KR101134403B1 - 하이브리드 전기자동차의 전원장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진과 모터의 가변적인 작동에 의해 구동하는 하이브리드 전기자동차용 전원장치로서, 더욱 상세하게는 충방전이 가능한 다수의 이차전지들로 구성된 전지모듈 어셈블리와, 상기 전지모듈 어셈블리와 연동되어 차량의 모터 및 전장의 작동을 위한 전기로 변환시키는 전기장치 어셈블리를 포함하고 있으며, 상기 각각의 어셈블리는 차량의 소정 부위에 결합 및 장착하기 위한 프레임 부재(장착용 프레임 부재)를 포함하고 있고, 상기 어셈블리들은 서로 근접한 상태에서 하나의 하우징 케이스에 내장된 상태에서 차량의 소정 부위에 장착되는 구조로 구성되어 있는 전원장치를 제공한다.
Description
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리를 포함하고 있는 전원장치의 모식도이다;
도 2는 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 PSM이 장착되어 있는 구조의 사시도이다;
도 4는 도 2의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 PSM과 BMS가 장착된 상태의 정면 사시도이다;
도 5는 도 4의 후면 사시도이다;
도 6은 도 4에서 PSM의 구조를 나타내는 사시도이다;
도 7은 도 4에서 BMS의 구조를 나타내는 사시도이다;
도 8 및 9는 장착용 프레임을 전지모듈 어셈블리에 장착하는 형태의 분해 사시도 및 전지모듈 어셈블리를 외부 장치 또는 디바이스에 효과적으로 장착하는 장착용 프레임의 사시도이다;
도 10은 도 1에서 인버터의 구조를 나타내는 사시도이다;
도 11은 도 1에서 LDC의 구조를 나타내는 사시도이다.
본 발명은 하이브리드 전기자동차의 전원장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진과 모터의 가변적인 작동에 의해 구동하는 하이브리드 전기자동차용 전원장치로서, 충방전이 가능한 다수의 이차전지들로 구성된 전지모듈 어셈블리와, 상기 전지모듈 어셈블리와 연동되어 차량의 모터 및 전장의 작동을 위한 전기로 변환시키는 전기장치 어셈블리를 포함하고 있으며, 상기 각각의 어셈블리는 차량의 소정 부위에 결합 및 장착하기 위한 프레임 부재(장착용 프레임 부재)를 포함하고 있고, 상기 어셈블리들은 서로 근접한 상태에서 하나의 하우징 케이스에 내장된 상태에서 차량의 소정 부위에 장착되는 전원장치에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성 으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
따라서, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간상의 한계 측면에서 바람직하지 않다. 더욱이, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지모듈이 요구된다.
또한, 하이브리드 전지자동차에 사용되는 전원장치는 충방전이 가능한 이차전지로 구성된 중대형 전지모듈과 중대형 전지모듈에서 발생한 전기를 차량의 모터 및 전장기기에 적합한 전기로 변환시키기 위한 다수의 전기장치로 구성되므로 구조가 더욱 복잡하고 조립하기가 용이하지 않게 된다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이 보다 콤팩트하고 구조적 안정성이 우수하며, 조립이 용이하게 하이브리드 전기자동차에 장착할 수 있는 전원장치에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있는 콤팩트한 구조를 가지며, 조립이 용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수한 하이브리드 전기자동차용 전원장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전원장치는, 엔진과 모터의 가변적인 작동에 의해 구동하는 하이브리드 전기자동차용 전원장치로서, 충방전이 가능한 다수의 이차전지들로 구성된 전지모듈 어셈블리와, 상기 전지모듈 어셈블리와 연동되어 차량의 모터 및 전장의 작동을 위한 전기로 변환시키는 전기장치 어셈블리를 포함하고 있으며, 상기 각각의 어셈블리는 차량의 소정 부위에 결합 및 장착 하기 위한 프레임 부재(장착용 프레임 부재)를 포함하고 있고, 상기 어셈블리들은 서로 근접한 상태에서 하나의 하우징 케이스에 내장된 상태에서 차량의 소정 부위에 장착되는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 상기 자동차용 전원장치는 상기 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리가 서로 인접하여 하나의 일체형 하우징 케이스 내에 적재되어 있어서, 전지모듈 어셈블리와 전지장치 어셈블리가 차량의 소정 위치에 분리되어 장착되는 경우와 비교하여, 전기 배선의 단축에 의해 전기 전송 효율이 증가되고, 전원장치를 차량에 장착 및 탈착하기가 용이하여 조립 작업 및 필요에 따른 분해 작업을 손쉽게 행할 수 있다.
전체적인 크기를 최소화하고 한정된 공간내에 더욱 콤팩트하게 장착되면서 구조적인 안정성을 높일 수 있도록, 바람직하게는, 상기 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리가 전체적으로 육면체의 형상으로 대략 유사한 크기를 가지고, 일측이 개방된 하우징 케이스의 좌측부와 우측부에 서로 근접한 상태로 장착되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 대략 유사한 크기를 가지면서 상호 근접하여 배치된 이들 어셈블리들은 그것의 외면에 장착되는 하우징 케이스에 의해 안정적인 고정 상태를 유지하면서 콤팩트한 구조를 형성한다.
본 발명에 따른 전원장치를 차량의 소정 부위에 결합 및 장착하는 역할을 하는 상기 장착용 프레임 부재들은 각각의 어셈블리들에 결합되어 있는 구조로 이루어져 있으므로, 어셈블리들을 하우징 케이스에 탑재한 상태에서 하우징 케이스를 차량의 해당 부위에 직접 장착하는 경우와 비교하여, 장착 상태의 구조적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 어셈블리들(특히, 전지모듈 어셈블리)은 그 자체로 상당한 중량을 가지므로, 차량의 운행 중 흔들림, 충격 등에 의해 어셈블리에 큰 힘이 가해질 수 있는 바, 차량의 장착 부위에 대한 결합력이 하우징 케이스의 결합력에 의존하도록 설계된 경우에는 하우징 케이스에 매우 큰 힘이 부가된다. 따라서, 하우징 케이스가 고강도 소재 또는 큰 크기의 구조로 만들어지지 않은 경우에는 그러한 외력에 의해 파괴될 가능성이 높다. 반면에, 본원발명에서는 외력에 의해 큰 힘을 받게 되는 각각의 어셈블리들이 이들에 직접 결합되어 있는 장착용 프레임 부재에 의해 차량의 장착 부위에 대한 결합력을 제공하므로, 상기와 같은 문제점이 발생하지 않는다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 장착용 프레임 부재는 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리의 일 측면에 각각 한 쌍의 부재들로 설치된 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 전원장치에서 필요에 따라 전기를 충전 및 방전하는 전지모듈 어셈블리의 구조는 다양할 수 있는 바, 바람직하게는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 것으로 구성될 수 있다.
이와 같은 구조의 전지모듈 어셈블리는, 종 방향과 횡 방향으로 장방형 전지모듈 다수 개가 적층되어 육면 적층체를 이루고 있고 이러한 육면 적층체가 프레임 부재에 의해 고정됨으로써, 전체적으로 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다.
육면 적층체를 이루는 상기 다수의 장방형 전지모듈들은, 앞서 설명한 바와 같이, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 서로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 판상형 전지셀들을 2 또는 그 이상의 개수로 적층하면 상기 장방형 전지모듈이 만들어진다. 바람직하게는, 2 또는 그 이상의 개수로 단위모듈들을 적층하여 상기 장방형 전지모듈을 구성할 수 있다.
상기 장방형 전지모듈이 폭 대비 높이가 큰 직육면체 형상을 이루며 이들이 다수 조합된 육면 적층체가 전체적으로 대략 정육면체 형상을 이루는 구조는, 전체적으로 매우 콤팩트하고 안정적인 구조를 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈들 각각의 입출력 단자들은 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고, 입출력 단자들의 배향면(b)에 PSM(Power Switching Module)가 장착되어 있고, 상기 입출력 단자 배향면(b) 또는 그것의 대향면(c)에 BMS(Battery Management System)가 장착되어 있는 구조일 수 있다. BMS가 PSM과 입출력 단자 배향면(b)에 함께 장착되어 있는 구조가 더욱 바람직하다.
과전류 및 과전압을 방지하고 전기를 제어하기 위한 전원 스위칭 모듈인 PSM(Power Switching Module)와 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System)은 중대형 전지 모듈 어셈블리를 구성함에 있어서 필수적인 제어 및 안전 부재로서, 장방형 전지모듈의 입출력 단자에 인접하여 장착됨으로써, 전기적 접속 구조와 그에 따라 조립 과정을 더욱 간소화할 수 있다. 또한, 전기적 접속수단의 길이를 감소시켜, 내부 저항의 증가를 방지하고 외부 충격 등에 의해 접속수단이 단전되는 위험성을 감소시키며, 구조적으로 취약할 수 있는 전지모듈의 입출력 단자 부위를 효과적으로 보호할 수 있다.
상기 PSM와 선택적으로 BMS는, 바람직하게는, 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에 체결되는 판재에 당해 안전소자들 및 제어소자들이 탑재되어 있는 구조로 장착될 수 있다. 구체적으로, PSM과 BMS는 플라스틱 기판에 다수의 소자들을 탑재하고 이들을 버스 바에 의해 전기적으로 연결하는 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 플라스틱 기판은 프레임 부재에 결합되므로 프레임 부재의 형틀을 유지하는 역할도 병행할 수 있다.
본 발명의 전원장치에서, 전지모듈 어셈블리와 연동되어 차량의 모터 및 전장의 작동을 위한 전기로 변환시키는 작용을 하는 전기장치 어셈블리는, 차량의 모터를 작동시키기 위한 교류전원으로 사용하기 위하여 전지셀의 방전시 전지모듈 어셈블리에서 발생하는 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 인버터(Inverter)와, 차량의 전장 기기들을 작동시키기 위하여 전지셀의 방전시 발생하는 전지모듈 어셈블리의 고전압 전기를 저전압의 직류 전기로 변환하는 LDC(Low voltage DC to DC converter)를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
이러한 인버터와 LDC에 장착용 프레임 부재가 결합되는 구조는 다양할 수 있지만, 결합 효율성을 높이고 인버터와 LDC의 적절히 이격시킨 구조로서, 장착용 프레임 부재의 상면에는 LDC가 결합되고 하면에는 인버터가 결합되는 구조일 수 있다. 이러한 결합 구조가 가능할 수 있도록, 장착용 프레임 부재는 LDC의 하면을 감쌀 수 있도록 LDC의 두께에 대응하는 깊이로 절곡되어 있다. 이와 반대로, 장착용 프레임 부재의 상면에 인버터가 결합되고 하면에 LDC가 결합되는 구조도 가능할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 전원장치에서 하우징 케이스는 그것의 내부에 장착된 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리를 외부로부터 보호하는 역할을 하며, 예를 들어, 장착용 프레임 부재가 결합된 면을 제외하고 어셈블리들의 외면을 감싸는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 하우징 케이스는, 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리의 적재를 위한 수납부를 포함하고 있는 케이스 본체와, 상기 본체에 결합되는 케이스 커버로 이루어져 있고, 상기 어셈블리들을 케이스 본체에 수납한 상태에서 케이스 커버를 이용하여 케이스 본체를 밀봉한 후, 차량의 소정 부위에 장착하는 구조일 수 있다. 앞서의 설명과 같이, 이러한 장착 과정에서 차량의 해당 부위에 대한 결합력은 각각의 어셈블리에 결합되어 있는 장착용 프레임 부재에 의해 실질적으로 제공되며, 하우징 케이스는 그러한 프레임 부재에 부가적으로 결합되어 있는 형태를 이룬다.
전기장치 어셈블리를 구성하는 인버터, LDC 등은 대략 80 내지 90℃의 고열을 발생시키므로, 그러한 고열이 전지모듈 어셈블리로 복사될 경우 전지모듈을 구성하는 전지셀의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 유발될 수 있다.
따라서, 이러한 전지모듈 어셈블리로부터의 복사열을 방지하기 위하여, 바람 직하게는, 상기 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리 사이에, 전기장치 어셈블리로부터 전지모듈 어셈블리로의 열복사를 방지하기 위한 구조를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
이러한 복사열 방지 구조는 매우 다양할 수 있는, 앞서 설명한 바와 같이 BMS, PSM 등이 전기장치 어셈블리에 대면하는 전지모듈 어셈블리 상에 위치하는 경우에는 그 자체로서 어느 정도 복사열의 차단 효과를 얻을 수 있지만, BMS, PSM 등도 상기 복사열에 의해 열화 내지 오작동 등이 유발될 수 있으므로, 보다 효율적인 복사열 방지 구조가 요구된다.
첫 번째 예에서, 상기 복사열 방지 구조는 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리 사이에 장착되는 단열부재일 수 있다. 상기 단열부재는 전기장치 어셈블리의 복사열이 전지모듈 어셈블리로 전달되는 것을 방지할 수 있는 형태 및 소재로 이루어져 있다면, 특별히 제한되지는 않는다.
두 번째 예에서, 상기 복사열 방지 구조는 케이스 본체와 케이스 커버로 구성되는 하우징 케이스에서 그것의 적어도 일측으로부터 연장된 차단벽 등일 수 있다. 상기 차단벽은 케이스 본체로부터 연장된 형태와 케이스 커버로부터 연장된 형태가 모두 가능하다. 경우에 따라서는, 케이스 본체 또는 케이스 커버 상에 별도의 차단벽을 부착하는 방식으로 부가할 수도 있다.
세 번째 예에서, 상기 복사열 방지 구조는, 하우징 케이스의 중앙 부분을 관통하는 통로가 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리 사이의 공간을 통과하도록 형성되어 있고, 여기에 별도의 구조물을 삽입하는 형태일 수 있다. 예를 들어, 상 기 관통 통로가 스키쓰루(Ski Through)와 연결되어 있고, 관통 통로를 통해 스키를 삽입하면 그 자체로서 차단벽이 형성될 수 있다. 상기 '스키쓰루'는 중형 또는 대형차에 스키 플레이트를 트렁크에서 탑재하기 위하여 차량의 실내 뒷좌석을 지지하는 금속 판넬에 사각형으로 형성된 관통구이며, 일반적으로 뒷좌석의 암레스트(Armrest)와 연결되어 있다.
하이브리드 전기자동차용 전원장치는 전지모듈 어셈블리의 충방전 과정과 전기장치 어셈블리의 작동 과정에서 많은 열이 발생하므로, 이를 효율적으로 제거하는 것이 필요하다.
이를 위해, 하우징 케이스는 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리의 냉각을 효율적으로 수행할 수는 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 구체적으로, 케이스 본체의 측면에는 외부와 관통되는 제 1 개구가 형성되어 있고, 상기 제 1 개구와 동일한 케이스 본체의 측면에는 외부로 통하는 제 2 개구가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 2 개구에는 흡입식 냉각 팬이 장착되어 있어서, 제 1 개구를 통해 케이스 내부로 유입된 냉매가 전지 모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리를 순차적으로 통과한 후, 제 2 개구를 통해 외부로 배출됨으로써, 전지셀의 충방전으로 인해 발생되는 전지모듈 어셈블리의 열과, 인버터, 전압강하 변환기 등의 전기장치 어셈블리에서 발생되는 고열을 순차적으로 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 전원장치는 차량의 어느 부위에라도 장착이 가능하며, 바람직하게는 차량의 실내 공간 중 뒷좌석 후면에 장착될 수 있다. 이러한 장착은 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리에 각각 결합되어 있는 장착용 프레임 부재에 의해 달성됨은 물론이다.
본 발명에 따른 전원장치는 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 하이브리드 전기 자동차의 전원으로 유용하게 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 상기 전원 시스템을 포함하고 있는 하이브리드 전지자동차를 제공하는 바, 충방전이 가능한 전원 시스템을 포함하는 하이브리드 전기자동차는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드 전기자동차용 전원장치에서 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리가 하우징 케이스에 탑재되어 있는 전원장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전원장치(800)는 하나의 하우징 케이스 본체(700) 내부에 충방전이 가능한 여러 개의 이차전지들로 구성되는 전지모듈 어셈블리(100)와, 전지모듈 어셈블리로(100)부터 발생되는 전기를 차량의 모터 및 전장의 작동을 위한 전기로 변환시키는 전기장치 어셈블리(600)가 서로 인접하여 내장되어 있으며, 전 기장치 어셈블리로(600)부터 전지모듈 어셈블리(100)로의 열복사를 방지하기 위한 구조(복사열 차단 구조: 730)로 이루어져 있다.
또한, 전지모듈 어셈블리(100)와 전기장치 어셈블리(600)가 차량의 소정 부위에 결합 및 장착될 수 있도록, 이들 어셈블리들(100, 600)에 직접 결합되어 있는 장착용 프레임 부재들이 포함되어 있다. 구체적으로, 전지모듈 어셈블리의 장착을 위한 한 쌍의 프레임 부재(이하, '제 1 장착용 프레임'으로 약칭함: 380)와, 전기장치 어셈블리의 장착을 위한 한 쌍의 프레임 부재(이하, '제 2 장착용 프레임'으로 약칭함: 630)로 구성된 장착용 프레임 부재를 포함하고 있다. 하우징 케이스 본체(700)는 이러한 장착용 프레임 부재들(380, 630)에 결합되는 구조로 설치되어 있다.
전지모듈 어셈블리(100)는, 이후 도 2 내지 도 5에서 상세히 설명하느 바와 같이, 이차전지로 구성된 6 개의 장방형 전지모듈들이 횡방향으로 2 개씩, 종방향으로 3 개씩 육면 적층체의 구조로 이루어져 있고, 입출력 단자들이 위치하는 육면 적층체의 정면 상에는, 장방향 전지모듈의 전기적 접속을 행하고 과전류 또는 과전압으로부터의 회로를 보호하기 위한 PSM(400)이 장착되어 있으며, 전지모듈의 작동을 제어하는 BMS(500)가 PSM(400)과 인접한 위치에 함께 장착되어 있다.
전기장치 어셈블리(600)는, 전지모듈 어셈블리(100)와 연동되어 이차전지의 직류 전원을 차량의 모터의 작동을 위한 교류 전원으로 변환시키는 인버터(610)와, 인버터(610)에서 변환된 전기를 차량의 전장기기를 작동시키기 위한 저전압의 전기로 변환하는 LDC(620)로 구성되어 있다.
전기장치 어셈블리(600)는 제 2 장착용 프레임(630)에 의해 차량의 소정 부위에 장착되며, 제 2 장착용 프레임은 상면에 LDC(620)가 결합되고, 하면에 인버터(610)가 결합될 수 있도록, 완만하게 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 제 2 장착용 프레임(630)은 LDC(620)의 하면을 감싸는 형태로 LDC(620)의 두께에 대응하는 깊이로 절곡되어 있다.
하우징 케이스 본체(700)의 일 측면에는 전지모듈 어셈블리(100)과 전기장치 어셈블리(600)에 인접한 위치에 각각 개구(702, 704)가 형성되어 있고, 하우징 케이스 본체(700)의 수납부에 전지모듈 어셈블리(100)과 전기장치 어셈블리(600)이 각각 탑재된 상태에서 케이스 커버(도시하지 않음)가 결합된다.
따라서, 전원장치(800)의 작동시 발생하는 열을 효율적으로 제거할 수 있도록, 냉매는 전지모듈 어셈블리(100)에 인접한 케이스 본체(700)의 측면에 위치한 개구(702)로부터 유입되어, 전지모듈 어셈블리(100)과 전기장치 어셈블리(600)를 순차적으로 통과한 후에, 전기장치 어셈블리(600)에 인접한 케이스 본체(700)의 측면에 위치한 개구(704)에 설치된 흡입식 냉각팬(도시하지 않음)에 의해 외부로 배출된다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 이해를 돕기 위해, 도 3에는 도 2의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 PSM이 장착되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 또한, 도 4에는 도 2의 전지모 듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 PSM가 장착된 상태의 정면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 후면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈 어셈블리(100)는 6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)과, 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 육면 적층체(200a)의 외주 모서리들을 고정하는 프레임 부재(300), 및 PSM(400)으로 구성되어 있으며, 전체적으로 정육면체 형상을 나타낸다.
6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 횡 방향으로 2 개씩, 종 방향으로 3 개씩 충적되어 있고, 그것의 일 측면에 형성되어 있는 입출력 단자들(240)이 서로 인접하도록 대향 배열 구조로 적층되어 있다. 즉, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)과 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206)이 가상 중심선을 중심으로 서로 대칭 구조를 이루도록, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)은 뒤집힌 형태로 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206) 상에 적층되어 있다.
각각의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 다수의 판상형 단위모듈들이 세워진 형태로 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 프레임 부재(300)는 육면 적층체(200a)의 12 개 외주 모서리를 안정적으로 고정할 수 있도록 다수의 프레임들이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 육면 적층체(200a)를 장착한 상태에서 육면 적층체(200a)의 6 개 면은 외부로 개방되게 된다.
입출력 단자들(240)이 위치하는 육면 적층체(200a)의 정면 상에는, 필요에 따라 전류를 통전시켜 충전 및 방전을 행하고, 전지 시스템의 작동 개시 또는 분해 과정에서 적절한 전압 강하를 행하며, 장방형 전지모듈들의 전기적 접속을 행하고, 과전류, 과전압 등으로부터의 회로를 보호하기 위한 PSM(400) 부재가 장착되어 있다. 장방형 전지모듈들의 입출력 단자들이 서로 인접해 있으므로, PSM(400)의 연결이 용이하고, 전기적 접속을 위한 부재의 길이를 대폭 줄일 수 있다. PSM(400)의 더욱 자세한 내용은 도 6을 참조하여 별도로 설명한다.
도 6에는 PSM의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, PSM(400)는 두터운 플라스틱 기판(410) 상에 각종 소자들이 탑재되어 있고, 이들이 버스 바와 와이어에 의해 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.
절연성의 플라스틱 기판(410)은 도 3에서 일체형 전면 프레임(350)과 일체형 후면 프레임(360)과 우측 상단 프레임(310)과 우측 하단 프레임(330)으로 이루어진 개방된 우측면에 일치하게 설치될 수 있는 형상과 크기로 이루어져 있고, 양 측면에 결합용 체결부(412)가 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, PSM(400)의 플라스틱 기판(410)은 관련 소자들과 버스 바 및 와이어가 탑재되는 공간을 제공할 뿐만 아니라, 프레임 부재의 골격을 지지하는 구조체로서의 역할도 동시에 수행한다.
도 7에는 BMS의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, BMS(500)는 도 1에서 하우징 케이스 본체(700) 내부에서 전지모듈 어셈블리의 PSM(400)와, 전기장치 어셈블리의 LDC(620) 및 인버터(610) 사이에 장착된다. 그러나, BMS(500)는 도 6의 플라스틱 기판(410) 상에 PSM과 함 께 탑재되거나, 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 입출력 전극 단자측의 대향면에 장착될 수도 있음은 물론이다.
BMS(500)의 일측 하단부에는 체결부(504)가 일측면으로 돌출되어 있어서, 체결부(504)에 형성되어 있는 체결홈(502)에 볼트와 같은 부재를 삽입 및 체결하여, 하우징 케이스 본체의 하단부 등에 고정할 수 있다.
도 8 및 9에는 장착용 프레임 부재를 전지모듈 어셈블리에 장착하는 형태의 분해 사시도 및 전지모듈 어셈블리를 외부 장치 또는 디바이스에 효과적으로 장착하는 장착용 프레임 부재의 사시도가 각각 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈 어셈블리를 해당 부위에 장착하는 제 1 장착용 프레임 부재(380)는 양측 단부가 일체형 전면 프레임(350)의 절곡 연장부(353)에 결합된 상태에서 외측으로 돌출되도록 완만하게 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 제 1 장착용 프레임 부재(380)에는 양측 단부 부근에 전면 프레임(350)에 결합되는 체결홈(381) 이외에 차량(도시하지 않음)의 해당 부위에 결합되는 체결홈(382)도 형성되어 있다.
따라서, PSM(400)이 일 측면에 설치된 상태에서 전지모듈 어셈블리(100)는 제 1 장착용 프레임(380)에 의해 차량의 해당 부위에 효과적으로 장착될 수 있으며, BMS(500)는 PSM(400)에 인접 부위에 함께 장착된다.
도 10 및 11에는 전기장치 어셈블리를 구성하는 요소인 인버터와 LDC에 대한 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
우선 도 10을 참조하면, 인버터(610)는 볼트와 같은 부재를 인버터(610)의 네 모서리에 있는 체결홈들(618a, 618b, 618c, 618d)에 삽입하여 도 1의 제 2 장착용 프레임의 하면에 결합된다. 전지모듈 어셈블리(도시하지 않음)에서 발생하는 고전압의 직류는 인버터(610)의 좌측면에 있는 입력 접속단자(614)를 통해 인버터 본체(616) 내부에 인입되어 교류전기로 변환되고, 인버터 본체(616)에서 변환된 3상 교류 전기는 출력 접속단자(611)를 통해 자동차 구동용 모터(도시하지 않음)에 전달된다.
도 11을 참조하면, 전압 강하 장치인 LDC(620)는 도 1의 제 2 장착용 프레임 부재의 상면에 결합된다. 전지모듈 어셈블리(도시하지 않음)에서 발생하는 고전압의 직류 전기는 LDC(620)의 좌측에 위치한 입력 접속단자(622)를 통해 LDC 본체(626) 내부에 인입되고, LDC 본체(626) 내부에서 저전압으로 강하된 직류 전기는 LDC의 우측에 위치한 출력 접속단자(624)를 통해 계기판, 오디오 기기 등으로 구성되는 자동차 전장(도시하지 않음)에 전달된다.
도 10과 도 11을 함께 참조하면, 인버터 본체(616)의 상단부와 LDC 본체(626)의 하단부에는 방열부재(617,627)가 각각 부착되어 있어서, 인버터(610)와 LDC(620)에서 발생하는 고온의 열을 자체적으로 냉각시키게 된다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원장치는 하이브리드 전기자동차의 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있는 콤팩트한 구조를 가지며, 조립이 용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하다는 장점을 가진다.
Claims (16)
- 엔진과 모터의 가변적인 작동에 의해 구동하는 하이브리드 전기자동차용 전원장치로서, 충방전이 가능한 다수의 이차전지들로 구성된 전지모듈 어셈블리와, 상기 전지모듈 어셈블리와 연동되어 차량의 모터 및 전장의 작동을 위한 전기로 변환시키는 전기장치 어셈블리를 포함하고 있으며, 상기 각각의 어셈블리는 차량의 소정 부위에 결합 및 장착하기 위한 프레임 부재(장착용 프레임 부재)를 포함하고 있고, 상기 어셈블리들은 서로 근접한 상태에서 하나의 하우징 케이스에 내장된 상태에서 차량의 소정 부위에 장착되는 것으로 구성되어 있는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리가 전체적으로 육면체의 형상을 가지고, 일측이 개방된 하우징 케이스의 좌측부와 우측부에 서로 근접한 상태로 장착되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 장착용 프레임 부재는 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리의 일 측면에 각각 한 쌍의 부재들로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들은 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고, 입출력 단자들의 배향면(b)에 PSM(Power Switching Module)가 장착되어 있고, 상기 입출력 단자 배향면(b) 또는 그것의 대향면(c)에 BMS(Battery Management System)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 BMS와 PSM는 입출력 단자 배향면(b)에 함께 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 PSM과 선택적으로 BMS는 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에 체결되는 판재에 당해 안전소자들 및 제어소자들이 탑재되어 있는 구조로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전기장치 어셈블리는, 차량의 모터를 작동시키기 위한 교류전원으로 사용하기 위하여 전지셀의 방전시 전지모듈 어셈블리에서 발생하는 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 인버터(Inverter)와, 차량의 전장 기기들을 작동시키기 위하여 전지셀의 방전시 발생하는 전지모듈 어셈블리의 고전압 전기를 저전압의 직류 전기로 변환하는 LDC(Low voltage DC to DC converter)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 8 항에 있어서, 장착용 프레임 부재의 상면에는 상기 LDC가 결합되고 하면에는 상기 인버터가 결합되며, 상기 장착용 프레임 부재는 LDC의 하면을 감쌀 수 있도록 LDC의 두께에 대응하는 깊이로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하우징 케이스는 장착용 프레임 부재가 결합된 면을 제외하고 어셈블리들의 외면을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하우징 케이스는, 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리의 적재를 위한 수납부를 포함하고 있는 케이스 본체와, 상기 본체에 결합되는 케이스 커버로 이루어져 있고, 상기 어셈블리들을 케이스 본체에 수납한 상태에서 케이스 커버를 이용하여 케이스 본체를 밀봉한 후, 차량의 소정 부위에 장착하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리 사이에, 전 기장치 어셈블리로부터 전지모듈 어셈블리로의 열복사를 방지하기 위한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리에 인접한 하우징 케이스의 측면에는 외부와 관통되는 제 1 개구가 형성되어 있고, 상기 전기장치 어셈블리와 인접하면서 제 1 개구와 동일한 측면에는 외부로 통하는 제 2 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 개구에는 흡입식 냉각 팬이 장착되어 있어서, 제 1 개구를 통해 케이스 내부로 유입된 냉매가 전지 모듈 어셈블리와 전기장치 어셈블리를 순차적으로 통과한 후, 제 2 개구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전원장치는 차량의 실내 공간 중 뒷좌석 후면에 장착되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 전원장치를 포함하고 있는 하이브리드 전지자동차.
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