JP6422757B2 - 自動車のハイブリッド電力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車のハイブリッド電力制御装置に係り、より詳しくは、インバータモジュール、LDCモジュール及び制御部を一つの閉鎖空間にパッケージングして、冷却効率及び組立性を向上させた自動車のハイブリッド電力制御装置に関する。
ハイブリッド車両や電気自動車のように、電気モータを駆動源に用いる親環境車両は、通常、電気モータを駆動するためのエネルギー源として、高電圧バッテリーなどを使用しており、電力変換部品として、モータに電源を提供するインバータと、車両用12V電源を生じるためのLDC(LOW DC−DC CONVERTOR)とを使用している。
前記インバータは、電気モータと高電圧バッテリーとの間で、高電圧バッテリーの直流電源を3相交流電源に変換させてモータ側に提供し、前記LDC(あるいは、コンバータ)は、高電圧バッテリーの直流電源を車両用12V電源に変換させて車両電装部品に供給する。
最近、このようなインバータ、コンバータ及びこれら(前記インバータとコンバータ)の制御のための制御器をパッケージ形態に統合して構成し、これをハイブリッド電力制御装置(HPCU:Hybrid Power Control Unit)と称している。
また、環境車両用HPCUは、冷却効率の向上及びパッケージング構造の改善による小型化、単純化及び高効率化が要求されている。
図1は、従来の技術による環境車両用電力制御装置を概略的に示すものである。
図1に示すように、従来の環境車両用電力制御装置は、第1ハウジング1内に設けられるコンバータ2と、第2ハウジング3内に設けられるインバータ4と、制御器5とから構成され、前記第1ハウジング1と第2ハウジング3とが互いに隣接して配置される。
前記インバータ4には、IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)のようなパワーモジュールが複数個で構成され、当該パワーモジュールの制御のために、ゲートボード及びキャパシタモジュールが構成される。
このような従来の環境車両用電力制御装置は、次のような短所がある。
1.インバータとコンバータのためのハウジングがそれぞれ別途に構成されるので、サイズ縮小が困難である。
2.ゲートボードと制御器(制御ボード)とがキャパシタを挟んで配置され、ワイヤリングを介して連結されるので、前記ワイヤリングのための構成空間が必要である。
3.図示していないが、パワーモジュールが片面だけ冷却される冷却構造を採択しているので、パワーモジュールの冷却効率が低い。
4.キャパシタの冷却構造がなく、キャパシタのサイズ縮小及び冷却に限界がある。
5.密閉された第1及び第2ハウジングにコンバータ、インバータ及び制御器などの実装品を一つずつ締結して設けるので、組立性を確保することが困難である。
韓国登録特許第10−0998810号公報 韓国登録特許第10−1000594号公報
本発明の目的は、前記のような点に鑑みて考案したものであって、効率的な冷却構造を適用して、冷却効率を改善すると共に、インバータ、コンバータ及び制御部を一つの密閉空間に単純な構造でパッケージングして、サイズ縮小を図ることが可能な自動車のハイブリッド電力制御装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明では、ハウジング内の上下一側に配置されるインバータモジュールと、前記ハウジング内の上下他側に配置されるLDCモジュールと、前記ハウジング内に脱着可能に組み立てられる部品実装部とを含み、前記インバータモジュールは、複数のパワーモジュールと、前記各パワーモジュールの両面に熱伝達可能に接触し、前記部品実装部の上下一側に組み立てられる冷却器と、前記冷却器の一側に熱伝達可能に積層された形態で、前記部品実装部の上下一側に組み立てられるキャパシタモジュールと、を含むことを特徴とする自動車のハイブリッド電力制御装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、前記LDCモジュールは、前記部品実装部の上下他側に組み立てられ、インバータモジュールと対向する側に配置され、前記部品実装部を媒介として前記冷却器の他側に熱伝達可能に接触する。
また、本発明の実施形態によれば、前記各パワーモジュールと冷却器との間、前記キャパシタモジュールと冷却器との間、及び前記部品実装部と冷却器との間には、熱伝導性のサーマルグリスが塗布されることが望ましい。
また、本発明の実施形態によれば、前記複数のパワーモジュールは、左右両側に二分されて配置され、各パワーモジュールは、左右一側に高電圧連結部が備えられ、左右他側に低電圧連結部が備えられたものであって、左右一側に配置されたパワーモジュールと、左右他側に配置されたパワーモジュールは、高電圧連結部と低電圧連結部とを基準として互いに逆方向に配置されることが望ましい。
また、本発明の実施形態によれば、前記インバータモジュールは、部品実装部の左右両側に配置されるゲートボードを含み、前記部品実装部には、LDCモジュールの下側に配置される制御部が組み立てられ、前記ゲートボードと制御部は、一側にコネクタを備える板状の回路ボードであって、互いに直角に配置され、コネクタを介して連結される。
また、本発明の実施形態によれば、前記部品実装部と対向する側で、冷却器の一側には、冷却器プレートが積層され、前記冷却器を挟んで組み立てられる前記冷却器プレートと部品実装部の結合のための締結部材には、緩衝バネが組み立てられる。
本発明による自動車のハイブリッド電力制御装置によれば、一つの冷却器を用いた効率的な冷却構造によって冷却効率を改善すると共に、インバータ、コンバータ及び制御部を一つの密閉空間に単純な構造でパッケージングして、サイズ縮小を図ることができる。
従来の技術による環境車両用電力制御装置を概略的に示す図面である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置を示す外部斜視図及び内部構成図である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置において、ハウジングを省略して示す構成図である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置において、一つの冷却器を用いた熱伝達構造を概略的に示す図面である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置において、冷却器及びパワーモジュールの配置構造を示す図面である。 図5のA−Aから見た断面図である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置の制御部とゲートボードとの間に連結構造を示す図面である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置の緩衝バネを用いた衝撃吸収構造を示す図面である。 本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置を示す回路図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施形態について、本発明が属する技術の分野において通常の知識を持った者が容易に実施できるように説明する。
本発明は、環境車両の電気モータ及び電装部品に供給される電力の制御のためのインバータモジュールと、LDC(LOW DC−DC CONVERTOR)モジュールと、これら(インバータモジュールとLDCモジュール)の制御のための制御部とを一つの密閉空間にパッケージングして構成した自動車のハイブリッド電力制御装置に関するものであって、効率的な冷却構造を採択して、冷却効率を改善すると共に、パッケージング構造の単純化及びサイズ縮小を図り、ハウジング内に部品実装部を分離可能に構成して、当該部品実装部に各種構成部品(インバータモジュール、LDCモジュール、制御部など)を組み立ててモジュール化した後、モジュール化した組立体をハウジング内に締結して、組立性を改善する。
図2及び図3に示すように、本発明の実施形態による自動車のハイブリッド電力制御装置は、閉鎖可能な内部空間を持つハウジング10と、当該ハウジング10内に設けられる部品実装部20と、当該部品実装部20に取り付けられるインバータモジュール30と、LDCモジュール40と、制御部50とを含む。
前記ハウジング10は、上端と下端が開放されたボックス型のミドルハウジング11と、当該ミドルハウジング11の上端と下端にそれぞれ結合される上部カバー12及び下部カバー13とからなる。
前記ハウジング10には、高電圧バッテリー(図示せず)から供給される高電圧DC入力に対する入力連結部15と、前記高電圧バッテリーから供給された高電圧DC入力を伝達されたインバータモジュール30で生成した高電圧出力(3相AC)に対する出力連結部14と、LDCモジュール40で前記高電圧DC入力を変換させて生成された車両用低電圧出力に対する低電圧出力連結部(図示せず)とが備えられる。
この時、前記入力連結部15は、ハウジング10の外部の高電圧バッテリーと、ハウジング10の内部のインバータモジュール30とを電気的に連結できるようにし、前記出力連結部14は、ハウジング10の内部のインバータモジュール30と、ハウジング10の外部の電気モータ(図示せず)とを電気的に連結できるようにし、前記低電圧出力連結部(図示せず)は、ハウジング10の内部のLDCモジュール40と、ハウジング10の外部の補助バッテリー(図示せず)とを電気的に連結できるようにする。
ここで、前記入力連結部15、出力連結部14及び低電圧出力連結部は、コネクタや端子として形成される。
ハウジング10の内部は、部品実装部20を基準として、インバータモジュール30が位置する空間と、LDCモジュール40が位置する空間とに大別される。
前記部品実装部20は、概ね板状に設けられたパネル部21と、当該パネル部21のエッジに備えられた複数の支持台22とからなり、当該部品実装部20(具体的には、パネル部21)を基準として、ハウジング10内の上側にインバータモジュール30が設けられ、ハウジング10内の下側にLDCモジュール40が設けられる。
前記インバータモジュール30は、スイッチング素子である複数のパワーモジュール31、キャパシタモジュール32、ゲートボード33、冷却器34などで構成され、前記LDCモジュール40は、パワーボード、インダクタ、トランスフォーマ、ダイオードなどで構成される。
前記部品実装部20は、ハウジング10を構成するミドルハウジング11内に脱着可能に結合され、ハウジング10内に位置し、ミドルハウジング11に締結される前に、ハウジング10の外部のオープンされた空間で、まず、インバータモジュール30とLDCモジュール40とを取り付けてモジュール化した後、ミドルハウジング11内に結合される。
このように、部品実装部20を用いて、インバータモジュール30とLDCモジュール40とを一体に組み立ててモジュール化した組立体を、インバータ&LDCモジュールとすれば、当該インバータ&LDCモジュールをオープンされた空間で組み立てた後、ミドルハウジング11に組み立てて、当該ミドルハウジング11に上部カバー12と下部カバー13とを組み立てることで、組立便宜性及び組立品質を向上することができる。
前記インバータモジュール30は、冷却効率を向上し、サイズ縮小を図るために、図4に示すように、複数のパワーモジュール31にそれぞれ両面接触すると共に、キャパシタモジュール32の一側に接触し、部品実装部20を媒介としてLDCモジュール40の一側に接触する形態の冷却器34を用いている。
図5は、ハウジング10内に実装されたパワーモジュール31の配列、及び冷却器34との接触形態を示すものであって、図5に示すように、インバータモジュール30を構成する複数のパワーモジュール31は、左右両側に二分されて2列に配置され、冷却器34は、前記各パワーモジュール31の両面を冷却可能な形態に形成される。
参考までに、二つの駆動モータを用いる環境車両の場合、一つの駆動モータ当たり三つのパワーモジュールが連結されるように構成され、HPCUには総六つのパワーモジュールが備えられる。
図5及び図6に示すように、前記冷却器34は、冷却水の移動及び循環のための冷却流路を持つパイプ構造に基づくものであって、冷却水の流入のための流路入口35と、冷却水の排出のための流路出口36と、左右一側に一列に配列された複数のパワーモジュール31の上下両面に接触可能な第1冷却部37と、左右他側に一列に配列された複数のパワーモジュール31の上下両面に接触可能な第2冷却部38と、流路入口35を介して流入された冷却水の分配のためのディバイド39とから構成される。
前記ディバイド39は、一側に流路入口35と流路出口36とが一体に連結され、他側に(これと対向する側に)第1冷却部37と第2冷却部38とが一体に連結されるので、流路入口35に流入された冷却水が、第1冷却部37と第2冷却部38とに分割されて流入され、第1冷却部37と第2冷却部38とを循環した後、流路出口36を介して冷却器34の外部に排出される。
この時、第1及び第2冷却部37,38に流入される冷却水と、第1及び第2冷却部37,38から排出される冷却水との間に混合を防止するために、ディバイド39は、その内部に冷却水の上下移動を遮断するための隔膜39aを備える。
すなわち、前記ディバイド39は、内部の隔膜39aによって上下二層構造で冷却流路が区分され、これによって、流路入口35に流入された冷却水は、下層の冷却流路39cを介して第1及び第2冷却部37,38に流入された後、上層の冷却流路39bを介して流路出口36に排出される。
そして、前記第1及び第2冷却部37,38は、それぞれその中央部が屈曲して、両端がディバイド39の上層及び下層の冷却流路39b,39cと連通可能にディバイド39に連結され、このような形態によって、一列に配列された複数のパワーモジュール31を取り囲みつつ、各パワーモジュール31の両面に同時接触する。
また、キャパシタモジュール32は、部品実装部20に取り付ける時、パワーモジュール31の上端に積層された形態に取り付けられ、前記冷却器34、具体的には、第1冷却部37(あるいは、配置構造によって、第2冷却部38)の上側面に接触して配置され、LDCモジュール40は、部品実装部20の下側に実装されるが、その構成要素のうち発熱部品(例えば、インダクタ、FET、トランスフォーマ、ダイオードなど)を冷却器34の冷却水ルートに一致して配置する。
また、図4に示すように、各パワーモジュール31と冷却器34(具体的には、第1及び第2冷却部37,38)との間、キャパシタモジュール32と冷却器34(具体的には、第1冷却部37)との間、及び部品実装部20と冷却器34(具体的には、第1及び第2冷却部37,38)との間に、熱伝導性のサーマルグリスを塗布して、接触面積を増大させることができる。
このようなパッケージ構造によって、前記冷却器34は、各パワーモジュール31の上下両面に熱伝達可能に接触すると共に、前記キャパシタモジュール32の一側(下端面)と、前記LDCモジュール40の一側(上端面)とにそれぞれ熱伝達可能に接触し、このように、一つの冷却器34でパワーモジュール31、キャパシタモジュール32及びLDCモジュール40を全て冷却することで、冷却効率を向上すると共に、ハウジング10内の部品のサイズ縮小、材料費低減及び安定性確保ができる。
具体的には、キャパシタモジュール32は、冷却器34の上面に積層されて設けられることで、キャパシタモジュール32で生じる熱を冷却器34内の冷却水側に伝達して冷却が行われるので、これによって、キャパシタ容量及びサイズの縮小が可能であり、材料費低減を具現することができる。
そして、LDCモジュール40は、モジュール40を構成する構成要素のうち発熱部品を冷却器の下側に位置するように配置して構成されることで、冷却器34の冷却水を介して熱伝達が行われて冷却可能になる。
また、図5に示すように、各パワーモジュール31は、左右一側に高電圧連結部31aが備えられ、左右他側に低電圧連結部31bが備えられるが、左右一側(具体的には、第1冷却部37側)に配置されたパワーモジュールと、左右他側(具体的には、第2冷却部38側)に配置されたパワーモジュールとの高電圧連結部31aと低電圧連結部31bとを互いに逆方向に配置して構成することで、電磁波性能を向上することができる。
この時、各パワーモジュール31の高電圧連結部31aは、冷却器34を基準として内側(すなわち、第1冷却部37と第2冷却部38との間)に位置し、前記各パワーモジュール31の低電圧連結部31bは、冷却器34を基準として外側(すなわち、第1冷却部37の外側及び第2冷却部38の外側)に位置する。
前記高電圧連結部31aは、キャパシタモジュール32と電気的に連結される直流入力部31aaと、ハウジング10の外部のモータ側に電気的に連結される交流出力部31abとから構成され、前記低電圧連結部31bは、パワーモジュール31の制御のためのゲートボード33と電気的に連結可能に構成される。
図3及び図7を参照すれば、パワーモジュール31の動作の制御のためのゲートボード33は、部品実装部20の左右両側にそれぞれ配置され、インバータモジュール30及びLDCモジュール40の制御のための制御部50は、部品実装部20の下側(具体的には、部品実装部20の下部に設けられたLDCモジュール40の下側)に配置される。
この時、ゲートボード33と制御部50は、板状の回路ボードで構成され、部品実装部20の左右両側に備えられた支持台22に固定して組み立てられるにあたって、互いに直角を成して位置することになる。
前記ゲートボード33と制御部50とが互いに垂直構造で配置されることで、ゲートボード33と制御部50のインターフェースを、既存のワイヤリング連結方式から、コネクタツーコネクタ連結方式を採択可能になる。
言い換えれば、ゲートボード33と制御部50との間に信号連結のための手段としてコネクタを用いることができ、ゲートボード33に備えられた第1コネクタ33と、制御部50に備えられた第2コネクタ51とを互いに接続させて連結することで、既存のインターフェース用ワイヤリングを削除し、ゲートボード33と制御部50との間にインターフェース構造を改善することができ、これによって、サイズ縮小及び材料費低減が可能になる。
合わせて、前記制御部50がインバータモジュール用制御器とLDCモジュール用制御器との機能を統合して行うので、これによるサイズ縮小及び材料費低減も可能になる。
一方、前述の冷却器34の場合、部品実装部20と冷却器プレート60との間に組み立てられ、パワーモジュール31の両面に密着するように支持されるが、この時、冷却効率を向上するためには、パワーモジュール31との接触面積を最大に増大して維持する必要があり、このために、パワーモジュール31の上下両側から一定かつ強い力で押すことが必要である。
すなわち、パワーモジュール31の上下両側から押す力によって、冷却器34とパワーモジュール31の接触面積を最大に維持して、最適の冷却状態を維持することが望ましい。
但し、車両の環境は、随時に外部から衝撃や振動が伝えられ、これは、部品の耐久性を低下させる要因として作用する。
冷却器34の上下面を押している部品実装部20、キャパシタモジュール32、冷却器プレート60などは、外部の振動や衝撃によって持続的に外部から荷重(エネルギー)を受けるが、この荷重を吸収できる別途の装置がなければ、耐久性能が弱化されていて、破損に達し、このような耐久性能の弱化は、すなわち、部品の剛性弱化を意味し、剛性弱化によって、冷却器を押す力が弱くなり、結局、冷却性能が低下する。
したがって、外部の衝撃や振動に対する耐久性を改善するために、前記部品実装部20と冷却器プレート60の結合のための締結部材61に緩衝バネ62を使用する。
具体的には、図8に示すように、冷却器プレート60と締結部材61との間に緩衝バネ62を挿入して組み立てるか、または図示していないが、部品実装部20と締結部材61との間に緩衝バネ62を挿入して組み立てて、前記緩衝バネ62を外部の振動や衝撃から生じる荷重を吸収するための手段として用いることができる。
ここで、緩衝バネ62は、締結部材61の締結力によって、部品実装部20と冷却器プレート60との間に冷却器34を弾力的に支持して、外部から加えられる衝撃エネルギーを吸収することで、冷却器34を押している部品実装部20、キャパシタモジュール32、冷却器プレート60などの耐久性能を低下させる衝撃エネルギーを遮断する役割を行う。
また、緩衝バネ62が持続的に押す力によって、冷却器34に加えられる力(冷却器34とパワーモジュール31、部品実装部20、冷却器プレート60などの構成との間に接触維持のための力)が一定に維持され、これは、経時的に冷却性能のバラツキを減らすことができ、長時間一定かつ持続的な冷却性能を維持可能にする。
また、別途の複雑な構造物なしに、緩衝バネ62のみを追加して、比較的低い価格で最大の性能が得られる。
合わせて、前記冷却器34の熱伝達を阻害しないために、前記冷却器プレート60と部品実装部20は、熱伝導性素材で設けられることが望ましい。
前記冷却器プレート60は、冷却器34とキャパシタモジュール32との間に位置するので、キャパシタモジュール32と冷却器34の接触面積を増大するためのサーマルグリスは、キャパシタモジュール32と冷却器プレート60との間に塗布されたり、冷却器プレート60と冷却器34との間に塗布され、またはキャパシタモジュール32と冷却器プレート60との間、及び冷却器プレート60と冷却器34との間に全て塗布されてもよい。
このように、本発明は、両面冷却が可能な冷却器34を用いて、パワーモジュール31の冷却効率を改善すると共に、前記一つの冷却器34を用いて、パワーモジュール31、LDCモジュール40及びキャパシタモジュール32を全て冷却することで、HPCUパッケージング構造を単純化して、キャパシタモジュール32のサイズ縮小を図ることができ、制御部50とゲートボード33の連結方式を単純化して、HPCUサイズを縮小するパッケージング構造を具現することができる。
また、本発明は、一つの閉鎖空間(すなわち、ハウジング)にキャパシタモジュール32とゲートボード33とを含むインバータモジュール30、LDCモジュール40及び制御部50を全て取り付けてパッケージング構造を最適化し、この時、ハウジング10に脱着可能な部品実装部20を用いて、インバータモジュール30、LDCモジュール40及び制御部50を一体に組み立ててモジュール化した後、ハウジング内に設けることで、組立性を改善し、組立関連品質問題を最小化及び防止することができる。
参考までに、前記のように一つの閉鎖空間(ハウジング)に構成されるハイブリッド電力制御装置は、図9のような回路として表す。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の色々な変形及び改良形態も、本発明の権利範囲に含まれる。
10:ハウジング
20:部品実装部
30:インバータモジュール
31:パワーモジュール
32:キャパシタモジュール
33:ゲートボード
34:冷却器
40:LDCモジュール
50:制御部
60:冷却器プレート
61:締結部材
62:緩衝バネ

Claims (5)

  1. ハウジング内の上下一側に配置されるインバータモジュールと、前記ハウジング内の上下他側に配置されるLDCモジュールと、前記ハウジング内に脱着可能に組み立てられる部品実装部とを含み、
    前記インバータモジュールは、
    複数のパワーモジュールと、
    前記各パワーモジュールの両面に熱伝達可能に接触し、前記部品実装部の上下一側に組み立てられる冷却器と、
    前記冷却器の一側に熱伝達可能に積層された形態で、前記部品実装部の上下一側に組み立てられるキャパシタモジュールと、を含み、
    前記インバータモジュールは、部品実装部の左右両側に配置されるゲートボードを含み、前記部品実装部には、LDCモジュールの下側に配置される制御部が組み立てられ、前記ゲートボードと制御部は、一側にそれぞれコネクタを備える板状の回路ボードであって、互いに直角に配置され、前記コネクタを介して連結されたことを特徴とする自動車のハイブリッド電力制御装置。
  2. 前記LDCモジュールは、前記部品実装部の上下他側に組み立てられ、インバータモジュールと対向する側に配置され、前記部品実装部を媒介として前記冷却器の他側に熱伝達可能に接触したことを特徴とする請求項1に記載の自動車のハイブリッド電力制御装置。
  3. 前記各パワーモジュールと冷却器との間、前記キャパシタモジュールと冷却器との間、及び前記部品実装部と冷却器との間には、熱伝導性のサーマルグリスが塗布されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の自動車のハイブリッド電力制御装置。
  4. 前記複数のパワーモジュールは、左右両側に二分されて配置され、各パワーモジュールは、左右一側に高電圧連結部が備えられ、左右他側に低電圧連結部が備えられたものであって、左右一側に配置されたパワーモジュールと、左右他側に配置されたパワーモジュールは、高電圧連結部と低電圧連結部とを基準として互いに逆方向に配置されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の自動車のハイブリッド電力制御装置。
  5. 前記冷却器の一側には、冷却器プレートが積層され、前記冷却器を挟んで組み立てられる前記冷却器プレートと部品実装部の結合のための締結部材には、緩衝バネが組み立てられたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の自動車のハイブリッド電力制御装置。
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