하된다. 따라서, 저외기온 시나 고외기온 시에 높은 배터리 성능을 유지하기 위해서는, 배터리 온도를 최적 온도 영역으로 조정하는 것이 바람직하다. 이하, 도 6 및 도 7에 기초하여, 이것을 반영하는 배터리팩(BP)의 배터리 온도 조정 작용을 설명한다.

우선, LB 컨트롤러(6)에 의해 행해지는 배터리팩(BP)의 온도 조정 제어 작용을 설명한다. 예를 들어, 배터리 충방전 부하의 계속이나 높은 외기 온도의 영향을 받아, 배터리팩(BP)의 내부 온도가 제1 설정 온도보다 높아지면, 냉매를 온도 조정 유닛(3)의 증발기(32)에 도입하고, 블로어 팬(33)을 돌린다. 이에 의해, 도 7에 도시하는 바와 같이, 증발기(32)를 통과하는 바람으로부터 열이 빼앗겨 냉풍이 만들어 내어진다. 이 냉풍을, 배풍 덕트(9)를 통해 제1 배터리 스택(21)과 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)이 탑재되어 있는 케이스 내부 공간을 순환시킴으로써, 배터리팩(BP)의 내부 온도(＝배터리 온도)를 저하시킨다.

이에 반해, 예를 들어 냉풍 순환이나 낮은 외기 온도의 영향을 받아, 배터리팩(BP)의 내부 온도가 제2 설정 온도보다 낮아지면, 온도 조정 유닛(3)의 PTC 히터(34)에 통전하고, 블로어 팬(33)을 돌린다. 이에 의해, 도 7에 도시하는 바와 같이, PTC 히터(34)를 통과하는 바람에 열이 부여되어 온풍이 만들어 내어진다. 이 온풍을, 배풍 덕트(9)를 통해 제1 배터리 스택(21)과 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)이 탑재되어 있는 케이스 내부 공간을 순환시킴으로써, 배터리팩(BP)의 내부 온도(＝배터리 온도)를 상승시킨다.

이와 같이, 배터리팩(BP)의 온도 조정 제어를 행함으로써, 배터리팩(BP)의 내부 온도를, 높은 배터리 성능이 얻어지는 제1 설정 온도∼제2 설정 온도의 범위 내의 온도로 유지할 수 있다. 이때, 제1 배터리 스택(21)과 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)의 온도 분포가 균등해지도록, 온도 조정풍을 분출하면서 순환시키는 것이 중요하다. 이하, 온도 조정풍에 의한 배터리 온도 조정 작용을 설명한다.

온도 조정 유닛(3)의 분출구(35a)로부터 분출되는 온도 조정풍(냉풍, 온풍)은, 배풍 덕트(9)를 통과하여 차량 전방으로부터 차량 후방을 향해 흐른다. 그리고, 배풍 덕트(9)의 분출 개구(91)로부터, 도 6의 화살표 B로 도시하는 바와 같이, 제1 배터리 스택(21)의 스택 정면 상부 영역(21a)을 따라 차폭 방향의 넓은 범위에서 온도 조정풍이 분출된다. 따라서, 배풍 덕트(9)의 분출 개구(91)로부터 분출되는 온도 조정풍과, 제1 배터리 스택(21)과의 사이에서 열교환이 행해진다.

그리고, 제1 배터리 스택(21)과의 사이에서 열교환한 온도 조정풍은, 도 6의 화살표 C, C로 도시하는 바와 같이, 차폭 방향의 양측으로 나뉘어 환상 통로(38)에 유입된다. 이 환상 통로(38)에 유입되어 온 온도 조정풍은, 도 6의 화살표 D, D로 도시하는 바와 같이, 환상 통로(38) 중, 차량 양측 통로부를 각각 차량 후방으로부터 차량 전방을 향해 흐른다. 이 차량 후방으로부터 차량 전방을 향하는 온도 조정풍 중, 일부의 온도 조정풍은, 도 6의 화살표 E, F, G로 도시하는 바와 같이, 횡단 통로(37)나 제2 배터리 스택(22)과 제3 배터리 스택(23)의 간극을 경유하고, 중앙 통로(36)를 향해 흐르고, 중앙 통로(36)에서 합류한다. 따라서, 중앙 통로(36)를 향해 흐르는 차폭 방향의 온도 조정풍과, 제2 배터리 스택(22) 및 제3 배터리 스택(23) 사이에서 열교환이 행해진다.

그리고, 제1 배터리 스택(21)과의 사이에서 열교환한 후, 환상 통로(38)의 차량 양측 통로부를 그대로 차량 후방으로부터 차량 전방을 향해 흐른 온도 조정풍은, 환상 통로(38)의 차량 전방측 통로부를 경유하고 온도 조정 유닛(3)의 흡입측으로 되돌려진다. 덧붙여 말하면, 제2 배터리 스택(22) 및 제3 배터리 스택(23) 사이에서 열교환한 후, 합류하여 중앙 통로(36)를 차량 후방으로부터 차량 전방을 향해 흐른 온도 조정풍은, 차량 전방측 통로부에서 합류하고, 온도 조정 유닛(3)의 흡입측으로 되돌려진다. 이와 같이, 열교환 후의 온도 조정풍이 온도 조정 유닛(3)의 흡입측으로 되돌려지면, 되돌려진 온도 조정풍을 흡입하고, 온도 조정 유닛(3)에서 다시 냉풍 또는 온풍이 만들어 내어진다고 하는 내기 순환에 의해, 상기 온도 조정 작용이 반복된다.

상기한 바와 같이, 온도 조정 유닛(3)으로부터의 온도 조정풍을, 배풍구(35a)로부터 배풍 덕트(9)를 경유하고, 배풍 덕트(9)의 분출 개구(91)로부터, 제1 배터리 스택(21)의 스택 정면 상부 영역(21a)에 대해 차량 후방을 향해 분출하는 구성을 채용하였다.

예를 들어, 주행 중, 온도가 상승한 배터리 스택을 감시하면, 주행풍에 의한 냉각 작용은, 차량 전방측 배터리 스택에 대한 냉각 작용이 크고, 차량 후방측 배터리 스택에 대한 냉각 작용이 작다. 이로 인해, 케이스 내의 배터리 스택의 온도 분포를 보면, 차량 전방측 배터리 스택보다 차량 후방측 배터리 스택의 온도가 높은 온도 분포를 나타낸다. 이 온도 분포 상태에서 차량 전방측 배터리 스택에 대해 먼저 냉각풍을 분출하면, 차량 후방측 배터리 스택에 냉각풍이 도달하는 것이 지연되고, 차량 후방측 배터리 스택이, 고온인 상태의 시간이 계속되고, 온도 격차가 큰 온도 분포 상태가 오래 유지되게 된다.

이에 반해, 제1 배터리 스택(21)에 대해 먼저 냉각풍을 분출하면, 온도가 높은 제1 배터리 스택(21)의 온도가 응답성 좋게 저하되고, 그 후, 배터리팩 케이스(1)의 내부 공간의 분위기 온도가 저하되고, 제2, 제3 배터리 스택(22, 23)을 냉각한다고 하는 작용을 나타낸다. 이로 인해, 제1 배터리 스택(21)과 제2, 3 배터리 스택(22, 23)의 온도 격차가 단시간에 작게 억제되고, 효율적으로 각 배터리 스택(21, 22, 23)의 온도 균일화가 도모된다.

[응축수에 의한 전극의 단락 방지 작용]

상기한 바와 같이, 에어컨 유닛(107)의 냉매를 증발기(32)에 도입하여 냉풍을 만들어 내면, 냉매 온도와 분위기 온도의 차에 의해 증발기(32)의 열교환부(코어부)에서 응축수가 발생한다. 이 응축수가 발생한 경우, 응축수를 하류의 배터리 전극에 도달하지 않도록 하는 고안이 요구된다. 이하, 이것을 반영하는 응축수에 의한 전극의 단락 방지 작용을 설명한다.

배터리팩을 바닥 하부에 레이아웃할 때에는, 침수로 주행이나 전방 주행차로부터 튀겨진 물, 진흙, 먼지가 배터리팩 내부에 들어가, 전기 기기에 영향을 미치는 것을 고려하여, 배터리팩 케이스는 수밀 구조를 채용한다. 배터리팩 케이스를 수밀 구조로 한 경우에, 케이스 내에 증발기를 설치하면, 수밀 구조가 아닌(개방 구조의) 배터리팩보다도 증발기의 코어에서 발생하는 응축수는 감소하지만, 응축수를, 드레인 배관 등을 사용하여 적극적으로 외부로 배출할 수 없다.

따라서, 실시예 1에서는, 증발기(32)에서 발생한 응축수가, 배터리 스택(2)에 있는 전극까지 도달해 버리는 것을 방지하기 위해, 블로어 팬(33)의 하류에 그물 형상 핀(34c)을 갖는 공기 가열식의 PTC 히터(34)를 설치하는 구성을 채용하였다.

이와 같이, 배터리팩 케이스(1)를 수밀 구조로 하였으므로, 물이나 진흙 등의 이물질이 외부로부터 케이스 내에 들어가지 않음과 함께, 증발기(32)에서 발생하는 응축수를 저감시킬 수 있다. 덧붙여 말하면, 증발기(32)에서 응축수가 발생한 경우에 있어서는, 증발기(32)의 하류 위치에 블로어 팬(33)과 그물 형상 핀(34c)을 배치하고 있으므로, 증발기(32)로부터 보내지는 세립 형상의 응축수가, 블로어 팬(33)이나 그물 형상 핀(34c)에 부착되어 증발함으로써 블록된다. 또한, 증발기(32)의 하류 위치에 블로어 팬(33)과 그물 형상 핀(34c)과 유닛 덕트(35)를 설치함으로써, 증발기(32)로부터 배터리 전극까지의 거리가 확보되므로, 응축수가 배터리 스택(2)의 전극에 도달하기 어려워진다.

즉, 증발기(32)에서 발생하는 응축수를 저감시키는 응축수 저감 작용에, 응축수 블록 작용과 응축수의 전극 부착 지연 작용이 더해짐으로써, 응축수가 그물 형상 핀(34c)의 하류 위치에 배치된 배터리 스택(2)에 도달하는 일이 없다.

이 결과, 온도 조정 유닛(3)의 증발기(32)에서 발생한 응축수가, 배터리 스택(2)의 전극까지 도달해 버리는 것이 방지된다.

그리고, 증발기(32)와 그물 형상 핀(34c)을 갖는 PTC 히터(34) 사이에 블로어 팬(33)을 배치하고 있다. 이로 인해, 증발기(32)에서 응축수가 발생한 경우, 먼저 블로어 팬(33)에 부착되어 증발하고, 남은 응축수가 그물 형상 핀(34c)에 부착되어 증발하는 것과 같이, 블로어 팬(33)＋그물 형상 핀(34c)에 의한 응축수의 더블 블록(부착 & 증발)을 할 수 있다.

또한, 증발기(32)→블로어 팬(33)→그물 형상 핀(34c)[유닛 덕트(35)]의 순서의 구성으로 함으로써, 증발기(32)로부터 배터리 스택(2)(전극)까지의 거리가 확보된다. 이로 인해, 증발기로부터 배터리 스택까지의 거리가 짧은 경우에 비해, 응축수가 배터리 스택(2)의 전극에 도달하지 않게 된다. 특히, 유닛 덕트(35)에는, 분출 개구(91)를 차량 후방의 제1 배터리 스택(2)까지 연장시킨 배풍 덕트(9)를 접속하고 있으므로, 증발기(32)로부터 배터리 스택(2)까지의 거리가 충분히 확보된다.

실시예 1에서는, 핀 부재로서, 그물 형상 핀(34c)을 갖는 PTC 히터(34)를 사용하는 구성을 채용하고 있다.

이에 의해, 공기를 가열하는 PTC 히터(34)에 응축수의 비산 방지 기능을 겸용시킬 수 있으므로, 새롭게 그물 형상 핀을 설치할 필요가 없어져 비용적으로 유리해진다. 또한, PTC 히터(34)의 가열에 의해, 응축수의 증발을 촉진시킬 수 있다.

다음으로, 효과를 설명한다.

실시예 1의 배터리 온도 조정 장치에 있어서는, 하기에 열거하는 효과를 얻을 수 있다.

(1) 배터리 모듈[배터리 스택(2)]과,

상기 배터리 모듈[배터리 스택(2)]의 온도를 조정하는 온도 조정 유닛(3)과,

상기 배터리 모듈[배터리 스택(2)] 및 상기 온도 조정 유닛(3)을 수납하는 배터리팩 케이스(1)

를 구비한 배터리 온도 조정 장치에 있어서,

상기 온도 조정 유닛(3)은, 풍류 방향의 상류측으로부터, 차실 내 에어컨[에어컨 유닛(107)]의 냉매를 사용하여 열교환을 행하는 증발기(32)와, 팩 케이스 내기를 순환시키는 송풍기[블로워 팬(33)]와, 핀 부재[PTC 히터(34)]와, 상기 배터리 모듈[배터리 스택(2)]로 바람을 송풍하는 덕트[유닛 덕트(35)]를 갖는다(도 7).

이로 인해, 온도 조정 유닛(3)의 증발기(32)에서 발생한 응축수가, 배터리 모듈[배터리 스택(2)]의 전극까지 도달해 버리는 것을 방지할 수 있다.

(2) 상기 핀 부재는, 그물 형상 핀(34c)을 갖는 PTC 히터(34)이다(도 8).

이로 인해, (1)의 효과에 더하여, 새롭게 핀 부재를 추가하여 설치할 필요가 없어져 비용적으로 유리해짐과 함께, PTC 히터(34)의 가열에 의해, 응축수의 증발을 촉진시킬 수 있다.

(3) 상기 배터리팩 케이스(1)는, 차량의 바닥 하부 위치에 배치되어 있다(도 1 및 도 2).

이로 인해, (1) 또는 (2)의 효과에 더하여, 배터리팩(BP)을 바닥 하부에 레이아웃함으로써, 차실 내의 거주 공간이나 러기지 룸을 넓게 취할 수 있어, 탑승자의 쾌적성·편리성을 향상시킬 수 있다.

(4) 상기 송풍기는, 방수 구조에 의한 블로어 팬(33)이다(도 7).

이로 인해, (1)∼(3)의 효과에 더하여, 응축수를 흡입해도, 블로어 모터가 수분과 격리되어 있으므로, 블로어 팬(33)이 고장나는 것을 방지할 수 있다.

(5) 상기 증발기(32)는, 팩 케이스 내측면[프레임 내측면(11a)]과 대략 평행하고 또한 대면하도록 한쪽의 코어면(32a)을 배치하고,

상기 송풍기[블로어 팬(33)]는, 상기 증발기(32)의 다른 쪽의 코어면(32b)과 석션측(33a)이 대략 평행하고 또한 대면하도록 배치하였다(도 7).

이로 인해, (1)∼(4)의 효과에 더하여, 증발기(32)와 송풍기[블로어 팬(33)]를 탑재하기 위해 필요로 하는 길이 치수가 짧게 억제되어, 온도 조정 유닛(3)을 콤팩트하게 할 수 있다.

(6) 상기 배터리팩 케이스(1)는, 차량 전후 방향의 대략 중앙의 바닥 하부 위치에 배치하고,

상기 온도 조정 유닛(3)은, 상기 배터리팩 케이스(1) 내 중, 차량 전방의 모터 룸(101)에 배치한 에어컨 컴프레서(103)에 가까운 측의 위치에 배치하였다(도 6).

이로 인해, (3)의 효과에 더하여, 에어컨 냉매를 유도하는 배관 길이가 짧아지므로, 배관의 비용·중량을 저감시킬 수 있다. 덧붙여 말하면, 배관의 길이에 의한 냉매의 압력 손실도 저감시킬 수 있으므로, 효율적으로 증발기(32)를 냉각할 수 있다.

(7) 상기 증발기(32)는, 상기 송풍기[블로어 팬(33)]보다도 차량 전방 위치에 배치하였다(도 7).

이로 인해, (6)의 효과에 더하여, 증발기(32)의 코어부로부터 배터리팩(BP)의 외부로 취출하는 냉매관 커넥터 단자(13)까지의 배관이 짧아진다. 이로 인해, 배터리팩(BP) 내의 온도 조정 유닛(3)을 소형화할 수 있음과 함께, 배관에 의해 온도 조정 공기의 흐름이 방해되는 것을 방지할 수 있다.

이상, 본 발명의 배터리 온도 조정 장치를 실시예 1에 기초하여 설명해 왔지만, 구체적인 구성에 대해서는, 이 실시예 1에 한정되는 것이 아니라, 청구범위의 각 청구항에 관한 발명의 요지를 일탈하지 않는 한, 설계의 변경이나 추가 등은 허용된다.

실시예 1에서는, 배터리팩(BP)을 차량의 바닥 하부에 배치하는 예를 나타냈다. 그러나, 배터리팩을 차량의 러기지 룸 등에 배치하는 예로 해도 된다.

실시예 1에서는, 배터리 모듈로서, 배터리 모듈이 복수 적층된 배터리 스택(2)(배터리 모듈군)의 예를 나타냈다. 그러나, 배터리 모듈로서는, 복수 적층되는 일 없이 배치된 배터리 모듈도 포함된다.

실시예 1에서는, 핀 부재로서, 그물 형상 핀(34c)을 갖는 PTC 히터(34)를 사용하는 예를 나타냈다. 그러나, 핀 부재로서는, 응축수를 블록(부착 & 증발)하는 핀 기능만을 갖는 것이어도 된다. 또한, 핀 형상도 그물 형상에 한하지 않고, 응축수를 블록(부착 & 증발)할 수 있는 형상이라면, 허니콤 형상이나 파 형상 등이어도 된다.

실시예 1에서는, 온도 조정 유닛(3)으로서, 냉풍과 온풍을 만들어 내는 유닛의 예를 나타냈다. 그러나, 온도 조정 유닛으로서는, 증발기를 갖고, 냉풍만을 만들어 내는 유닛의 예로 해도 된다. 이 경우, 핀 기능만을 갖는 핀 부재가 사용된다.

실시예 1에서는, 배터리팩 케이스(1)의 내부 공간에, 온도 조정 유닛(3)과 배풍 덕트(9)를 배치하는 예를 나타냈다. 그러나, 배터리팩 케이스의 내부 공간에 온도 조정 유닛만을 배치하고, 유닛 덕트로부터 배터리 스택의 간극을 경유하여 배터리 스택에 배풍하는 배풍 덕트가 없는 예로 해도 된다.

실시예 1에서는, 본 발명의 배터리 온도 조정 장치를 주행용 구동원으로서 주행용 모터만을 탑재한 전기 자동차에 적용하는 예를 나타냈다. 그러나, 본 발명의 배터리 온도 조정 장치는, 주행용 구동원으로서 주행용 모터와 엔진을 탑재한 하이브리드 차량에 대해서도 적용할 수 있다.

[관련출원의 상호 참조]

본 출원은, 2012년 11월 5일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2012-243400호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 모든 개시는 완전히 본 명세서에서 참조에 의해 포함된다.

Claims

배터리 모듈과,
상기 배터리 모듈의 온도를 조정하는 온도 조정 유닛과,
상기 배터리 모듈 및 상기 온도 조정 유닛을 수납하는 배터리팩 케이스를 구비한 배터리 온도 조정 장치에 있어서,
상기 온도 조정 유닛은, 풍류 방향의 상류측으로부터, 차실 내 에어컨의 냉매를 사용하여 열교환을 행하는 증발기와, 팩 케이스 내기를 순환시키는 송풍기와, 핀 부재와, 상기 배터리 모듈로 바람을 송풍하는 덕트를 갖는 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.
제1항에 있어서, 상기 핀 부재는, 그물 형상 핀을 갖는 PTC 히터인 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리팩 케이스는, 차량의 바닥 하부 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 송풍기는, 방수 구조에 의한 블로어 팬인 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 증발기는, 팩 케이스 내측면과 평행하고 또한 대면하도록 한쪽의 코어면을 배치하고,
상기 송풍기는, 상기 증발기의 다른 쪽의 코어면과 석션측이 평행하고 또한 대면하도록 배치한 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.
제3항에 있어서, 상기 배터리팩 케이스는, 차량 전후 방향의 중앙의 바닥 하부 위치에 배치하고,
상기 온도 조정 유닛은, 상기 배터리팩 케이스 내 중, 차량 전방의 모터 룸에 배치한 에어컨 컴프레서에 가까운 측의 위치에 배치한 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.
제6항에 있어서, 상기 증발기는, 상기 송풍기보다도 차량 전방 위치에 배치한 것을 특징으로 하는, 배터리 온도 조정 장치.