KR101714150B1 - 차량용 전력변환 패키지 - Google Patents

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Abstract

하우징, 하우징에 내장되어 하우징 바닥부의 내측면에 부착되어, 커패시터 모듈, 인버터의 파워모듈 및 LDC로 구성된 전력변환유닛, 하우징 바닥부의 외측면에 설치되며, 인버터의 파워모듈 및 LDC와 하우징 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 수냉식 냉각유닛, 하우징 바닥부의 외측면에 마련되며, 커패시터 모듈과 하우징 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 공냉식 냉각핀 및 차량의 라디에이터에 인접하여 마련되며, 라디에이터와 공냉식 냉각핀을 동시에 냉각시키는 냉각풍을 생성하는 라디에이터 블로워를 포함하는 차량용 전력변환패키지가 소개된다.

Description

차량용 전력변환 패키지 {POWER CONVERSION PACKAGE FOR VEHICLE}
본 발명은 친환경 자동차에 구비되는 차량용 전력변환유닛이 하우징,냉각핀, 냉각유닛 및 라디에이터 블로워와 결합하여 구성되는 차량용 전력변환패키지에 관한 것이다.
일반적으로 전기차 및 하이브리드 자동차는 모터를 구동시키기 위한 고전압의 전원이 저장되는 배터리, 배터리의 직류 고전압을 교류전압으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터와 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하여 저전압 배터리를 충전하는 LDC 등 자동차의 동작을 제어하기 위한 각종 전자전력 제어장치들을 구비한다.
인버터는 일반적으로 인버터의 커패시터 모듈로 입력된 직류 고전압을 파워모듈을 거쳐 교류 고전압으로 변경하여 모터에 전달하는 역할을 한다.
또한, LDC는 입력된 직류 고전압이 저전압 배터리를 충전할 수 있는 직류 저전압으로 변경하는 역할을 한다.
따라서 양 장치는 전기차 및 하이브리드 차량에 필수적인 장치요소로서, 차량의 엔진룸에 장착된다.
하지만, 이러한 방법은 자동차의 공간 이용률을 저하시키고, 제조원가를 상승시키는 등의 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 구조들이 제시되고 있는데, 인버터와 LDC의 캐패시터 모듈을 공유하는 구조도 이러한 문제를 해결하기 위한 방식 중의 하나이다.
그러나, 이러한 방식은 인버터의 파워모듈과 LDC가 병렬로 커패시터 모듈에 연결됨으로써, 커패시터 모듈에 과도한 부하가 걸리게 되고, 이로 인해 커패시터 모듈에 많은 열이 발생하게 되어, 회로의 동작이나 수명에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1448776 B1
본 발명은 차량에 장착되어 직류 고전압을 교류 고전압 및 직류 저전압으로 변환시키고, 작동함에 있어서 장치에 발생하는 열을 감소시켜 장치의 효율성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 차량용 전력변환패키지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 전력변환패키지는 하우징과 하우징에 내장되어 하우징 바닥부의 내측면에 부착되며, 커패시터 모듈, 인버터의 파워모듈 및 LDC로 구성된 전력변환유닛을 포함하고, 하우징 바닥부의 외측면에 설치되며, 인버터의 파워모듈 및 LDC와 하우징 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 수냉식 냉각유닛과 하우징 바닥부의 외측면에 마련되며, 커패시터 모듈과 하우징 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 공냉식 냉각핀 및 차량의 라디에이터에 인접하여 마련되며, 라디에이터와 공냉식 냉각핀을 동시에 냉각시키는 냉각풍을 생성하는 라디에이터 블로워를 포함한다.
전력변환유닛의 커패시터 모듈과 연결되어 고전압을 인가하는 고전압 입력 커넥터는 하우징의 내부공간에서 내벽면에 인접하여 배치될 수 있다.
인버터의 파워모듈, LDC 및 커패시터 모듈은 동일 평면상에 배치되며 전력변환유닛을 구성하고, 인버터의 파워모듈과 LDC는 차량의 전후방향으로 인접하도록 배치되고, 커패시터 모듈은 인버터의 파워모듈 및 LDC의 일 측방으로 인접하도록 배치될 수 있다.
커패시터 모듈은 인버터의 파워모듈과 마주하는 지점에서 제1라인을 통해 인버터의 파워모듈과 전기적으로 연결되고, LDC와 마주하는 지점에서 LDC와 제2라인을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
인버터의 파워모듈은 LDC에 비해 차량의 폭방향으로 폭이 좁고, 인버터의 파워모듈과 LDC는 일 측방의 커패시터 모듈에 밀착되도록 배치되며, 하우징은 인버터의 파워모듈, LDC 및 커패시터모듈의 테두리를 밀착하여 두르도록 형성되고, 인버터의 파워모듈과 LDC가 이루는 코너부에 하우징의 오목부가 형성될 수 있다.
고전압 출력 커넥터는 하우징의 오목부에 배치되어 하우징을 사이에 두고 인버터와 연결되어 교류 전압을 출력할 수 있다.
공냉식 냉각핀은 공기가 흐르는 유로가 라디에이터 블로워에서 생성하는 냉각풍의 방향과 일치되도록 형성될 수 있다.
공냉식 냉각핀과 커패시터 모듈은 차량의 전후방향으로 라디에이터 블로워와 마주하도록 배치될 수 있다.
수냉식 냉각유닛의 냉각 유로는 라디에이터에 연결됨으로써 인버터의 파워모듈 및 LDC는 라디에이터를 통해 방열되고 커패시터 모듈은 공냉식 냉각핀을 통해 방열 될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 전력변환패키지에 따르면, 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 커패시터 모듈에 공냉식 냉각방식이 적용됨으로써 방열성을 높임으로써 장치의 효율성 및 내구성을 높일 수 있다.
둘째, 고전압 직류 입력단이 하우징 안쪽에 위치하고, 모터 구동을 위한 교류 출력단이 하우징의 오목부에 위치함으로써, 고전압 커넥터가 엔진룸 내부부품과 출동하여 발생할 수 있는 절연파괴 구조를 구조적으로 방지할 수 있다.
셋째, 커패시터 모듈과 LDC가 연결되는 거리가 짧아짐으로써, 전자파 성능 향상 및 원가 절감의 효과를 달성할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환유닛 및 하우징의 레이아웃 구성도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환유닛과 냉각유닛의 레이아웃 구성도이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 전방에서 바라본 전력변환패키지의 레이아웃 구성도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 유로의 방향 및 공냉식 냉각핀의 구조이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 살펴본다.
도1 내지 도3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 전력변환패키지(100)를 나타낸 도면이다.
본 발명은 도1 내지 도3에서 볼 수 있듯이, 하우징(110), 하우징(110)에 내장되며 하우징(110) 바닥부의 내측면에 부착되는 커패시터 모듈(132), 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)로 구성된 전력변환유닛(130), 하우징(110) 바닥부의 외측면에 설치되며, 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)와 하우징(110) 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 수냉식 냉각유닛(190), 하우징(110) 바닥부의 외측면에 마련되며, 커패시터 모듈(132)과 하우징(110) 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 공냉식 냉각핀(180) 및 차량의 라디에이터에 인접하여 마련되며, 라디에이터와 공냉식 냉각핀(190)을 동시에 냉각시키는 냉각풍(A)을 생성하는 라디에이터 블로워(200)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 공냉식 냉각핀(180)은 공기가 흐르는 유로(182)가 라디에이터 블로워(200)에서 생성하는 냉각풍(A)의 방향과 일치되어 형성되도록 배치하며, 공냉식 냉각핀(180)과 커패시터 모듈(132)은 차량의 전후방향으로 라디에이터 블로워(200)와 마주하도록 배치될 수 있다.
여기서, 유로(182)는 일반적으로 차량의 전방에 위치한 라디에이터 블로워(200)에 의한 냉각풍(A)에 의하여 생성될 것인바, 도3에서 도시한 A 방향으로 유로가 생성된다.
또한, 도3에서 볼 수 있듯이 라디에이터 블로워(200)의 냉각풍(A) 뿐만이 아니라, 차량이 주행시 발생하는 주행풍(B)도 라디에이터 블로워(200)가 생성하는 냉각풍(A)과 동일한 방향으로 생성이 되므로, 주행풍(B) 역시 도3의 B 방향으로 유로를 생성하게 된다.
더불어, 하우징(110) 바닥부에 배치되는 공냉식 냉각핀(180)의 구조는 다양한 형태로 이루어질 수 있겠지만, 라디에이터 블로워(200)에 의한 냉각풍(A) 및 주행풍(B)에 의하여 생성된 유로(182)와 동일한 방향으로 배치되었을 때가 공냉식 냉각핀(180)에 마주하여 배치된 커패시터 모듈(132)에 발생하는 열을 가장 효과적으로 감소시킬 수 있다.
왜나하면, 유로(182)에 흐르고 있는 라디에이터 블로워(200)에 의한 냉각풍(A) 및 주행풍(B)은 방향성에 있어서 직선적인 성향이 있는바, 그 방향성과 방향을 달리하는 장애물을 만날 경우 바람의 세기가 약해지게 된다.
따라서 라디에이터 블로워(200)에 의한 냉각풍(A) 및 주행풍(B)이 저항 없이 공냉식 냉각핀(180)을 지나서 흐를 수 있을 때가 커패시터 모듈(132)에 발생하는 열을 가장 효율적으로 낮출 수 있을 것이다.
그러므로 공냉식 냉각핀(180)이 라디에이터 블로워(200)의 냉각풍(A) 및 주행풍(B)의 방향과 나란한 방향으로 배치되었을 때가 가장 커패시터 모듈(132)에서 발생하는 열을 감소킬 수 있을 것이며 그 자세한 공냉식 냉각핀(180)의 배치 구조는 도4에서 보는 바와 같을 것이다.
또한, 수냉식 냉각유닛(190)의 냉각 유로는 기 차량에 설치되어 있는 라디에이터에 연결됨으로써 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)에서 발생하는 열을 낮추는 역할을 한다.
여기서, 수냉식 냉각유닛(190)은 도3에서 볼 수 있듯이, 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)의 동작으로 인하여 발생한 열에 의해 뜨거워진 수냉식 냉각유닛(190)에 있는 물이 워터펌프(192)에 의하여 순환되며, 순환되는 동안 라디에이터 블로워(200)의 냉각풍(A) 혹은 차량의 주행풍(B)에 의하여 수냉식 냉각유닛(190)을 순환하고 있는 물의 온도가 낮아지게 되어, 물이 순환하는 동안 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있게 된다.
따라서 차량용 전력변환패키지(100)는 기존 차량에 설치되어 있는 라디에이터, 라디에이터 블로워(200) 및 워터펌프(192)를 이용하여 전력변환유닛(130)을 구성하고 있는 커패시터 모듈(132), 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있다.
또한, 커패시터 모듈(132), 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)에 발생하는 열이 감소하게 되면, 각 장치의 회로를 구성하고 있는 커패시터, 인덕터 및 다이오드등의 소자에 발생하는 열을 낮추는 결과가 된다.
회로에 있어서 소자에 발생하는 열이 감소되는 경우, 회로의 안정성이 높아지게 되는데, 이는 전기적으로 연결되어 있는 소자는 기본적으로 고온에 약한 성질을 가지고 있는바, 열이 높아지면 소자의 내구성과 효율성이 떨어지기 때문이다.
결국 본 발명의 공냉식 냉각핀(180)과 수냉식 냉각유닛(190)에 의하여 전력변환유닛(130)을 구성하고 있는 커패시터 모듈(132), 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)에 발생하는 열을 낮출 수 있고 이를 통하여 커패시터 모듈(132), 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)의 효율 및 내구성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 특히, 커패시터 모듈(132)과 마주하는 하우징(110)의 바닥부에 공냉식 냉각핀(180)을 배치하여 커패시터 모듈(132)에서 발생하는 열을 감소시키는 효과를 극대화하였는데, 이는 커패시터 모듈(132)이 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)에 병렬로 연결되는 구조인바, 전력변환유닛(130)이 동작하는 경우 커패시터 모듈(132)에 가장 많은 부하가 걸리게 되므로 인버터의 파워모듈(134)이나 LDC(136)에 비해 상대적으로 많은 열이 발생하기 때문이다.
또한, 공냉식 냉각핀(180)을 이용한 냉각방식은 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)에 마주하여 배치된 수냉식 냉각유닛(190)과는 다르게 워터펌프(192)의 작동이 필요치 않으며, 라디에이터 블로워(200)의 냉각풍(A) 만으로도 커패시터 모듈(132)에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있다.
게다가, 차량이 주행중에 있을 경우에는 이미 설명한 바와 같이, 주행으로 인하여 생성되는 주행풍(B)이 도3에 도시된 B와 같이 유로를 형성하는바, 워터펌프(192)나 라디에이터 블로워(200)의 동작 없이도 커패시터 모듈(132)에 발생하는 열을 공냉식 냉각핀(180)을 통하여 감소시킬 수 있다.
따라서 회로의 동작으로 인한 커패시터 모듈(132)에 발생하는 열을 주행풍(B)만을 이용하여 감소시키는 경우에는 워터펌프(192) 및 라디에이터 블로워(200)같은 별도의 냉각을 위한 장치의 작동 없이도 커패시터 모듈(132)에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있는바, 차량 전체의 전력 효율 측면에서 효과적이며, 궁극적으로 이를 통하여 차량의 연비향상도 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도1에 도시한 바와 같이 전력변환유닛(130)에 결합되는 고전압 입력 커넥터(150)와 고전압 출력 커넥터(160)가 포함된다.
고전압 입력 커넥터(150)는 하우징(110)의 내부공간에서 내벽면에 인접하여 배치되며 전력변환유닛(130)의 커패시터 모듈(132)과 연결되어 고전압을 인가한다.
또한 고전압 출력 커넥터(160)는 하우징의 오목부(112)에 배치되어 하우징을 사이에 두고 인버터의 파워모듈(134)과 연결되어 교류 전압을 출력하는데, 하우징의 오목부(112)는 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)가 이루는 코너부에 형성이 된다.
즉, 도1에서 볼 수 있듯이 고전압 입력 커넥터(150)는 하우징(110) 내부에 위치하게 되며, 고전압 출력 커넥터는(160) 하우징의 오목부(112)에 배치되어 커넥터가 외부로 돌출되지 않고 하우징(110)에 의하여 보호받을 수 있게 된다.
따라서 차량 전방 혹은 후방에서 충돌이 발생하더라도 고전압커넥터와 엔진룸 내부부품이 충돌하여 발생하는 고전압 절연파괴를 구조적으로 방지할 수 있으며, 고전압 안전 법규도 만족시킬 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 도1에서 도시된 바와 같이 인버터의 파워모듈(134), LDC(136) 및 커패시터 모듈(132)은 동일 평면상에 배치되어 전력변환유닛(130)을 구성하고, 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)는 차량의 전후방향으로 인접하도록 배치되고, 커패시터 모듈(132)은 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)의 일 측방으로 인접하도록 배치될 수 있으며, 커패시터 모듈(132)은 인버터의 파워모듈(134)과 마주하는 지점에서 제1라인을 통해 인버터의 파워모듈(134)과 전기적으로 연결되고, LDC(136)와 마주하는 지점에서 LDC(136)와 제2라인을 통해 전기적으로 연결된다.
한편, 인버터의 파워모듈(134)은 LDC(136)에 비해 차량의 폭방향으로 폭이 좁고, 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)는 일 측방의 커패시터 모듈(132)에 밀착되도록 배치되며, 하우징(110)은 인버터의 파워모듈(134), LDC(136) 및 커패시터모듈(132)의 테두리를 밀착하여 두르도록 형성된다.
따라서 기존의 구조는 하우징(110) 내에서 커패시터모듈(132), 인버터의 파워모듈(134)과 LDC(136)가 차량의 폭 방향으로 순서대로 나란히 배치되었었으나, 본 발명은 이와 달리 커패시터 모듈(132)과 인버터의 파워모듈(134) 뿐만이 아니라, LDC(136)가 바로 맞닿아 배치됨으로써 커패시터 모듈(132)과 LDC(136)간 연결거리가 짧아지게 되어 회로적으로 안정화되어 LDC(136)의 전자파 성능이 향상될 수 있으며, 기 설치되어 있던 와이어 혹은 버스바의 삭제를 통하여 원가절감의 효과를 기대할 수 있고, 하우징(110)의 사이즈가 기존의 구조와 달리 커패시터 모듈(132), 인버터의 파워모듈(134) 및 LDC(136)의 효율적인 배치를 통하여 축소됨에 따라 차량의 엔진룸 내의 공간활용을 기대해 볼 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 차량용 전력변환패키지 110: 하우징
112: 하우징의 오목부 130: 전력변환유닛
132: 커패시터 모듈 134: 인버터의 파워모듈
136: LDC 150: 고전압 입력 커넥터
160: 고전압 출력 커넥터 180: 공냉식 냉각핀
182: 유로 190: 수냉식 냉각유닛
192: 워터펌프 200: 라디에이터 블로워
A: 라디에이터 블로워의 냉각풍 및 블로워에 의해 생성되는 유로방향
B: 차량의 주행풍 및 주행풍에 의해 생성되는 유로방향

Claims (9)

  1. 하우징;
    하우징에 내장되어 하우징 바닥부의 내측면에 부착되며, 커패시터 모듈, 인버터의 파워모듈 및 LDC로 구성된 전력변환유닛;
    하우징 바닥부의 외측면에 설치되며, 인버터의 파워모듈 및 LDC와 하우징 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 수냉식 냉각유닛;
    하우징 바닥부의 외측면에 마련되며, 커패시터 모듈과 하우징 바닥부를 사이에 두고 마주할 수 있도록 배치된 공냉식 냉각핀; 및
    차량의 라디에이터에 인접하여 마련되며, 라디에이터와 공냉식 냉각핀을 동시에 냉각시키는 냉각풍을 생성하는 라디에이터 블로워;를 포함하며,
    공냉식 냉각핀은 공기가 흐르는 유로가 라디에이터 블로워에서 생성하는 냉각풍의 방향 및 차량의 주행 시 발생하는 주행풍의 방향과 일치되도록 형성하여 라디에이터 블로워에서 생성하는 냉각풍의 방향과 차량 주행 시 발생하는 주행풍의 방향을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    하우징의 내부공간에서 내벽면에 인접하여 배치되며 전력변환유닛의 커패시터 모듈과 연결되어 고전압을 인가하는 고전압 입력 커넥터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    인버터의 파워모듈, LDC 및 커패시터 모듈은 동일 평면상에 배치되어 전력변환유닛을 구성하고, 인버터의 파워모듈과 LDC는 차량의 전후방향으로 인접하도록 배치되고, 커패시터 모듈은 인버터의 파워모듈 및 LDC의 일 측방으로 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    커패시터 모듈은 인버터의 파워모듈과 마주하는 지점에서 제1라인을 통해 인버터의 파워모듈과 전기적으로 연결되고, LDC와 마주하는 지점에서 LDC와 제2라인을 통해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    인버터의 파워모듈은 LDC에 비해 차량의 폭방향으로 폭이 좁고, 인버터의 파워모듈과 LDC는 일 측방의 커패시터 모듈에 밀착되도록 배치되며, 하우징은 인버터의 파워모듈, LDC 및 커패시터모듈의 테두리를 밀착하여 두르도록 형성되고, 인버터의 파워모듈과 LDC가 이루는 코너부에 하우징의 오목부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    하우징의 오목부에 배치되어 하우징을 사이에 두고 인버터의 파워모듈과 연결되어 교류 전압을 출력하는 고전압 출력 커넥터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    공냉식 냉각핀과 커패시터 모듈은 차량의 전후방향으로 라디에이터 블로워와 마주하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    수냉식 냉각유닛의 냉각 유로는 라디에이터에 연결됨으로써 인버터의 파워모듈 및 LDC는 라디에이터를 통해 방열되고 커패시터 모듈은 공냉식 냉각핀을 통해 방열되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력변환패키지.
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