KR101762464B1 - 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템 - Google Patents

하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템 Download PDF

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Abstract

특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한, 전기 히팅 시스템이, 히팅 모듈(10)과 함께 제공된다. 히팅 모듈(10)은 서로 떨어져 위치한 히팅 구역(16) 및 제어 구역(18)을 가지는 전기적으로 절연된, 열전도 세라믹 기판(14)과 함께 제공된다. 히팅 모듈(10)은 세라믹 기판(14)의 히팅 구역(16)에서 세라믹 기판(14) 상에 배열되고, 세라믹 기판(14)에 장착된 저항 히팅 전도체(24)를 포함하는 전기 저항 히팅 요소(22)로 포함한다. 나아가, 히팅 모듈(10)은 저항 히팅 전도체(24)를 통과하는 전류를 제어하는 트랜지스터(26)를 포함하며, 트랜지스터(26) 및, 기타 선택적으로 존재하는 전기적 부품(28) 및 전도체 트랙(30)은 세라믹 기판(14) 상의 제어 구역(18) 내에 배열된다. 히팅 모듈(10)은 세라믹 기판(14)의 히팅 구역(16)과 열적으로 연결된 제1 냉각 요소(42)와 함께 제공된다.

Description

하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템{ELECTRIC HEATING SYSTEM FOR A HYBRID VEHICLE OR ELECTRIC VEHICLE}
발명은 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 용도에 적합한 전기 히팅 시스템에 관련한다.
PTC 요소를 포함하는 전기 히팅 시스템은 공지된 기술이다. 12V 온-보드 전기적 시스템이 종래 자동차에 일반적으로 사용되기 시작하면서, 상당한 양의 전류가 PTC 요소를 통과하여 흐르고, 상기 전류는 파워 트랜지스터를 통하여 제어된다. 상기 트랜지스터는 상대적으로 높은 전력손실을 일으키기 때문에 이는 반드시 냉각되어야 한다. 이는, 결국, 설계 복잡성을 증가시킨다.
하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 다가올 자동차 세대에서 수백V까지의 자동차 전압의 관련된 증가는 전기 히팅 시스템 및 그 히팅 요소의 부하전류의 상당한 감소를 초래할 것이다. 전기 히팅 시스템이 현재 온전한 히팅 시스템이기 때문에, 전기 출열(heat output)은 종래 PTC 보조 히팅 시스템의 세배 정도가 요구된다.
자동차 내 약 400V 정도의 고전압 온-보드 전기적 시스템의 사용은 저전압 온-보드 전기적 시스템(예를 들어, 24V)의 전기 히터보다 더 높은 출열을 얻기 위한 전류 세기의 감소를 허용하여, 또한 공급선의 단면이 줄어들도록 한다. 그러나, 고전압 적용은 또한 스쿱-프루프(scoop-proof) 및 수분저항을 갖춘 높은 전류 세기의 밀폐되어 봉인된 히팅 요소를 요구한다.
발명의 목적은 상기 언급된 조건을 만족하는, 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한, 전기 히팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면,
- 서로 떨어져 위치한 히팅 구역 및 제어 구역을 가지는, 전기적으로 절연된, 열전도 세라믹 기판,
- 세라믹 기판의 히팅 구역에서 세라믹 기판 상에 배열되고, 세라믹 기판에 장착된 저항 히팅 전도체로 포함되는, 전기 저항 히팅 요소,
- 트랜지스터 및 기타 선택적으로 존재하는 전기적 부품과 전도체 트랙이 세라믹 기판의 제어 구역 내에 배열된, 저항 히팅 전도체를 통과하는 전류를 제어하는 트랜지스터, 및
- 세라믹 기판의 히팅 구역과 열적으로 연결된 제1 냉각 요소,
- 를 제공하는 히팅 모듈
을 포함하는, 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한, 전기 히팅 시스템으로 본 목적은 달성된다.
본 발명에 따르면, 고전압 온-보드 전기적 시스템의 사용으로 인한 최대 부하전류의 감소는 특히 저항 히팅 전도체가 인쇄된, 세라믹 판넬 히팅 스트립을 PTC 히팅 요소의 대안으로써 사용 가능하게 한다. 균질한 전면 열생성은 종래의 PTC 히팅 시스템이 오직 선택적인 입열(heat input)(핫스팟)만 일어났던 것에 비하여 유리하다.
본 발명에 따르면, 전기적으로 절연된, 열전도 세라믹 기판이 전기 히팅 시스템에 사용되며, 상기 세라믹 기판은 세라믹 기판의 같은 면 또는 서로 다른 면에 배열되고 세라믹 기판의 평면의 연장에서 서로 떨어져 위치한 히팅 구역 및 제어 구역을 포함한다. 세라믹 기판의 히팅 구역에는 특히 페이스트 인쇄(paste printing)에 의해, 세라믹 기판에 적용된 저항 히팅 전도체로 작용하는 저항 히팅 요소가 위치한다. 세라믹 기판의 제어 구역에는 저항 히팅 전도체를 통과하는 전류를 제어하는 트랜지스터가 위치하며, 트랜지스터의 반대에는, 기타 전기적 부품 및 전도체 트랙이 제어 구역 내에 선택적으로 배열될 수 있다. 세라믹 기판의 히팅 구역은 열적으로(thermally) (제1) 냉각 요소와 연결되어 있다.
본 발명에 따른 디자인에는, 세라믹 기판은 전도체 보드 및 히팅 시스템의 조합이고, 냉각 요소뿐만 아니라 히팅 구역 및 제어 구역의 배열은, 트랜지스터 및 기타 선택적으로 제공된 전기적 부품이 과열되지 않았는지를 보장하도록, 히팅 모듈의 총 열전도도의 실현을 고려한다. 히팅 구역에서 생성된 열의 제1 냉각 요소 및 해당 지점으로부터 외부로 나갈 때의 소실은 따라서 트랜지스터 및 기타 선택적으로 제공된 부품의 기능이 열에 영향을 받지 않도록 평가된다.
유리하게는, (제1) 냉각 요소는 (제1) 냉각 요소가 열적 방식으로 연결되어 위치하는 한 면에 대하여 전체 세라믹 기판을 따라 연장된다. 바람직하게는, 저항 히팅 요소 및 제어 구역이 세라믹 기판의 반대 면에 위치한다. 세라믹 기판에서 제어 구역으로 이동하는 히팅 구역에서 생성된 열의 일부는 제어 구역에서 제1 냉각 요소로 운송되고 제1 냉각 요소에 의해 외부로 소실된다.
본 발명의 유리한 실시예에서 저항 히팅 전도체는 세라믹 기판의 히팅 구역을 따라 연장된 세라믹 커버 요소에 의해 덮이며, 상기 세라믹 커버 요소는 세라믹 기판과 연결하여 복합체 구조를 형성하고, 세라믹 커버 요소에 대해 열 전도 방식으로 위치하고 히팅 구역을 따라 연장된 제2 냉각 요소가 제공되며, 세라믹 커버 요소 및 세라믹 기판으로 구성되는 복합체 구조는 두 개의 냉각 요소 사이에 위치한다. 발명의 본 실시예에서, 저항 히팅 전도체 및 따라서 히팅 구역은 세라믹 커버 요소로 덮이며 세라믹 커버에 제2 냉각 요소가 배열되고, 상기 제2 냉각 요소는 세라믹 커버에 열적으로 연결된다. 세라믹 히팅 요소(세라믹 기판, 저항 히팅 요소 및 세라믹 커버 요소)는 결국 냉각 요소 사이에 끼어 있다. 작동 안전성을 보장하기 위해, 세라믹 커버 요소 및 세라믹 기판으로 구성되는 복합체 구조가 기체 및/또는 액체가 복합체 구조로 유입되는 것을 방지하기 위해 외부로부터 단단히 밀폐되는 것이 유리하며, 나아가 높은 전류 세기를 만들어 낸다. 따라서 히팅 모듈은 스쿱-프루프 및 수분 저항을 가진다.
유리하게는, 저항 히팅 전도체를 덮는 패시베이션 층은 세라믹 기판의 히팅 구역 상에 제공된다. 패시베이션 층은 바람직하게는 글래스 패시베이션 층(glass passivation layer)이다.
저항 히팅 요소(저항 히팅 전도체)의 세라믹 요소(세라믹 기판 및 세라믹 커버)에 의한 샌드위치-형 커버에 의해, 설치하기 쉽고 손상으로부터 보호되는 스쿱-프루프인 히팅 요소가 제공된다. 샌드위치-형 세라믹 외장 쉘(exterior shell)은 히팅 요소가 두 개의 냉각 요소 사이에 어려움 없이 배열되어, 세라믹 요소가 손상으로부터 전기 저항 히팅 전도체를 보호한다.
유리하게는, 저항 히팅 전도체는 저항 페이스트 인쇄의 형태로 제공된다. 이 방법은 저항 히팅 전도체의 용이한 제조를 고려한 것이다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 세라믹 커버 요소의 (글래스) 패시베이션 층과의 연결은 글래스 솔더 층(glass solder layer)에 의해 제공되며, 상기 글래스 솔더 층을 통해 세라믹 커버 요소와 패시베이션 층은 "융합(fused)" 된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 전기 히팅 시스템은 제어 구역 내에 배열되고 과열에 대한 보호의 관점에서 온도 모니터링을 수행하기 위하여 그 출력 신호가 평가 및 제어유닛에 공급되기 위해 조정되는 온도 센서를 포함한다. 세라믹 기판의 온도는 따라서 영구히 감지되며 제한된다. 온도 모니터링 및 그에 따른 온도 제한의 목적으로, 저항 히팅 전도체의 전류 흐름은 영구히 측정될 수 있다. 따라서 정의된 온도/저항 비는 히팅 요소의 각각의 온도가 전류 특성에 기반하여 도출되도록 한다. 본 실시예에서, 온도는 전기 히팅 시스템의 과잉 및 작동 안정성의 관점에서 우선적으로 온도 센서를 통해 결정된다.
본 발명에 따르면 세라믹 히팅 스트립(Al2O3) 형태의 히팅 요소의 사용과 관련된 디자인은 히팅 세라믹의 제어 구역 내에 드라이버 출력 스테이지의 배치를 위한 전도체 보드 레이아웃을 고려한다. 사용된 세라믹 물질의 열전도 팩터뿐만 아니라 히팅 구역에 대한 간격 관계에서 배치구역(제어 구역)의 공간적 배열은 히팅 구역으로부터 제어 구역으로의 입열을 정의하며, 상기 입열은 또한 제1 및/또는 제2 냉각 요소로의 열소실로 정의된다. 출력 및 온도 제한의 제어는 임의의 추가적인 노력을 요구하지 않고 과열에 대한 고정된 열 복합체(thermal compound)에서의 드라이버 출력 스테이지를 보호한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 히팅 모듈의 반대편으로 연장된 냉각핀을 포함하는 두 개의 냉각 요소를 각각 포함하며 고정 프레임에서 나란히 배치되어 고정 프레임 내에 배열된 복수의 히팅 모듈을 추가적으로 제공하며, 냉각 요소의 냉각핀은 서로 이웃하는 두 개의 히팅 모듈 메시(mesh)에서 서로 마주보는 관계로 배열된다. 전기 히팅 시스템의 단면을 가로지르는 흐름 저항 그래디언트(gradient)를 균일하게 만들기 위해, 고정 프레임은 외부 냉각 요소의 냉각핀을 따라 고정 프레임의 모서리에 커버부(cover portion)를 포함하면 유리하고, 상기 커버부는 냉각핀을 넘어 돌출되고 냉각핀을 덮어, 냉각 요소의 냉각핀이 이웃하는 냉각 요소의 냉각핀과 맞물리지 않는 냉각 요소에 있어 흐름 저항은, 맞물리는 냉각핀들의 영역에서 일반적인 흐름 저항으로 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고전압 온-보드 전기적 시스템의 사용으로 인한 최대 부하전류의 감소는 특히 저항 히팅 전도체가 인쇄된, 세라믹 판넬 히팅 스트립을 PTC 히팅 요소의 대안으로써 사용 가능하게 한다. 균질한 전면 열생성은 종래의 PTC 히팅 시스템이 선택적인 입열(heat input)(핫스팟)만 일어났던 것에 비하여 유리하다.
하기에는 발명의 실시예는 하기 도면을 참조하여 상세하게 설명된다:
도 1은 히팅 모듈의 투시도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 히팅 요소의 분해도를 나타낸다.
도 3은 도 1 및 2에서 나타난 복수의 히팅 모듈을 포함하는 전기 히팅 시스템의 도를 나타낸다.
도 1은 도 2의 투시 및 분해도에서 그 배열이 나타난 히팅 모듈 10의 투시도를 나타낸다. 히팅 모듈 10은 자동차에서, 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 자동차에서 400V까지의 고전압 온-보드 전기적 시스템에 사용되도록 설계되었다. 히팅 모듈 10은 하기에 기술될 층의 구성을 가지는 중앙 전기적 히팅 요소 12를 포함한다. 히팅 요소 12는 히팅 구역 16 및 제어 구역 18로 나누어지는 세라믹 기판 14를 포함한다. 구역 16,18은 모두 세라믹 기판 14의 도 2의 상면 20에 위치한다. 히팅 구역 16 내에 그 전류가 트랜지스터 26에 의해 제어되는 저항 히팅 전도체 24의 형태로 저항 히팅 요소 22가 세라믹 기판 14에, 특히 페이스트 인쇄 방법으로 제공된다. 트랜지스터 26 및 기타 전기적 부품 28은 컨택 영역(contact area) 32를 포함하는 전도체 트랙 레이아웃 30을 추가적으로 포함하는 제어 구역 18 내에 위치한다.
히팅 구역 16은 글래스 패시베이션 층 34로 덮인다. 글래스 패시베이션 층 34 위에는 글래스 솔더 층 38을 통해 글래스 패시베이션 층 34와 연결된 세라믹 커버 요소 36이 배열된다. 세라믹 커버 요소 36은 제어 구역 18의 부품들이 노출되도록 히팅 구역 16 및 제어 구역 18 사이의 전이 영역에서 끝난다. 세라믹 기판 14로 구성되는 전체적인 복합체 구조, 글래스 패시베이션 층 34, 글래스 솔더 층 38 및 세라믹 커버 요소 36은 밀폐되어 봉해지며 높은 전기 세기를 나타내고 따라서 스쿱-프루프 및 수분 저항을 가진다.
제1 냉각 요소 42는 세라믹 기판 14의 도 2의 하면 40에 위치하며, 상기 제1 냉각 요소는 히팅 구역 16 및 제어 구역 18이 연장된 전반을 따라 연장된다. 상기 제1 냉각 요소 42는 알루미늄 합금과 같은, 열전도 금속물질로 만들어지고, 그로부터 돌출된 복수의 개별 냉각핀 46을 가지는 기저판 44를 포함한다. 제2 냉각 요소 48은 세라믹 커버 요소 36에 위치하고, 상기 제2 냉각 요소는 제1 냉각 요소 42가 세라믹 기판 14와 열적으로 연결된 것과 같은 방식으로 세라믹 커버 요소 36과 열적으로 연결된다. 제2 냉각 요소 48은 제1 냉각 요소 42와 유사한 배열을 가지며 그로부터 뻗어나온 냉각핀 52를 포함하는 기저판 50을 포함한다. 냉각 요소 42,48 모두 클램핑 요소 54에 의해 결합하고 따라서 히팅 요소의 양면에 고정된다.
두 개의 냉각 요소 42,48을 통해 히팅 구역 16에서 생성된 열은 외부로 소실되고, 전체 히팅 모듈 10은 제어 구역 18이 비록 히팅 구역 16에 근접하여 배열되어있음에도 불구하고, 전기적 부품의 기능에 영향을 주지 않는 온도로 유지될 수 있게 설계된다. 온도 센서 56은 제어 구역 18의 온도를 감지하여, 온도 모니터링이 가능하다. 이러한 온도 모니터링은 나아가 저항 히팅 전도체의 전류 특성으로부터 히팅 요소 12의 온도를 도출함으로써 실현될 수 있다. 바람직하게는, 세라믹 기판의 온도는 영구적으로 모니터링된다. 온도 모니터링은 전기적 온도 및 그에 따른 히팅 요소 12의 출력 한계를 고려한다. 나아가, 트랜지스터 26은 과열로부터 보호된다.
도 1 및 2에서 나타난 복수의 히팅 모듈 10은 도 3의 전기 히팅 시스템 58을 형성하도록 조합될 수 있다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 전기 히팅 시스템 58은 세 개의 히팅 모듈 10이 나란히 배열된 프레임 60을 포함한다. 여기서, 나란히 배열된 히팅 요소 12의 이웃하는 냉각 요소 42 및 48의 냉각핀 46 및 52는 서로 맞물린다. 히팅 모듈 10의 제어 구역 18의 콘택 영역 32는 평가 및 제어유닛 62에 전기적으로 연결되어 있다. 맞물려 있는 냉각핀 46,52로 인하여, 전기 히팅 시스템 58에 대하여 외부에 위치한 냉각 요소 42,48의 영역에서 보다 전기 히팅 시스템 58은 이웃하는 히팅 모듈 10 사이의 흐름 단면을 따라 더 높은 흐름 저항을 가진다. 이러한 영역에서도 또한 히팅 모듈 10 사이에 일반적인 흐름 저항으로 조절된 흐름 저항을 얻기 위해서, 도 3에서 양면으로 연장된 프레임 섹션 64는 냉각핀 46,52를 부분적으로 덮는 커버 66을 포함한다.
10 히팅 모듈
12 히팅 요소
14 세라믹 기판
16 히팅 구역
18 제어 구역
20 상면
22 저항 히팅 요소
24 저항 히팅 전도체
26 트랜지스터
28 부품
30 전도체 트랙 레이아웃
32 콘택 영역
34 글래스 패시베이션 층
36 세라믹 커버 요소
38 글래스 솔더 층
40 하면
42 제1 냉각 요소
44 기저판
46 냉각핀
48 제2 냉각 요소
50 기저판
52 냉각핀
54 클램핑 요소
56 온도 센서
58 히팅 시스템
60 고정 프레임
62 평가 및 제어유닛
64 프레임 섹션
66 프레임의 커버 섹션

Claims (9)

  1. - 서로 떨어져 위치한 히팅 구역(heating zone, 16) 및 제어 구역(control zone, 18)을 가지는, 전기적으로 절연된, 열전도 세라믹 기판(14),
    - 상기 세라믹 기판(14)의 히팅 구역(16)에서 상기 세라믹 기판(14) 상에 배열되고, 저항 히팅 전도체(resistance heating conductor, 24)로 포함되며, 상기 세라믹 기판(14) 상에 장착된 전기 저항 히팅 요소(electrical resistance heating element, 22),
    - 트랜지스터(transistor, 26) 및, 선택적으로 존재하는 전기적 부품(electrical components, 28) 및 전도체 트랙(conductor tracks, 30)이 상기 세라믹 기판(14) 상의 제어 구역(18) 내에 배열된, 상기 저항 히팅 전도체(resistance heating conductor, 24)를 통과하는 전류를 제어하기 위한 트랜지스터(26), 및
    - 상기 세라믹 기판(14)의 히팅 구역(16)과 열적으로 결합한 제1 냉각 요소(cooling element, 42),
    - 를 제공하는 히팅 모듈(heating module, 10)
    을 포함하는, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히팅 구역(16) 및 상기 제어 구역(18)이 상기 세라믹 기판(14)의 동일한 면(20) 또는 상기 세라믹 기판(14)의 상이한 면(20,40)에 배열되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 히팅 구역(16) 및 상기 제어 구역(18)이 상기 세라믹 기판(14)의 동일 제1 면(20)에 제공되고, 상기 제1 냉각 요소(42)는 상기 세라믹 기판(14)의 상기 제1 면(20) 반대쪽의 상기 세라믹 기판(14)의 제2 면(40)에 대하여 열 전도 방식으로 위치하며 상기 히팅 및 제어 구역(16,18) 반대쪽의 상기 세라믹 기판(14)의 상기 제2 면(40)의 전 영역을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 저항 히팅 전도체(24)는 상기 세라믹 기판(14)의 상기 히팅 구역(16)을 따라 연장되는 세라믹 커버 요소(ceramic cover element, 36)에 의해 덮이고 상기 세라믹 커버 요소(36)는 상기 세라믹 기판(14)과 연결되어 복합체 구조(compound structure)를 형성하며, 제2 냉각 요소(48)는 세라믹 커버 요소(36)에 열 전도 방식으로 위치하고 상기 히팅 구역(16)을 따라 연장되어 제공되며, 상기 세라믹 기판(14) 및 상기 세라믹 커버 요소(36)로 구성되는 상기 복합체 구조는 두 개의 냉각 요소(42,48) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 세라믹 기판(14)의 상기 히팅 구역(16) 상에 상기 저항 히팅 전도체(24)를 덮는 패시베이션 층(passivation layer, 34)이 제공되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 패시베이션 층(34) 및 상기 세라믹 커버 요소(36) 사이에 견고한 접속을 보장하기 위한 글래스 솔더 층(glass solder layer, 38)이 배열되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 과열에 대한 보호 목적으로 온도를 모니터링하기 위하여 상기 제어 구역(18) 내에 배열되고 그 출력 신호가 평가 및 제어유닛(62)에 공급되도록 조정된 온도 센서(56)를 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 히팅 모듈(10)의 반대 면으로 연장되는 각각 냉각핀(46,52)을 포함하는 두 개의 냉각 요소(42,48)를 각각 가지는 복수의 히팅 모듈(10) 및, 두 개의 이웃하는 히팅 모듈(10)의 상호 대면하는 냉각 요소(42,48)의 냉각핀(46,52)이 서로 끼워지는, 히팅 모듈(10)이 나란히 배열되어 고정된 고정 프레임(60)을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 서로 가장 멀리 떨어져 있는 두 개의 히팅 모듈(10)의 상기 냉각 요소(42,48)의 상기 냉각핀(46,52)은 상기 고정 프레임(60)의 커버 섹션(66)에 의해 부분적으로 덮이는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 전기 히팅 시스템.
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