KR102213818B1 - 전지 냉각 시스템 - Google Patents

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사토시 도미나가
유시 세키
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Abstract

전지 냉각 시스템(1)은: 냉각 회로(10); 상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 기어를 포함하는 동력 전달 장치(30); 전기 절연성을 가지고, 상기 기어의 윤활에 이용되는 구동계 오일－상기 구동계 오일은 상기 냉각 회로(10)를 순환함－; 상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 복수의 전지 셀(23)을 수용하는 모듈 케이스(22)를 포함하는 배터리 유닛(20); 상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 상기 구동계 오일을 당해 냉각 회로(10) 내에서 순환시키는 펌프(11); 상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 당해 냉각 회로(10)을 흐르는 상기 구동계 오일로부터 방열시키는 방열기(12)를 포함한다. 상기 구동계 오일은, 상기 동력 전달 장치(30) 내에서 직접 열교환을 행하고, 또한 상기 모듈 케이스(22)의 내부를 유통하여, 상기 전지 셀(23)과 직접 열교환을 행한다.

Description

전지 냉각 시스템{BATTERY COOLING SYSTEM}
본 발명은, 전지 냉각 시스템에 관한 것이다.
일본 공개특허 특개평11-307139에는, 전지를 수용하는 밀폐 용기의 내부에, 전기 절연성을 가지는 실리콘 오일을 충전함과 함께, 실리콘 오일을 냉각하기 위한 냉매 배관을 마련한 전지 냉각 시스템이 개시되어 있다.
일본 공개특허 특개평11-307139에 기재된 구성에는, 밀폐 용기의 내부에 냉매 배관을 마련해야 하기 때문에, 밀폐 용기의 체격이 커져버린다. 또한, 냉매 배관 내를 흐르는 냉매는 차량 공조용의 냉동 사이클의 냉매이기 때문에, 냉매를 순환시키는 컴프레서 등의 압축기가 필요해져, 시스템 전체도 대형화된다.
또한, 일본 공개특허 특개평11-307139에 기재된 구성에서는, 냉매 배관 내를 흐르는 냉매가 실리콘 오일을 통하여 전지와 열교환하기 때문에, 전지와 냉매와의 사이에서 열저항이 커져, 충분한 냉각 성능이 얻어지지 않을 우려가 있다.
본 발명은, 체격을 작게 하면서 냉각 성능이 높은 전지 냉각 시스템이다.
본 발명의 예시적인 양태는 전지 냉각 시스템이다. 상기 전지 냉각 시스템은: 냉각 회로; 상기 냉각 회로에 배치되어, 기어를 포함하는 동력 전달 장치; 전기 절연성을 가지고, 상기 기어의 윤활에 이용되는 구동계 오일－상기 구동계 오일은 상기 냉각 회로를 순환함－; 상기 냉각 회로에 배치되어, 복수의 전지 셀을 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 유닛; 상기 냉각 회로에 배치되어, 상기 배터리 유닛에 상기 구동계 오일을 공급함과 함께, 상기 구동계 오일을 당해 냉각 회로 내에서 순환시키는 펌프; 상기 냉각 회로에 배치되어, 당해 냉각 회로를 흐르는 상기 구동계 오일로부터 방열시키는 방열기를 포함한다. 상기 구동계 오일은, 상기 동력 전달 장치 내에서 직접 열교환을 행하고, 또한 상기 모듈 케이스의 내부를 유통하여, 상기 전지 셀과 직접 열교환을 행한다. 본 발명의 예시적인 양태는 전지 냉각 시스템이다. 상기 전지 냉각 시스템은: 전기 절연성을 가지고, 동력 전달 장치의 기어의 윤활에 이용되는 구동계 오일이 순환하는 냉각 회로; 상기 냉각 회로에 배치되는 상기 동력 전달 장치; 상기 냉각 회로에 배치되어, 복수의 전지 셀을 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 유닛; 상기 냉각 회로에 배치되어, 상기 배터리 유닛에 상기 구동계 오일을 공급함과 함께, 상기 구동계 오일을 당해 냉각 회로 내에서 순환시키는 펌프; 상기 냉각 회로에 배치되어, 당해 냉각 회로를 흐르는 상기 구동계 오일로부터 방열시키는 방열기를 포함한다. 상기 구동계 오일은, 상기 동력 전달 장치 내에서 직접 열교환을 행하고, 또한 상기 모듈 케이스의 내부를 유통하여, 상기 전지 셀과 직접 열교환을 행한다.
이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스 내를 흐르는 구동계 오일에 의해, 전지 셀을 직접 냉각할 수 있다. 이에 따라, 전지 셀 내의 세퍼레이터 및 전해질의 냉각 성능이 향상된다. 또한, 열에 의한 전지 수명의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 종래 구조와 같은 냉매 배관이 불필요해져, 모듈 케이스의 체격을 작게 할 수 있다.
상기 배터리 유닛은 복수의 상기 모듈 케이스를 수용하는 전지 팩을 포함하고 있어도 되고, 상기 전지 팩의 내부에서, 상기 모듈 케이스끼리는 상기 구동계 오일이 관을 통하여 유통하도록 접속되어 있어도 되며; 상기 전지 팩 내에 유입된 상기 구동계 오일은, 복수의 상기 모듈 케이스를 경유하여 상기 전지 팩의 외부로 유출되어도 된다.
이러한 구성에 의하면, 복수의 모듈 케이스 내에, 전지 셀을 직접 냉각하기 위한 구동계 오일을 흐르게 할 수 있다. 이에 따라, 전지 팩 내에 복수의 모듈 케이스를 수용하는 경우에도, 각 모듈 케이스 내에 수용된 복수의 전지 셀을 충분히 냉각할 수 있음과 함께, 전지 팩의 대형화를 억제할 수 있다.
상기 냉각 회로에 있어서, 상기 전지 팩 내를 흐르는 상기 구동계 오일의 유통 경로가 직렬이 되도록, 복수의 상기 모듈 케이스가 직렬로 접속되어 있어도 된다.
이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스끼리가 관을 통하여 구동계 오일을 유통 가능하게 직렬로 접속되어 있음으로써, 구동계 오일의 유량이 많아져, 전지 셀의 냉각 성능이 향상된다.
상기 냉각 회로에 있어서, 상기 전지 팩 내를 흐르는 상기 구동계 오일의 유통 경로가 병렬이 되도록, 복수의 상기 모듈 케이스가 병렬로 접속되어 있어도 된다.
이러한 구성에 의하면, 복수의 모듈 케이스가 관을 통하여 구동계 오일을 유통 가능하게 병렬로 접속됨으로써, 구동계 오일의 공급 온도가 낮아져, 전지 셀의 냉각 성능이 향상된다.
상기 모듈 케이스는, 당해 모듈 케이스를 상측에서 본 경우에, 상기 구동계 오일의 유입구 및 상기 구동계 오일의 유출구가 서로 대각 위치의 근방에 마련된 직육면체 형상을 가져도 된다.
이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스 내에서 구동계 오일이 대각으로 흐름으로써, 모듈 케이스 내의 구동계 오일의 유속이 균일해져, 모듈 케이스 내에서의 냉각 불균일이 사라져, 전지 셀의 냉각 성능이 향상된다.
상기 배터리 유닛의 한계 온도는, 상기 동력 전달 장치의 한계 온도보다 낮아도 되고; 상기 방열기로부터 유출된 상기 구동계 오일은, 상기 배터리 유닛을 유통한 후에 상기 동력 전달 장치로 공급되어도 된다.
이러한 구성에 의하면, 냉각 시에는, 방열기에 의해 냉각된 구동계 오일이 한계 온도가 낮은 요소 순으로 공급된다. 이 때문에, 전지 냉각 시스템 전체에서의 냉각 성능이 향상됨과 함께, 배터리 유닛으로 공급되는 구동계 오일의 온도가 낮아져, 전지 셀의 냉각 성능이 향상된다.
상기 구동계 오일은, 유동점이 -30℃ 이하여도 된다.
이러한 구성에 의하면, 저온 시라도 구동계 오일이 구동계 오일로 존재하는 것이 가능하다. 이 때문에, 필요 유량을 펌프에 의해 확보하는 것이 가능해져, 펌프의 대형화를 억제할 수 있다. 이에 따라, 전지 냉각 시스템 전체의 대형화를 억제할 수 있다.
상기 냉각 회로는 상기 배터리 유닛이 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 파워 컨트롤 유닛을 포함하고 있어도 되고; 상기 구동계 오일은, 상기 파워 컨트롤 유닛의 케이스 내를 유통하고, 또한 당해 케이스 내부에 수용된 전자기기와의 사이에서 직접 열교환을 행해도 된다.
이러한 구성에 의하면, 냉각 회로 내를 순환하는 동일한 구동계 오일에 의해 배터리 유닛과 함께 파워 컨트롤 유닛을 냉각할 수 있다. 또한, 이 구동계 오일은 전기 절연성을 가지기 때문에, 파워 컨트롤 유닛 내의 전자기기를 구동계 오일에 의해 직접 냉각할 수 있다. 이에 따라, 파워 컨트롤 유닛의 냉각 성능이 향상된다.
본 발명에 의하면, 냉각 회로 내를 순환하는 구동계 오일에 의해, 모듈 케이스 내의 전지 셀을 직접 냉각할 수 있다. 이에 따라, 종래 구조와 같은 냉매 배관이나 압축기가 불필요해져, 모듈 케이스의 체격이 커지는 것을 억제하여, 전지 냉각 시스템 전체가 대형화되는 것을 억제할 수 있음과 함께, 전지 셀의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점, 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은, 실시 형태에 있어서의 전지 냉각 시스템을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 배터리 유닛 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은, 모듈 케이스 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는, 라미네이트형 전지 셀을 수용하는 모듈 케이스 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 원통형 전지 셀을 수용하는 모듈 케이스 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 모듈 케이스끼리의 접속부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7은, 도 6의 VII-VII선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 도 6에 나타내는 모듈 케이스 내에 원통형 전지 셀을 수용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 도 8의 IX-IX선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10은, 원통형 전지 셀의 다른 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 원통형 전지 셀의 또 다른 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는, 모듈 케이스끼리의 접속부의 다른 구성예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 13은, 도 12의 XIII-XIII선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 14는, 도 12에 나타내는 모듈 케이스 내에 원통형 전지 셀을 수용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는, 도 14의 XV-XV선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16은, 도 6에 나타내는 모듈 케이스 내에 각형(角型) 전지 셀을 수용한 경우를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 17은, 도 16의 XVII-XVII선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 18은, 도 12에 나타내는 모듈 케이스 내에 각형 전지 셀을 수용한 경우를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 19는, 도 18의 XIX-XIX선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 20은, 전지 팩 내에서 모듈 케이스끼리를 병렬로 접속한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명과 관련된 실시 형태에 있어서의 전지 냉각 시스템에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은, 실시 형태에 있어서의 전지 냉각 시스템(1)을 모식적으로 나타내는 도면이다. 전지 냉각 시스템(1)은, 전기 절연성을 가지는 액체가 순환하는 냉각 회로(10)를 구비하고 있다. 냉각 회로(10) 내를 순환하는 액체는, 예를 들면 실리콘 오일이나 불소 오일 등, 전기 절연성이 높은 액체이다. 또한, 이 액체는, 극성이 작고, 비등점이 100℃ 이상, 인화점이 70℃ 이상이며, 오일인 경우에는 유동점이 -30℃ 이하이다. 또한, 도 1에 나타내는 화살표는, 냉각 회로(10) 내에서 액체가 흐르는 방향(순환 방향)을 나타낸다.
본 실시 형태에 있어서의 전지 냉각 시스템(1)은, 전지를 가지는 전기 자동차에 탑재된다. 그리고, 전지 냉각 시스템(1)은, 냉각 회로(10) 내를 흐르는 액체에 의해 배터리 유닛(20)을 냉각 또는 난기(暖機)한다. 배터리 유닛(20)은, 전기 자동차의 주행용 동력원인 모터에 전력을 공급하는 이차 전지이다. 또한, 냉각 회로(10)에는, 배터리 유닛(20)에 더해, 전기 자동차의 동력 전달 장치인 트랜스 액슬 유닛(이하 「T/A 유닛」이라고 함)(30)이 배치된다. 즉, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 액체는, T/A 유닛(30)의 윤활이나 냉각에 이용되는 구동계 오일이다. 이 구동계 오일은, 상기 서술한 액체의 특성 중 적어도 전기 절연성을 가진다. 이와 같이, 전지 냉각 시스템(1)에서는, T/A 유닛(30)에 공급되는 구동계 오일을 이용하여, 배터리 유닛(20)을 냉각 또는 난기한다. 또한, 본 실시 형태의 설명에서는, 구동계 오일을 단순히 오일이라고 기재한다.
냉각 회로(10)는, 펌프(11)와, 파워 컨트롤 유닛(이하 「PCU」라고 함)(40)과, T/A 유닛(30)과, 방열기(12)와, 배터리 유닛(20)을 포함하도록 구성되어 있다.
펌프(11)는, 오일을 냉각 회로(10) 내에서 순환시키는 오일 펌프이다. 펌프(11)로부터 토출된 오일은, PCU(40), T/A 유닛(30), 방열기(12), 배터리 유닛(20)의 순서로 흐른다. 또한, 냉각 회로(10)에서는, 각 요소의 한계 온도가 낮은 순서로 방열기(12)의 하류측에 배치된다. 한계 온도란, 요소가 정상적으로 작동 가능한 온도 범위의 상한값이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 액체의 순환 방향에서 방열기(12)의 하류측에는, 배터리 유닛(20), PCU(40), T/A 유닛(30)의 순서로 각 요소가 배치된다. 즉, 배터리 유닛(20)의 한계 온도는 PCU(40)의 한계 온도보다 낮고, PCU(40)의 한계 온도는 T/A 유닛(30)의 한계 온도보다 낮다. 또한, 펌프(11)는 기계식 펌프여도 되고, 혹은 전동 펌프여도 된다.
PCU(40)는, 배터리 유닛(20)과 모터를 제어하는 장치이며, 배터리 유닛(20)으로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터에 공급한다. PCU(40)에는, 인버터 등이 포함된다. 또한, PCU(40)는, 도면에는 나타내지 않지만 인버터 소자 등의 전자기기를 수용하는 인버터 케이스를 가진다. 이 인버터 케이스에는, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 오일이 PCU(40) 내에 유입되는 유입구와, PCU(40)를 유통한 오일이 PCU(40) 밖으로 유출되는 유출구가 마련된다. 펌프(11)로부터 PCU(40)에 공급된 오일은, 인버터 케이스 내의 인버터 소자와 직접 열교환한 후, 유출구로부터 유출된다. 이 인버터 소자는 PCU(40)의 열원이 되기 때문에, PCU(40)의 인버터 소자가 냉각 회로(10) 내를 순환하는 오일에 의해 냉각된다. PCU(40)로부터 유출된 오일은 T/A 유닛(30)에 유입된다.
T/A 유닛(30)은, 모터로부터 출력된 동력을 구동륜에 전달하는 동력 전달 장치이다. T/A 유닛(30)에는, 도면에 나타내지 않은 기어 등에 의해 구성된 변속 장치나 디퍼렌셜 장치 등이 포함된다. 또한, T/A 유닛(30)은, 변속 장치나 디퍼렌셜 장치를 수용하는 트랜스 액슬 케이스(T/A 케이스)를 가진다. 이 T/A 케이스에는, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 오일이 유입되는 유입구와, 오일이 유출되는 유출구가 마련된다. 냉각 회로(10) 내의 오일이 T/A 유닛(30)에 공급됨으로써 T/A 유닛(30)의 윤활 및 냉각을 행한다. T/A 유닛(30)으로부터 유출된 오일은 방열기(12)에 유입된다.
방열기(12)는, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 오일의 열을 방열시키는 오일 쿨러이다. 예를 들면, 방열기(12)는, 전기 자동차에 탑재되는 라디에이터(공냉식의 오일 쿨러)이다. 냉각 회로(10) 내를 흐르는 오일은, 배터리 유닛(20) 및 PCU(40)와 열교환한 후에, 방열기(12)에 의해 냉각된다. 방열기(12)로부터 유출된 오일은 배터리 유닛(20)에 유입된다.
배터리 유닛(20)은, 복수의 전지 셀에 의해 구성된 배터리 모듈을 복수 가짐과 함께, 그 복수의 배터리 모듈을 수용하는 전지 팩(21)(도 2에 나타냄)을 가진다. 그리고, 냉각 회로(10)에서는, 배터리 유닛(20) 내에 유입된 오일이 각 배터리 모듈 내를 유통하고, 전지 셀과의 사이에서 직접 열교환을 행한다.
도 2는, 배터리 유닛(20) 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 2에는, 배터리 유닛(20)을 차량에 조립할 때에, 차량을 상측에서 본 경우의 모식적인 골격도가 나타나 있다. 차량을 상측에서 본 경우란, 수평 방향과 직교하는 방향의 상측에서 차량을 본 경우를 의미한다. 도 2에 나타내는 전후 좌우의 방향은, 차량의 전후 방향과 좌우 방향을 의미한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 배터리 유닛(20)에서는, 전지 팩(21)의 내부에, 배터리 모듈을 구성하는 모듈 케이스(22)가 복수 수용되어 있다. 모듈 케이스(22)의 내부에는, 복수의 전지 셀이 수용되어 있다. 배터리 모듈에서는, 모듈 케이스(22) 내에 수용된 복수의 전지 셀이 전기적으로 접속된다. 예를 들면, 하나의 모듈 케이스(22)에 의해 하나의 배터리 모듈이 구성된다. 그리고, 전지 팩(21) 내를 흐르는 오일은, 모든 모듈 케이스(22)의 내부를 유통한 후 전지 팩(21)의 외부로 유출된다.
전지 팩(21)은, 상측에서 본 경우에 대략 사각 형상을 가지는 대략 직방체 형상의 케이스이다. 도 2에 나타내는 예에서는, 전지 팩(21)의 내부에, 전부 여섯 개의 모듈 케이스(22)(22A~22F)가 좌우 2열로 배열되어 전후 방향으로 3단으로 배열된 상태로 수용되어 있다. 모듈 케이스(22)는, 전지 팩(21)을 상측에서 본 경우에 대략 사각 형상을 가지는 대략 직방체 형상의 케이스이다.
또한, 도 2에 나타내는 예에서는, 전지 팩(21) 내에서 오일의 흐름 방법이 직렬의 유통 경로가 되도록, 모듈 케이스(22)끼리가 직렬로 접속되어 있다. 구체적으로는, 상류측으로부터 하류측을 향해, 제 1 모듈 케이스(22A), 제 2 모듈 케이스(22B), 제 3 모듈 케이스(22C), 제 4 모듈 케이스(22D), 제 5 모듈 케이스(22E), 제 6 모듈 케이스(22F)의 순서로 고무관을 개재하여 오일이 유통 가능하게 접속되어 있다.
또한, 모듈 케이스(22) 내에서 오일이 모듈 케이스(22)의 대각으로 흐르도록, 모듈 케이스(22)끼리가 접속되어 있다. 이 대각이란, 도 2에 나타내는 평면도(상면도)에서 대략 사각 형상이 되는 모듈 케이스(22)의 대각을 의미한다. 모듈 케이스(22)에는, 도 2에 나타내는 일점 쇄선으로 둘러싸인 대각 위치 근방(P)에 오일의 유입구 및 유출구가 마련된다.
도 3은, 모듈 케이스(22) 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 모듈 케이스(22)는, 일점 쇄선으로 둘러싸는 모듈 케이스(22)의 대각 위치 근방(P)에 유입구 및 유출구를 마련하여, 모듈 케이스(22) 내의 오일을 대각을 향해 흐르게 한다. 또한, 도 3에는, 도 2의 제 1 모듈 케이스(22A)가 예시되어 있다.
또한, 모듈 케이스(22)의 내부에 수용되는 전지 셀은, 라미네이트형 전지 셀(23)(도 4에 나타냄), 원통형 전지 셀(24)(도 5에 나타냄) 중 어느 것이어도 된다. 즉, 전지 팩(21) 내에 수용되는 배터리 모듈은, 라미네이트형 전지 셀(23)에 의해 구성된 모듈, 원통형 전지 셀(24)에 의해 구성된 모듈 중 어느 것이어도 된다.
도 4는, 라미네이트형 전지 셀(23)을 수용하는 모듈 케이스(22) 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 도면이다. 복수의 라미네이트형 전지 셀(23)에 의해 구성된 배터리 모듈의 경우, 모듈 케이스(22)의 내부에서는, 라미네이트형 전지 셀(23)은 수평 방향을 따라 복수 배치되고, 복수의 라미네이트형 전지 셀(23)이 상하 방향으로 적층되어 있다. 그리고, 도 4에 파선 화살표로 나타내는 바와 같이, 모듈 케이스(22) 내의 오일은, 상하 방향에 대향하는 2개의 라미네이트형 전지 셀(23)의 사이를 수평 방향을 향해 흐르게 한다. 이 경우, 상측의 라미네이트형 전지 셀(23)의 하면(23a)과 하측의 라미네이트형 전지 셀(23)의 상면(23b)과의 사이를 오일이 흐르므로, 라미네이트형 전지 셀(23)의 본체(셀 바디)에 오일이 직접 접촉한다. 모듈 케이스(22) 내의 오일은, 모듈 케이스(22) 내를 흐르면서, 모든 라미네이트형 전지 셀(23)과의 사이에서 직접 열교환한다. 또한, 도 4에 나타내는 수평 방향이란, 도 2나 도 3에 나타내는 전후 좌우를 포함하는 방향이며, 상하 방향이란 수평 방향과 직교하는 방향이다.
도 5는, 원통형 전지 셀(24)을 수용하는 모듈 케이스(22) 내에서의 오일의 흐름 방법을 설명하기 위한 도면이다. 복수의 원통형 전지 셀(24)에 의해 구성된 배터리 모듈의 경우, 모듈 케이스(22)의 내부에서는, 원통형 전지 셀(24)이 상하 방향으로 세워지도록 하여 복수 배치된다. 그리고, 도 5에 파선 화살표로 나타내는 바와 같이, 모듈 케이스(22) 내의 오일은, 원통형 전지 셀(24)끼리의 간극을 수평 방향을 향해 흐르게 한다. 이 경우, 원통형 전지 셀(24)의 본체에 오일이 직접 접촉한다. 모듈 케이스(22) 내의 오일은, 모듈 케이스(22) 내를 흐르면서, 모든 원통형 전지 셀(24)과의 사이에서 직접 열교환한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 모듈 케이스(22)의 측면으로부터 오일을 공급 및 배출하도록 구성되어 있다. 즉, 모듈 케이스(22)의 유입구 및 유출구는, 케이스 측면 중 상기 서술한 대각 위치 근방(P)에 마련된다. 구체적으로는, 도 6 및 도 7을 참조하여, 배터리 유닛(20)의 구조를 설명한다.
도 6은, 모듈 케이스(22)끼리의 접속부를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 7은, 도 6의 VII-VII선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 6에는, 전지 팩(21)을 상면(21a)측에서 본 골격도가 나타나 있다. 또한, 도 6에 나타내는 전지 팩(21) 내에서의 오일의 흐름 방법은, 도 2에 나타내는 흐름 방법과 동일하다.
도 6에 나타내는 예에서는, 전지 팩(21)의 내부에, 제 1 모듈 케이스(22A), 제 2 모듈 케이스(22B), 제 3 모듈 케이스(22C), 제 4 모듈 케이스(22D), 제 5 모듈 케이스(22E), 제 6 모듈 케이스(22F)가 수용되어 있다. 제 1~제 6 모듈 케이스(22A~22F)는, 전지 팩(21) 내에서 좌우 2열로 배열되어, 오일을 유통 가능하게 직렬로 접속되어 있다.
각 모듈 케이스(22)(22A~22F)의 측면에는, 오일이 모듈 케이스(22) 내에 유입되는 유입구(221)(221A, 221B, 221C, 221D, 221E, 221F)와, 오일이 모듈 케이스(22) 밖으로 유출되는 유출구(222)(222A, 222B, 222C, 222D, 222E, 222F)가 마련되어 있다. 유입구(221) 및 유출구(222)는, 모듈 케이스(22)를 상측에서 본 경우의 대각 위치 근방에 마련된다. 도 6에 나타내는 예에서는, 유입구(221) 및 유출구(222)가 전후 반대측의 측면에 마련되고, 좌우에서 반대측에 위치한다.
구체적으로는, 제 1 모듈 케이스(22A)에는, 유입구(221A)가 전방 측면의 좌측에, 유출구(222A)가 후방 측면의 우측에 마련된다. 제 2 모듈 케이스(22B)에는, 유입구(221B)가 전방 측면의 우측에, 유출구(222B)가 후방 측면의 좌측에 마련된다. 제 3 모듈 케이스(22C)에는, 유입구(221C)가 전방 측면의 좌측에, 유출구(222C)가 후방 측면의 우측에 마련된다. 제 4 모듈 케이스(22D)에는, 유입구(221D)가 후방 측면의 좌측에, 유출구(222D)가 전방 측면의 우측에 마련된다. 제 5 모듈 케이스(22E)에는, 유입구(221E)가 후방 측면의 우측에, 유출구(222E)가 전방 측면의 좌측에 마련된다. 제 6 모듈 케이스(22F)에는, 유입구(221F)가 후방 측면의 좌측에, 유출구(222F)가 전방 측면의 우측에 마련된다.
전지 팩(21)의 측면에는, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 오일이 전지 팩(21) 내에 유입되는 유입구(211)와, 오일이 전지 팩(21) 밖으로 유출되는 유출구(212)가 마련되어 있다. 전지 팩(21)의 유입구(211)는, 제 1 모듈 케이스(22A)의 유입구(221A)와 접속된다. 제 1 모듈 케이스(22A)의 유출구(222A)는, 제 2 모듈 케이스(22B)의 유입구(221B)와 접속된다. 제 2 모듈 케이스(22B)의 유출구(222B)는, 제 3 모듈 케이스(22C)의 유입구(221C)와 접속된다. 제 3 모듈 케이스(22C)의 유출구(222C)는, 제 4 모듈 케이스(22D)의 유입구(221D)와 접속된다. 제 4 모듈 케이스(22D)의 유출구(222D)는, 제 5 모듈 케이스(22E)의 유입구(221E)와 접속된다. 제 5 모듈 케이스(22E)의 유출구(222E)는, 제 6 모듈 케이스(22F)의 유입구(221F)와 접속된다. 제 6 모듈 케이스(22F)의 유출구(222F)는, 전지 팩(21)의 유출구(212)와 접속된다. 또한, 모듈 케이스(22)끼리에서 유입구(221)와 유출구(222)를 접속하는 경우, 고무관 등을 개재하여 접속해도 된다. 또한, 전지 팩(21)의 유입구(211)와 모듈 케이스(22)의 유입구(221)를 접속하는 경우나, 모듈 케이스(22)의 유출구(222)와 전지 팩(21)의 유출구(212)를 접속하는 경우에도, 고무관 등을 개재하여 접속해도 된다.
여기서, 도 8~도 11을 참조하여, 모듈 케이스(22)의 내부에 원통형 전지 셀(24)이 수용된 구성예에 대해 설명한다. 도 8은, 모듈 케이스(22) 내에서의 원통형 전지 셀(24)의 배치예를 나타내는 도면이다. 도 9는, 도 8의 IX-IX선 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 10은, 원통형 전지 셀(24)의 다른 배치예를 나타내는 도면이다. 도 11은, 원통형 전지 셀(24)의 또 다른 배치예를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8은, 모듈 케이스(22)를 상면(22a)측에서 본 골격도이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 복수의 원통형 전지 셀(24)은, 모듈 케이스(22) 내에서 규칙적으로 배치되어 있다. 도 8에 나타내는 배치예에서는, 모듈 케이스(22)의 상면도에서 전후 좌우로 격자 형상이 되는 선의 교점 상에 원통형 전지 셀(24)이 규칙적으로 배치되어 있다. 이 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 원통형 전지 셀(24)은 상하 방향으로 세워지도록 배치된다. 또한, 원통형 전지 셀(24)의 배치는, 도 8에 나타내는 배치예에 한정되지 않고, 도 10에 나타나 있는 바와 같은 배치여도 되고, 도 11에 나타나 있는 바와 같은 배치여도 된다. 도 10에 나타내는 배치예에서는, 모듈 케이스(22)의 상면도에서 전후 좌우로 격자 형상이 되는 선의 교점 상에 원통형 전지 셀(24)이 마련되는 경우와 마련되지 않는 경우가 번갈아 존재한다. 도 11에 나타내는 배치예에서는, 전후 좌우에서 모듈 케이스(22)의 중심이 되는 개소와 동심원 상에 복수의 원통형 전지 셀(24)이 배치된다. 또한, 도 8, 도 10, 도 11에 나타내는 배치예에서는 모두, 모듈 케이스(22) 내에서의 전지 셀의 밀도는 동일하다.
이상 설명한 바와 같이, 전지 냉각 시스템(1)에 의하면, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 오일에 의해 배터리 유닛(20)에 마련된 전지 셀을 직접 냉각할 수 있다. 이에 따라, 배터리 유닛(20)의 체격이 커지는 것을 억제할 수 있음과 함께, 전지 셀의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 종래 구조와 같은 냉매 배관이나 압축기가 불필요해져, 모듈 케이스(22)의 체격을 작게 할 수 있음과 함께, 전지 냉각 시스템(1) 전체의 대형화도 억제할 수 있다. 또한, 전지 셀의 본체(셀 바디)를 오일로 직접 냉각함으로써, 전지 셀 내의 세퍼레이터 및 전해질의 냉각 성능이 대폭으로 향상된다. 또한, 배터리 유닛(20)으로의 급속 충전 시나, 배터리 유닛(20)의 온도가 고온 상태에서 차량이 주행될 때에, 배터리 유닛(20)을 효과적으로 냉각할 수 있어, 열에 의한 전지 수명의 저하를 억제할 수 있다. 이에 따라 전력 효율이 대폭 향상된다.
또한, 오일의 전기 절연성이 높음으로써, 예를 들면 전지 단자로부터의 단락이 방지 가능해진다. 이 때문에, 배터리 유닛(20)의 전지 셀이나 PCU(40)의 전자기기 등을 오일에 의해 직접 냉각할 수 있다. 또한, 오일의 극성이 작음으로써, 전지 셀의 금속제 재킷(본체 표면)에 오일이 접촉해도 금속제 재킷의 부식을 방지할 수 있다. 추가로, 비등점 및 인화점이 높음으로써, 고온에서도 오일이 안정하다. 그리고, 액체가 오일인 경우, 유동점이 -30℃ 이하이기 때문에, 저온이라도 오일이 액체로 존재할 수 있다. 이에 따라, 필요 유량을 펌프(11)로 확보하는 것이 가능해져, 펌프(11)의 대형화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 전지 냉각 시스템(1) 전체의 대형화를 억제할 수 있다.
또한, 냉각 회로(10)에서는, 오일의 순환 방향에서 방열기(12)의 하류측에, 배터리 유닛(20), PCU(40), T/A 유닛(30)의 순서로 한계 온도가 낮은 요소가 배치되기 때문에, 방열기(12)로부터 나온 오일을 한계 온도가 낮은 요소부터 차례로 흐르게 할 수 있다. 이에 따라, 배터리 유닛(20), PCU(40), 및 T/A 유닛(30)이 한계 온도에 도달하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 배터리 유닛(20)의 냉각이 필요한 경우에는, 펌프(11)의 토출량을 증대시킴으로써 냉각 성능을 충분히 발휘하는 것도 가능하다.
또한, 배터리 유닛(20)을 포함하는 냉각 회로(10) 내에 PCU(40) 및 T/A 유닛(30)이 배치되어 있기 때문에, PCU(40)에서의 발열과 T/A 유닛(30)에서의 발열에 의해, 배터리 유닛(20)을 난기할 수 있다. 즉, 히터를 이용하지 않고 배터리 유닛(20)의 전지 셀을 난기하는 것이 가능해진다. 그리고, 전지 셀의 본체(셀 바디)를 액체로 직접 난기하는 것이 가능하다. 이에 따라, 전지 셀의 플러스극 판 및 마이너스극 판의 난기 성능이 향상된다. 이 때문에, 냉간 시의 전압 저하가 작아져, 모터의 출력을 확보할 수 있다.
추가해, 각 모듈 케이스(22) 내에서 액체를 대각으로 흘려 보냄으로써, 모듈 케이스(22) 내에서 액체의 유속을 균일하게 할 수 있다. 이에 따라, 모듈 케이스(22) 내에서 냉각 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 전지 셀의 냉각 성능이 향상된다. 또한, 라미네이트형 전지 셀(23)인 경우에는, 액체로부터 상면(23b)에 작용하는 압력과, 액체로부터 하면(23a)에 작용하는 압력과의 차가 사라진다. 또한, 원통형 전지 셀(24)인 경우에는, 도 8, 도 10, 도 11에 나타내는 바와 같이 원통형 전지 셀(24)을 배치함으로써, 모듈 케이스(22) 내에서의 액체의 압력 손실을 저감할 수 있다.
또한, 전지 팩(21) 내에 수용된 모든 모듈 케이스(22)를 고무관(50)을 개재하여 직렬로 접속함으로써, 액체의 유량이 많아져, 전지 셀의 방열 성능(냉각 성능)이 향상된다.
또한, 상기 서술한 전지 냉각 시스템(1)은, 전기 자동차에 한정되지 않고, 엔진 및 모터를 주행용 동력원으로 하는 하이브리드 자동차에 적용하는 것도 가능하다.
또한, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 액체는, 상기 서술한 오일에 한정되지 않는다. 다만, 물, LLC(엔진 냉각수), 냉매(공조용의 냉동 사이클의 냉매)는, 냉각 회로(10) 내를 순환하는 액체로부터 제외된다.
냉각 회로(10) 내를 순환하는 액체가 오일인 경우에는, 저온 시에서의 동점도(動粘度)가 낮은 특성을 가지면 된다. 이에 따라, 냉온 환경하, 예를 들면 차량의 사용 온도 범위에서, 냉각 회로(10) 내를 액체가 흐르는 것을 가능하게 한다.
또한, 모듈 케이스(22)의 유입구 및 유출구는, 대각 위치 근방(P)에 마련되어 있으면 되므로, 모듈 케이스(22)의 측면으로부터 액체를 공급 및 배출하는 구조에 한정되지 않는다. 예를 들면, 모듈 케이스(22)의 상면이나 하면으로부터 액체를 공급 및 배출하는 구조여도 된다. 여기서, 도 12~도 15를 참조하여, 모듈 케이스(22)의 상면으로부터 액체를 공급 및 배출하는 구성에 대해 설명한다.
도 12는, 모듈 케이스(22)끼리의 접속부의 다른 구성예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 13은, 도 12의 XIII-XIII선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 14는, 도 12에 나타내는 모듈 케이스(22)의 내부에 원통형 전지 셀(24)이 수용된 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 15는, 도 14의 XV-XV선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 12에는, 모듈 케이스(22)를 상측에서 본 경우의 상면도가 나타나 있다.
도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 전지 팩(21)에는, 상면(21a)에 유입구(211) 및 유출구(212)가 마련되어 있다. 이 경우, 각 모듈 케이스(22)(22A~22F)는, 상면(22a)의 대각 위치에 유입구(221)(221A~221F)와 유출구(222)(222A~222F)가 마련되어 있다. 또한, 모듈 케이스(22)의 유입구(221) 및 유출구(222)가, 전지 팩(21)의 외측에서 다른 유입구(221) 또는 유출구(222)와 접속된다. 도 13에 나타내는 예에서는, 제 4 모듈 케이스(22D)의 유출구(222D)와 제 5 모듈 케이스(22E)의 유입구(221E)가 전지 팩(21)의 외측에서 고무관(50)을 개재하여 접속되어 있다. 이와 같이 모듈 케이스(22)의 상면(22a)에 유입구(221) 및 유출구(222)가 마련된 경우에도, 도 14 및 도 15에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 도 8에 나타내는 경우와 마찬가지로, 복수의 원통형 전지 셀(24)을 모듈 케이스(22) 내에 규칙적으로 배치하는 것이 가능하다. 또한, 도면에는 나타내지 않지만, 모듈 케이스(22)의 상면(22a)에 유입구(221) 및 유출구(222)가 마련된 경우에도, 유입구(221) 및 유출구(222)는 전지 팩(21)의 내측에서 다른 유입구(221) 또는 유출구(222)와 접속되도록 구성되어도 된다.
또한, 모듈 케이스(22) 내에 수용되는 전지 셀은, 각형 전지 셀이어도 된다. 여기에서, 도 16~도 19를 참조하여, 모듈 케이스(22) 내에 각형 전지 셀이 수용되는 경우에 대해 설명한다. 도 16은, 모듈 케이스(22)의 측면에 유입구(221) 및 유출구(222)가 마련된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 17은, 도 16의 XVII-XVII선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 18은, 모듈 케이스(22)의 상면(22a)에 유입구(221) 및 유출구(222)가 마련된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 19는, 도 18의 XIX-XIX선 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17에 나타내는 바와 같이, 측면에 유입구(221) 및 유출구(222)를 가지는 모듈 케이스(22)의 내부에는, 좌우 2열로 배열된 복수의 각형 전지 셀(25)이 수용된다. 이 경우, 유입구(221)로부터 모듈 케이스(22) 내에 유입된 오일은, 각형 전지 셀(25)끼리의 간극을 흘러 유출구(222)로부터 모듈 케이스(22)의 외부로 유출된다.
도 18 및 도 19에 나타내는 바와 같이, 상면(22a)에 유입구(221) 및 유출구(222)를 가지는 모듈 케이스(22)의 내부에는, 복수의 각형 전지 셀(25)이 좌우 2열로 배치된다. 각형 전지 셀(25)은, 상하 방향으로 세워지도록 하여 배치되어 있다. 모듈 케이스(22)의 유출구(222)는, 상면(22a)으로부터 상측을 향해 연장되고 있다.
또한, 오일의 유통 경로에 관한 모듈 케이스(22)끼리의 접속 방법은, 상기 서술한 도 2에 나타내는 직렬 접속에 한정되지 않고, 병렬 접속이어도 된다. 도 20은, 전지 팩(21) 내에서 모듈 케이스(22)끼리를 병렬로 접속한 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 전지 팩(21) 내에서는, 제 1~제 3 모듈 케이스(22A~22C)를 접속한 제 1 경로와, 제 4~제 6 모듈 케이스(22D~22F)를 접속한 제 2 경로가 병렬로 구성되어도 된다. 제 1 경로에서는, 상류측으로부터 하류측을 향해 제 1 모듈 케이스(22A), 제 2 모듈 케이스(22B), 제 3 모듈 케이스(22C)의 순서로 배치된다. 제 2 경로에서는, 상류측으로부터 하류측을 향해 제 6 모듈 케이스(22F), 제 5 모듈 케이스(22E), 제 4 모듈 케이스(22D)의 순서로 배치된다. 이와 같이, 전지 팩(21) 내에 배치된 복수의 모듈 케이스(22)의 절반을 병렬로 접속함으로써, 액체의 공급 온도가 낮아져, 전지 셀의 방열 성능(냉각 성능)이 향상된다.

Claims (9)

  1. 전지 냉각 시스템(1)에 있어서,
    냉각 회로(10);
    상기 냉각 회로(10)에 배치되고, 모터로부터 출력된 동력을 구동륜에 전달하는 트랜슬 액슬 유닛으로서, 기어를 포함하는 동력 전달 장치(30);
    전기 절연성을 가지고, 상기 기어의 윤활에 이용되는 구동계 오일－상기 구동계 오일은 상기 냉각 회로(10)를 순환함－;
    상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 복수의 전지 셀(23)을 수용하는 모듈 케이스(22)를 포함하는 배터리 유닛(20);
    상기 냉각 회로(10)에 배치되고, 상기 배터리 유닛(20)으로부터 출력되는 직류 전류를 교류 전력으로 변환하여 상기 모터에 공급하는 PCU(40);
    상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 상기 배터리 유닛(20)에 상기 구동계 오일을 공급함과 함께, 상기 구동계 오일을 당해 냉각 회로(10) 내에서 순환시키는 펌프(11); 및
    상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 당해 냉각 회로(10)를 흐르는 상기 구동계 오일로부터 방열시키는 방열기(12)를 포함하고,
    상기 구동계 오일은, 상기 동력 전달 장치(30) 내에서 직접 열교환을 행하고, 또한 상기 모듈 케이스(22)의 내부를 유통하여, 상기 전지 셀(23)과 직접 열교환을 행하는 전지 냉각 시스템(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 유닛(20)은 복수의 상기 모듈 케이스(22)를 수용하는 전지 팩(21)을 포함하고;
    상기 전지 팩(21)의 내부에서, 상기 모듈 케이스(22)끼리는 상기 구동계 오일이 관(50)을 개재하여 유통하도록 접속되어 있으며;
    상기 전지 팩(21) 내에 유입된 상기 구동계 오일은, 복수의 상기 모듈 케이스(22)를 경유하여 상기 전지 팩(21)의 외부로 유출되는 전지 냉각 시스템(1).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 회로(10)에 있어서, 상기 전지 팩(21) 내를 흐르는 상기 구동계 오일의 유통 경로가 직렬이 되도록, 복수의 상기 모듈 케이스(22)가 직렬로 접속되어 있는 전지 냉각 시스템(1).
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 회로(10)에 있어서, 상기 전지 팩(21) 내를 흐르는 상기 구동계 오일의 유통 경로가 병렬이 되도록, 복수의 상기 모듈 케이스(22)가 병렬로 접속되어 있는 전지 냉각 시스템(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모듈 케이스(22)는, 당해 모듈 케이스(22)를 상측에서 본 경우에, 상기 구동계 오일의 유입구(221) 및 상기 구동계 오일의 유출구(222)가 서로 대각 위치의 근방에 마련된 직육면체 형상을 가지는 전지 냉각 시스템(1).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 유닛(20)의 한계 온도는, 상기 동력 전달 장치(30)의 한계 온도보다 낮고;
    상기 방열기(12)로부터 유출된 상기 구동계 오일은, 상기 배터리 유닛(20)을 유통한 후에 상기 동력 전달 장치(30)로 공급되는 전지 냉각 시스템(1).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 구동계 오일은, 유동점이 -30℃ 이하인 전지 냉각 시스템(1).
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로(10)는 상기 배터리 유닛(20)이 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 파워 컨트롤 유닛(40)을 포함하고;
    상기 구동계 오일은, 상기 파워 컨트롤 유닛(40)의 케이스 내를 유통하고, 또한 당해 케이스 내부에 수용된 전자기기와의 사이에서 직접 열교환을 행하는 전지 냉각 시스템(1).
  9. 전지 냉각 시스템(1)에 있어서,
    전기 절연성을 가지고, 동력 전달 장치(30)의 기어의 윤활에 이용되는 구동계 오일이 순환하는 냉각 회로(10);
    상기 냉각 회로(10)에 배치되는 상기 동력 전달 장치(30);
    상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 복수의 전지 셀(23)을 수용하는 모듈 케이스(22)을 포함하는 배터리 유닛(20);
    상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 상기 배터리 유닛(20)에 상기 구동계 오일을 공급함과 함께, 상기 구동계 오일을 당해 냉각 회로(10) 내에서 순환시키는 펌프(11); 및
    상기 냉각 회로(10)에 배치되어, 당해 냉각 회로(10)를 흐르는 상기 구동계 오일로부터 방열시키는 방열기(12)를 포함하고,
    상기 구동계 오일은, 상기 동력 전달 장치(30) 내에서 직접 열교환을 행하고, 또한 상기 모듈 케이스(22)의 내부를 유통하여, 상기 전지 셀(23)과 직접 열교환을 행하는 전지 냉각 시스템(1).
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