KR0142376B1 - 전기 자동차 충전 변압기의 내부 냉각 구조 - Google Patents

Abstract

변압기는 전기 자동차의 전지 충전에 사용된다. 일차 변압기는 고정 전원에 연결되고 그리고 자동차 내에 장착된 이차 변압기로부터 분리 가능하다. 이차 변압기는 이차 권선에 직접 장착된 유체 열 교환기에 의해 냉각된다.

Description

전기 자동차 충전 변압기의 내부 냉각 구조

제1도는 본 발명에 따른 충전 스테이션에 인접한 전기 자동차의 사시도.

제2도는 부품의 상호 관계를 도시한 전기 자동차 충전 변압기의 분해 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

16:유도 충전 결합기20:일차 자기 코어

22,24:이차 자기 코어30,32:이차 권선

38,40,42,44:열 교환기

전기 자동차 전지는 변압기를 구비한 자기 커플링을 통해 외부 전원으로부터 충전된다. 이차 변압기 유도 충전 수용기는 자동차 위에 위치한다. 이차 수용기의 냉각은 이차부(secondary)에 인접하여 순환하는 액체를 냉각하고 순환하는 냉각 유체로 이차부로부터 열을 빼앗도록 연결된 열 교환기에 의해 이루어진다.

최근에는 공기 오염을 줄이기 위하여 전기 자동차로 지향하고 있는 것이 추세이다. 이러한 전기 자동차는 재충전 가능한 전지를 내장한다. 전지의 전력은 자동차를 추진시키는 데 사용되며 또한 자동차에 소요되는 다른 동력용으로도 제공된다. 이러한 자동차를 설계함에 있어서 주의를 요하는 것은 비용 부담, 성능, 충전 주기, 가속성 및 속력들 간의 균형을 유지하는 것이다. 이러한 조건들의 조합이 어떻든지 간에 자동차는 계속 사용하려면 전지를 주기적으로 충전시켜야 한다. 아주 큰 전지로 상당량의 전력을 재충전시킬 필요가 있다. 자동차를 사용하고 있지 않을 때의 재충전 시간은 최소화시켜야 하므로 이에는 고속 충전이 필요하다. 통상의 플러그를 사용하는 경우 이 플러그는 고 전력용에 적합해야 하는데, 상기 고 전력은 작업자 및/또는 그 근처에 있는 다른 사람이 전기 공급 시스템의 부재와 접촉하게 되면 손상받을 위험이 있다.

따라서 충전대와 자동차 간에 전기사 직접적으로 전달되지 않도록 하면서 이들을 결합시키는 것이 필요하다. 자기적 결합이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 유도 충전 결합기는 수동으로 조작되어서 자동차 내의 적절한 유도 충전 수용부 슬롯에 삽입될 수 있다. 유도 충전 결합기는 변압기의 일차부이며 적절한 자기 코어가 내장된다. 유도 충전 수용부 슬롯에는 변압기의 이차 권선이 내장되며 그 나머지 부분에는 자기 코어가 내장된다. 전지를 충전시키기 위하여 자동차 내의 변압기의 이차부는 적절한 전기 장치를 통하여 전지에 연결된다.

주파수는 통상의 전력선의 주파수 보다 높은 것이 바람직하며, 충전율은 10KW 이상으로 높다. 이 결과 변압기 코일, 자기 코일 및 유도 결합된 분리 가능한 변압기 내에 내장된 다른 전자 기기로부터 방산되는 열량은 50와트를 초과할수 있다. 변압기 전체 및 그와 결합된 정류기와 같은 전자 기기를 냉각시켜서 내부 온도가 변압기에 사용된 재료의 임계 작동 범위, 정류기의 연결부 또는 표면 접촉부의 온도를 초과하지 않게 하는 것이 바라직하다.

본 발명의 이해에 도움을 주기 위해, 순환 유체 열교환기를 이차 권선에 인접해 위치시키고 순환 유체에 의해 이차 권선의 인접부로부터 열을 제거함으로써 전기 자동차 충전 변압기의 유도 충전 수용기 내의 이차 권선의 냉각 구조에 관한 것이 요약 형태로 기술된다.

그리하여 본 발명의 목적과 장점은 일차 유도 충전 결합기가 고정식 전원으로부터 에너지를 공급받을 수 있도록 그리고 자기 회로와 전기 이차 회로에 에너지를 공급하기 위해 유도 변압기 충전 수용기 안으로 삽입되도록 분리 가능하고 냉각된 일차 유도 충전 결합기를 가지는 변압기를 포함하는 전기 전지 충전용 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적과 정점은 이차 권선의 인접부로부터 열을 제거하기 위해 유체 열 교환기를 이차 권선에 인접하게 배치함으로써 전기 자동차 충전 변압기의 냉각된 이차 유도 충전 수용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적과 장점은 동력 공급원에서 자동차로의 자기 커플링이 충전 담당자의 안전을 도모하기 위해 전기 프러그를 직접 접촉하지 않고도 이루어질 수 있도록 많은 양의 에너지를 이동시키는 고성능 유도 충전 커플링 변압기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적과 장점은 변압기 내의 에너지의 상당량을 이동시키고 변압기가 자동차 성능을 최대화 하기 위한 최소 무게가 되도록 순환 유체 열교환기로 이차 권선 구조를 냉각시키는 고성능 유도 충전 결합기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적과 장점은 자동차 위에 남아 있는 부분과 동력 공급원에 영구 접속되도록 분리 가능한 부분으로 된 분리 가능한 자동차 전지 충전 변압기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적과 장점은 명세서와 특허 청구 범위 그리고 첩부된 도면의 이하 설명을 연구하면 잘 알 수 있을 것이다.

자동차(10)은 소수의 사람과 소량의 수화물을 운송하도록 설계된 자동차이다. 이자동차는 구동 바퀴에 연결된 모터에 동력을 공급하는 전지를 적제하고 있다. 자동차의 속력 및 방향을 제어하기 위한 적절한 전기 및 기계적 제어부가 설치되어 있다. 적재된 전지는 주기적으로 재충전되어야 한다. 본 발명에 따른 시스템에 있어서는, 운전자가 쉬거나 업무를 보거나 또는 쇼핑을 할 때에 자동차(10)이 주차하는 위치에 인접한 곳에 위치하는 고정형 전원(12)로 부터 충전 전력이 나온다. 본 명세서의 도면에 따르면, 자동차(10)은 자동차 운전자의 집 가까운 곳의 차도(14)에 주차되어 있다.

본 발명에서 전제로 하는 것은, 자동차가 직접 플러그 접속에 의해 전력 공급원(12)로부터 직접 전력을 공급받지 않고 충전 접속을 유도적으로만 하는 것이다.변압기는 전원(12)로 부터 전력을 받아서 이 전력이 자기 결합을 거쳐서 자동차의 이차부로 보내지도록 구성된다. 이차부는 자동차 전지를 충전하기 위하여 전자 기기를 거쳐서 적절히 접속된다. 전력 공급 주파수는 변압기의 변수들을 포함한 총 전력 공급 변수들과 관련하여 선택된다. 제1도에는 자동차(10)에 꽂혀 있는 것으로 도시되어 있고 제2도에는 확대 단면도로 도시되어 있는 유도 충전 결합기(16)은 케이블(18)에 의해 고정형 전원에 연결된다. 케이블(18)은 전기 케이블과, (필요하다면)냉각 튜브, 그리고 조절 회로를 장착하고 있다.

유도 충전 결합기(16)은 이차 자기 코어(22, 24)와 결합하는 퍽(puck)형 자기 코어(20)을 가진다. 이차 코어는 원통형 일차 자기 코어(20)과 결합하고 도면 부호 26의 위치에 도시된 원통형 중앙 플러그를 가진다. 이것은 중앙 플러그(26)이 도시된 제2도에 가장 잘 나타나 있다. 일차 권선은 일차 코어(20)을 둘러싸고 있다. 이차 권선(30, 32)는 각각의 플러그(26)을 둘러싸고 있고 그리고 결합기(16) 내의 일차 권선에 마주한 채 놓여져 있다. 자기 회로는 핑거(finger)(34, 36)와 같은 자기 코어 핑거에 의해 이 권선의 외부 주위에서 완성된다. 이차부를 조립할 때, 이 핑거는 서로 대면 접촉한다. 일차 코일 및 이차 코일 또한 서로 대면 접촉한다. 두개의 이차 코일을 사용하면 효율이 향상된다.

변압기, 특히 이차 코일을 냉각시키기 위해, 방열 구조가 제공된다. 열교환기(38, 40, 42, 44)는 변압기 내에 직접 위치해 있고 그리고 이차부와 마주한 채 놓여 있다. 열 교환기는 제2도에 도시되며, 열 교환기(38, 40, 42, 44)는 각각 반환상형이다. 열교환기(42)는 코어(24) 내의 플러그(26)에 대응하는 플러그를 둘러싸기 위해 열 교환기(44)와 협력한다. 열교환기(42, 44)는 코어(24)와 직접 마주하여 그리고 이차권선(32)와 또한 직접 마주한다. 각각의 열교환기는 조합이차 권선의 형태와 결합하는 반환상형이다. 각각의 열교환기는 유체 입구와 유체 출구를 가진다. 열교환기(42)의 유체 입구(46)과 유체 출구(48)은 제2도에 도시된다. 각각이 열교환기의 입구 및 출구는 열이 전달되도록 적당한 냉각 유체 공급원에 연결된다.

각각의 열 교환기 내에는, 열 교환기의 본체로부터 순환 유체로의 열교환을 향상시키기 위해 핀(fin) 또는 핀(pin)과 같은 일련의 연장 열교환 표면 부재가 배치된다. 열교환기는 열교환기 내에서 전류가 완전한 루프(loop)를 만들지 못하도록 환형 전기 회로를 개방하는 반환상형이다. 열교환기는 유동성 충전 결합기(16)이 삽입되는 코어 갭 내에서 스트레이(stray) 구역에서의 가열을 줄이기 위해 이차 권선과 코어 사이에 위치한다. 열 교환기 내의 핀 형태는 장치의 필요에 따라 선택될 수 있다. 대량 생산을 위해, 핀 날개를 갖춘 주조 알루미늄제 열 교환기가 상대적으로 저렴한 비용으로 사용될 수 있다. 기계 가공된 핀 또는 담금 경납땜된 오프셋 핀은 소량 생산의 경우에 사용된다.

도시된 변압기의 경우에, 이차 권선(30, 32)의 온도는 이차 권선에서 유체로의 열 저항에 열 손실을 곱한 것과 같다. 이러한 열 교환기가 없다면, 열은 코어의 외부 공기로 전도되어야 할 것이다. 페라이트 코어의 열 전도도는 대개 약 0.0039 와트/㎜/℃이다. 코어의 평면적이 약 101.6 ㎜ x 101.6 ㎜이고 단면 두께가 16.9 밀리미터이고 동력 손실이 25 W라고 하면, 열교환기(38, 40, 42, 44)가 사용되지 않는다면 코어를 통한 추가 온도 상승은 11.8℃가 된다. 이 열교환기의 사용에 의해 온도 상승의 제거가 가능해지고 동일한 자기 커플링으로 더 큰 동력을 전달하게 하거나 또는 크기를 소형화할 수 있게 된다. 이차 권선(30, 32)의 냉각은 또한 제거시에 손상을 덜 일으키도록 낮은 온도에서 유도 충전 결합기(16)을 유지시킨다.

이차 권선(30, 32)는 버스 바아(busbars)(50, 52)에 의해 자동차 전지에 전기 접속되고 그리고 점선으로 도시된 바와 같이 버스 바아(54)와 함께 접속된다. 열 교환기는 유체가 재순환된 액체 또는 가스일 때 대류 및 복사 열교환기로부터 시작되어 냉각 유체원에 연결되는 유체 유입부를 가진다. 냉각 유체를 이동 시키기 위해 펌프 또는 팬을 이용한다. 공기는 폐쇄 또는 개방 시스템 내의 유체로서 사용된다. 열교환기의 유체 배출구는 가열된 냉각 유체를 배출시키기 위해 연결되고, 재사용을 위해 냉각 열교환기를 통과한다. 이리하여, 더 작고 더 효율적이고 더 신뢰성 있는 자기 커플링을 얻게 된다. 열교환기에 이러한 위치는 일차 전류가 중심 코어 포스트에서 플럭스(flux) 커플링을 통해 이차 전류와 결합하기 때문에 변압기 성능에 영향을 주지 않는다. 추가의 열 교환기는 이 플럭스 커플링을 방해하지 않는다.

본 발명은 현재 고려된 최상의 방식으로 기술되고, 그리고 독창적 능력이 없는, 기술 분야에 숙련된 사람의 능력 내에서 수많은 수정, 방식 및 실시예가 있을 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 영역은 이하의 특허 청구 범위의 영역에 의해 제한을 받는다.

Claims (11)

1. 자동차 충전 변압기에 있어서, 일차 전기 권선을 구비하고 고정 교류 전원에 부착되기 위한 변압기 일차 유도 충전 결합기와; 자동차의 전지를 충전시키기 위해 자동차 내에 장착되며 상기 결합기를 수용하는 크기의 슬롯과, 상기 슬롯에 인접한 변압기 이차 권선과, 상기 이차 권선에 인접한 열교환기를 구비하는 변압기 이차 유도 충전 수용기와; 상기 결합기가 상기 수용기의 상기 슬롯 내에 있을 때 상기 일차 권선과 이차 권선을 통해 자기 회로를 완성하기 위해 상기 일차 전기 권선과 상기 이차 전기 권선에 결합되는 자기 코어를 포함하며,상기 열교환기가 유체 통로 및 냉각 유체를 통과하기 위한 연결부를 가지며, 상기 변압기 일차 유도 충전 결합기는 자동차가 고정 전원으로부터 분리될 수 있도록 상기 변압기 이차 유도 충전 수용기로부터 분리 가능한 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
2. 제1항에 있어서, 상기 슬롯의 측면에 각각 하나씩 두 개의 이차 권선이 배치되고, 상기 슬롯의 각각의 측면 위에 있으며, 상기 두 이차 권선에 각각 결합되는 두 개의 열교환기가 배치된 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
3. 제2항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 열 교환기의 스트레이 전류 가열을 최소화 하기 위해 상기 이차 권선과 상기 코어 사이에서 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
4. 제3항에 있어서, 상기 이차 코일이 환상형이고 상기 열교환기가 반환상형인 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
5. 제1항에 있어서, 상기 이차 코일이 환상형이고 상기 열 교환기가 변압기의 단락을 막기 위해 두 개의 반환상형부로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
6. 제1항에 있어서, 상기 변압기 이차 유도 충전 수용기 내의 상기 슬롯의 각각의 측면 위에 환상의 이차 권선이 있고, 상기 슬롯에서 떨어진 측면 위의 각각의 상기 이차 코일에 걸쳐 있는 한 쌍의 반환상형 열 교환기가 배치되며, 상기 자기 코어가 상기 이차 코일 내의 상기 열 교환기를 관통 연장하는 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
7. 전기 추진 모터와 상기 추진 모터에 전류를 통하게 하기 위해 연결된 전기 전지와 상기 전지가 고정 전원으로부터 충전될 수 있도록 상기 전지용 충전 수단을 가지는 전기 자동차에 있어서, 변압기 이차 유도 충전 수용기가 상기 자동차 위에 장착되고 상기 수용기가 슬롯을 가지며 상기 슬롯의 적어도 한 측면에 환상의 변압기 이차 코일을 가지며, 열교환기는 상기 슬롯에서 떨어진 측면위에서 상기 변압기 이차 코일에 대해 걸쳐져 있으며, 상기 열교환기는 다수의 부분 환상부와 열교환기 유체가 각각의 상기 부분을 통해 순환될 수 있도록 각각의 상기 부분 위에 열교환기 유체 입구와 열 교환기 유체 출구로 형성되며, 변압기 일차 유도 충전 결합기는 고정 전원에 연결되며 상기 유도 충전 결합기는 적어도 하나의 변압기 일차 코일을 가지며, 상기 유도 충전 결합기는 상기 일차 코일이 상기 이차 코일에 인접하도록 상기 슬롯 내에서 맞춰지도록 크기가 정해지며, 자기 코어는 상기 유도 충전 결합기가 상기 유도 충전 수용기 내에 위치할 때 상기 코일이 자기 결합되도록 상기 코일을 통해 자기 회로를 완성하기 위해 상기 일차 코일과 이차 코일에 결합되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
8. 제7항에 있어서, 상기 변압기 이차 유도 충전 수용기 내에 두 개의 상기 변압기 이차 코일이 있으며 그 중 하나는 상기 슬롯의 각각의 측면위에 있으며, 상기 슬롯으로부터 떨어진 측면 위에 각각의 상기 이차 변압기 코일에 대해 걸쳐서 열 교환기가 배치되며 각각의 상기 열 교환기는 각각 환상 부분인 다수의 부분으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
9. 제8항에 있어서, 상기 코어는 상기 열 교환기를 통해 연장되고 상기 이차 코일을 거쳐 상기 슬롯에 인접하여 접속되고 상기 슬롯을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
10. 자동차 충전 변압기에 있어서, 환상형 일차 자기 권선을 내장하며 고정 교류 전원에 부착되기 위한 변압기 일차 유도 충전 결합기와; 자동차의 전지를 충전시키기 위해 자동차 내에 장착되며 상기 유도 충전 결합기를 수용할 수 있게 하는 크기로 된 변압기 이차 유도 충전 수용기와; 상기 일차 권선으로부터 먼 쪽에서 상기 이차 권선에 대해 걸쳐져 배치되며,환상형이고 반환상형부로 나뉘어지고, 각 반환상형부가 냉유체 공급원에 연결되는 유체 입구 및 유체 출구를 구비한 유체 열 교환기와; 상기 일차 권선과 이차 권선을 통해 자기 회로를 완성하기 위해 상기 유도 충전 결합기 내의 상기 일차 전기 권선과 상기 이차 전기 권선에 결합되며, 상기 환상의 열 교환기와 상기 환상의 이차 권선을 통해 연장되는 자기 코어를 포함하며, 상기 변압기 이차 유도 충전 수용기 내의 적어도 하나의 환상의 이차 권선은 상기 유도 충전 결합기가 충전 위치에 있을 때 상기 유도 충전 결합기에 대해 걸쳐져 있으며, 상기 변압기 일차 유도 충전 결합기는 자동차가 고정 전원으로부터 분리될 수 있도록 상기 변압기 유도 충전 수용기로부터 분리 가능한 자기 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.
11. 제10항에 있어서, 상기 일차 권선의 측면에 각각 하나씩 두 개의 이차 전기 권선이 배치되며, 상기 일차 전기 권선들로부터 먼 쪽 측면에 서로 대향하여 두 개의 유체 열 교환기가 배치된 것을 특징으로 하는 자동차 충전 변압기.