KR102083339B1 - 냉각수 유로와 내장 온도 센서 간의 이격 간격 확보를 통한 냉각수 온도의 개선된 센싱 구조 - Google Patents

냉각수 유로와 내장 온도 센서 간의 이격 간격 확보를 통한 냉각수 온도의 개선된 센싱 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조는 냉각수의 유동을 위한 냉각수 유로가 형성된 유로 하우징(10); 상기 유로 하우징(10) 상에 이격 배치된 상태에서 복수의 전자소자가 집적 형성되는 회로 기판(20); 상기 회로 기판(20) 상에 집적된 상태에서 유로 하우징(10)의 표면 상에 밀착하여 온도를 측정하는 내장 온도센서(30); 및 상기 회로 기판(20)을 관통한 상태에서 상기 유로 하우징(10) 상에 고정 결합하는 결속 수단(40);을 포함하고, 상기 유로 하우징(10)의 상면 상에는 상기 내장 온도센서(30)와의 접촉을 위해 상부 방향으로 돌출되는 센서 안착부(11)가 형성되고, 상기 센서 안착부(11)는 상기 내장 온도센서(30)의 하부 안착 지점을 상기 유로 하우징(10) 상면의 다른 지점과 비교하여 상부 측으로 돌출하도록 구성함으로써 상기 회로기판에 실장된 전자소자들과 상기 유로 하우징 간의 이격 간격을 확보하고, 상기 회로 기판(20)에 실장된 내장 온도센서(30)를 통해 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱함으로써 외장 온도센서의 사용 필요성을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각수 유로와 내장 온도 센서 간의 이격 간격 확보를 통한 냉각수 온도의 개선된 센싱 구조{Improved Sensing structure of coolant temperature by securing separation distance between coolant flow path and built-in temperature sensor}
본 발명은 외부 온도센서를 사용하지 않은 상태에서 PCB에 실장된 내장 온도센서를 통해 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조에 관한 것이다.
최근 환경 규제가 강화되면서 하이브리드차(HEV), 플러그인 하이브리드차(PHEV), 배터리 전기차(BEV) 등 친환경차들이 주목받고 있다. 특히, 순수하게 전기에너지만을 사용하는 BEV와 배터리 에너지와 엔진을 동시에 사용하며 외부에서 배터리 충전이 가능한 PHEV 성장세가 두드러진다.
배터리 전기차와 플러그인 하이브리드차는 배터리 충전을 위한 충전기가 필요하다. 배터리 충전기는 충전시간에 따라 완속, 급속, ICCB으로 구분되고 위치에 따라 탑재형(On-Board) 또는 외장형(Off-Board)으로 구분된다.
완속 충전기와 급속 충전기는 별도로 설치된 220V나 380V용 전원을 이용해 충전하는 방식이고, ICCB는 가정에서 충전 가능한 케이블이다. 완속 충전 시에는 차량 내에 별도로 설치된 충전기(OBC)를 거쳐서 고전압 배터리가 충전된다.
급속충전방식은 충전시간이 짧은 장점에도 불구하고 충전소가 필수적이라는 단점이 있다. 현재 국내에는 전국 한전 사업소, 공공 주차장, 대형마트, 공동 주택 등에 충전소가 구축돼 있지만 넉넉하다고는 할 수 없다. 따라서, 모든 BEV와 PHEV는 가정용 전원플러그가 있는 곳 어디에서든지 충전이 가능하도록 탑재형 충전기(OBC)를 갖추고 있다.
친환경용 탑재형 충전기인 OBC(On Board Charger)는 차량 주차 상태에서 AC 110V/220V 전원으로 차량의 고전압 배터리를 완속으로 충전하는 차량 탑재형 충전기이다. BMS와 협조제어를 통해 배터리 충전 방식(정전류, 정전압)을 내부적으로 제어하고 있다.
OBC는 상용 전원인 교류를 직류로 변환하여 차량 내부 배터리를 충전하는 기능을 한다. OBC는 일반적으로 입력 전원인 AC 전원의 노이즈를 제거하는 입력필터, 에너지 효율을 높여주는 PFC(Power Factor Corrector) 회로, 배터리에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 DC/DC 컨버터, 충전소 및 차량 내부의 다른 장치와 통신하며 OBC를 제어하는 제어회로 등으로 구성된다.
OBC는 충전시에 발열되고, 이러한 발열은 전력변환부품들의 성능 및 수명에 악영향을 미치므로 냉각시스템을 구비하여 발열을 해소해야 한다.
냉각시스템을 이용하여 차량을 구성하는 전력변환부품들 중 OBC를 냉각하는 과정을 보면, OBC를 구성하는 회로기판에 집적된 전자소자들의 냉각을 위해 상기 회로기판에 연결된 유로 하우징 상에 냉각수를 유동하게 함으로써 냉각 기능을 수행한다.
기존에는 유로 하우징에 유동하는 냉각수의 적정 온도 확인을 위하여 외장형 온도 센서를 사용하였는데, 이 경우에 유로 하우징을 이루는 금속 플레이트를 관통 설치하여 냉각수를 직접 센싱하는 외장형 온도 센서의 구조로 인하여 냉각수의 리크가 발생할 수 있고, 외장형 온도센서의 가격이 비싸므로 설계 단가가 올라간다는 문제점이 있다.
한편, 회로기판 상에 내장형 온도센서를 설치하여 유로 하우징 내에 흐르는 냉각수의 온도를 센싱하는 경우에, 내장형 온도센서를 회로기판과 유로 하우징을 연결하도록 설치해야 하는 구조적 제약으로 인하여 회로기판과 유로 하우징 간의 거리가 가까워져, 결과적으로 회로기판에 실장된 전자소자들의 절연성이 떨어진다는 단점이 있게 된다.
더불어, 회로기판과 유로 하우징과의 거리가 가까워져 유로 하우징의 온도가 올라간다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 종래의 외장형 온도 센서 사용의 문제점을 해결하고자, 외부 온도센서를 사용하지 않은 상태에서 회로기판에 실장된 내장 온도센서를 통해 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 한편 유로 하우징을 이루는 상부 플레이트에서 내장 온도센서에 접촉하는 영역을 돌출하도록 구성함으로써 회로기판에 실장된 전자소자들과 유로 하우징 간의 이격 간격을 확보하는 구조를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조는 냉각수의 유동을 위한 냉각수 유로가 형성된 유로 하우징(10); 상기 유로 하우징(10) 상에 이격 배치된 상태에서 복수의 전자소자가 집적 형성되는 회로 기판(20); 상기 회로 기판(20) 상에 집적된 상태에서 유로 하우징(10)의 표면 상에 밀착하여 온도를 측정하는 내장 온도센서(30); 및 상기 회로 기판(20)을 관통한 상태에서 상기 유로 하우징(10) 상에 고정 결합하는 결속 수단(40);을 포함하고, 상기 유로 하우징(10)의 상면 상에는 상기 내장 온도센서(30)와의 접촉을 위해 상부 방향으로 돌출되는 센서 안착부(11)가 형성되고, 상기 센서 안착부(11)는 상기 내장 온도센서(30)의 하부 안착 지점을 상기 유로 하우징(10) 상면의 다른 지점과 비교하여 상부 측으로 돌출하도록 구성함으로써 상기 회로기판에 실장된 전자소자들과 상기 유로 하우징 간의 이격 간격을 확보하고, 상기 센서 안착부(11)에는 상기 유로 하우징(10)을 흐르는 냉각수의 유동을 가능하게 하도록 빈 공간이 형성되고, 상기 회로 기판(20)에 실장된 내장 온도센서(30)를 통해 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱함으로써 외장 온도센서의 사용 필요성을 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 센서 안착부(11)는 상부 방향으로 갈수록 그 단면적이 작아지는 형태로 이루어지고, 속이 빈 다각뿔대 및 원뿔대를 포함하는 구조체들 중 어느 하나의 구조체이다.
상기 냉각수 유로(12)는 상기 유로 하우징(10)의 유입구에서 상부 방향으로 소정각도 경사지게 형성된 상태로 이루어진 진입 영역(13), 상기 진입 영역(13)에서 이어지는 것과 동시에 상기 내장 온도센서(30)의 하부 상에 배치되는 공간인 수온 측정 챔버(14), 상기 수온 측정 챔버(14)에서 배출구까지 이어지는 영역인 연속 유동 영역(15)을 포함한다.
상기 수온 측정 챔버(14)는 상기 진입 영역(13)과 연속 유동 영역(15)의 상부단과 비교하여 더 상부 방향으로 돌출된 상태의 여유 공간을 확보한다.
상기 내장 온도센서(30)는 NTC 서미스터를 채용한다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다.
본 발명은 전기 차량용 배터리에 대한 충전기를 구성하는 PCB에 실장된 내장 온도센서를 통해 PCB에 인접한 냉각 플레이트를 유동하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조를 통해 비용적인 장점을 갖게 한다.
이를 통해, 기존에는 금속 플레이트에 유동하는 냉각수의 적정 온도 확인을 위하여 외장형 온도 센서를 사용함으로써 발생하는 냉각수의 리크 발생 및 외장형 온도센서 사용 상의 비용 상승 문제를 해소한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조 개념을 보인다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각수의 온도 센싱 구조가 반영된 상태의 충전기 모델링 이미지를 보인다.
도 3은 도 2의 정면도를 보인다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
본 명세서 상에서는 탑재형 배터리 충전기인 OBC 상에 적용되는 냉각수의 온도 센싱 구조를 중심으로 설명하지만, 이에 한정되는 아니고 냉각수를 가열하는 형태의 냉각수 가열식 히터 또는 냉각수 히터의 수온을 측정하는 용도로도 응용이 가능하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 냉각수의 온도 센싱 구조가 채용된 충전기는, 냉각수의 유동을 위한 냉각수 유로가 형성된 유로 하우징(10), 유로 하우징(10) 상에 이격 배치된 상태에서 복수의 전자소자가 집적 형성되는 회로 기판(20), 회로 기판(20) 상에 집적된 상태에서 유로 하우징(10)의 표면 상에 밀착하여 온도를 측정하는 내장 온도센서(30), 회로 기판(20)을 관통한 상태에서 유로 하우징(10) 상에 고정 결합하는 결속 수단(40) 및 유로 하우징(10)의 일측면을 덮도록 구비되어져 상기 회로 기판(20)과 내장 온도센서(30) 등을 그 내부에 수용하는 구조를 갖는 외부 커버(50)를 포함한다.
유로 하우징(10) 내에 형성된 냉각수 유로(12)는 상기 유로 하우징(10)의 일측을 통해 유입구가 형성되고, 타측을 통해 배출구가 형성되는 구조일 수 있다.
유로 하우징(10)은 상부 플레이트(10a) 및 상부 플레이트(10a)의 하측으로 배치된 하부 플레이트(10b)를 포함한 상태에서, 상기 상하부 플레이트 사이에 냉각수 유로가 형성되는 구조일 수 있다.
상부 플레이트는 내장 온도센서(30)와의 접촉을 위해 상부 방향으로 돌출되는 센서 안착부(11)가 형성된다. 센서 안착부(11)는 내장 온도센서(30)의 하부 안착 지점을 유로 하우징(10)의 다른 지점과는 상부 측으로 돌출하도록 구성함으로써 회로기판에 실장된 전자소자들과 유로 하우징 간의 이격 간격을 확보하게 한다.
센서 안착부(11)는 구조적인 안정성을 높이기 위해서 상부 방향으로 갈수록 그 단면적이 작아지는 형태로 이루어진다. 예를 들어, 센서 안착부(11)는 사각뿔대, 육각뿔대 등과 같은 다각뿔대, 원뿔대와 같은 형상을 갖도록 설계한다.
한편, 센서 안착부(11)는 속이 빈 중공 형상으로 이루어진다. 즉, 센서 안착부(11)에는 냉각수 유로(12)를 흐르는 냉각수의 유입을 가능하게 하도록 빈 공간이 형성된다.
본 발명 건은 유로 하우징(10)을 이루는 상부 플레이트(10a) 상에 센서 안착부(11) 구조물을 추가하는 것과 동시에 상부 플레이트(10a)를 이루는 금속판의 두께를 감소시켜서 열오차를 감소시키게 한다. 즉, 상부 플레이트 상에 프레싱을 통해 엠보싱 가공 등을 수행하여 전체적인 두께를 감소시키는 한편 전열 면적을 증가시키게 한다.
냉각수 유로(12)의 구조에 대해 구체적으로 설명하면, 유입구에서 상부 방향으로 소정각도 경사지게 형성된 상태로 이루어진 진입 영역(13), 진입 영역(13)에서 이어지는 것과 동시에 내장 온도센서(30)의 하부 상에 배치되는 공간인 수온 측정 챔버(14), 수온 측정 챔버(14)에서 배출구까지 이어지는 영역인 연속 유동 영역(15)을 포함한다.
수온 측정 챔버(14)는 진입 영역(13)과 연속 유동 영역(15)의 상부단과 비교해서 상대적으로 더 상부 방향으로 돌출된 상태의 여유 공간(14a)을 확보한다. 즉, 진입 영역(13)을 통해 유동된 냉각수가 상대적으로 단위 유량이 큰 상태를 갖는 수온 측정 챔버(14)로 유입되어짐으로써 냉각수의 일시적인 정체 및 와류 발생을 유발하게 된다. 이를 통해서 유입된 냉각수는 수온 측정 챔버(14) 상에서 충분한 열적 교류를 유발할 수 있게 한다. 한편, 여유 공간(14a) 상에서 진입 영역(13)과 연속 유동 영역(15)과 맞닿는 부분의 경사각을 상이하게 설정할 수 있다. 구체적으로는, 진입 영역(13)과 연결되는 제1 경사각(d1)을 연속 유동 영역(15)과 연결되는 제2 경사각(d2)에 비해 더 완만하게 설정한다. 제1 경사각(d1)과 제2 경사각(d2) 사이는 상부 방향으로 소정의 양의 기울기를 갖는 제3 경사각(d3)을 설정한다. 이를 통해 수온 측정 챔버(14)의 여유 공간으로 진입되는 냉각수는 상기 제1 경사각(d1)을 통해 완만한 흐름으로 유입을 진행한 상태에서 제3 경사각(d3)을 갖는 중심 영역을 거치면서 확대된 공간 상에서 유입 냉각수의 확산 내지 분산을 가능하게 하고, 하부 방향으로 급격하게 기울어지는 제2 경사각(d2)을 갖는 공간 상에서 유입된 냉각수의 조밀화를 가능하게 한다.
수온 측정 챔버(14) 상에는 상하부를 연결하는 형태의 리브들이 다양하게 설치된다. 리브들은 냉각수 유로(12)의 형상을 유지하는 기능을 하는 것과 동시에 유입된 냉각수의 유동 경로를 다양하게 설정하는 것을 가능하게 한다.
내장 온도센서(30)의 일 실시예로서는 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor)를 채용한다.
서미스터는 반도체의 전기저항이 온도에 따라 크게 변하는 것을 이용한 전자부품을 총칭하는 것일 수 있는데, 특히 온도에 대하여 안정적이고 온도 특성의 재현성이 좋은 것을 서미스터 온도센서로써 사용한다. NTC 서미스터는 부(負)의 온도계수를 가지고 연속적으로 전기저항이 변화하는 서미스터로서 NTC로 약칭한다. 주로 금속산화물 반도체에 의하여 제조되지만 유기물계, Si 단결정계, SiC 계의 것도 있고, 모두 온도 센서로써 사용된다.
결속 수단(40)은 내장 온도센서(30)를 기준으로 하여 방사상으로 배치되는 구조일 수 있다. 예시적으로는, 내장 온도센서(30)에는 간섭되지 않도록 내장 온도센서(30)의 중심을 기준으로 소정거리 이격된 상태를 갖도록 복수개가 배치된다. 결속 수단(40)은 유로 하우징(10)의 일측면 상에 나사 결합 방식으로 결합되는 방식일 수 있다. 결속 수단(40)은 센서 안착부(11)의 하부에 인접한 상태에서 상부 플레이트(10a)에 결속되는 구조일 수 있다.
회로 기판(20)은 유로 하우징(10)의 상부에서 수온 측정 챔버(14) 및 연속 유동 영역(15)의 상부를 지나는 방식으로 배치된다. 회로 기판(20)의 일측 끝단에 접속된 내장 온도센서(30)는 수온 측정 챔버(14)의 상단에 결합되고, 연속 유동 영역(15)을 지나면서는 회로 기판(20)에 접속된 전자 소자의 유로 하우징(10) 접촉을 방지하기 위해서 이격 상태를 유지한다. 즉, 회로 기판(20)에 접속된 전자 소자는 수온 측정 챔버(14)의 여유 공간에 비해 낮은 높이를 갖는 연속 유동 영역(15)으로 인하여 발생한 소자 배치 공간 상에 위치하게 된다.
본 발명은 전기 차량용 배터리에 대한 충전기를 구성하는 PCB에 실장된 내장 온도센서를 통해 PCB에 인접한 냉각 플레이트를 유동하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조를 통해 비용적인 장점을 갖게 한다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
10 : 유로 하우징
20 : 회로 기판
30 : 내장 온도센서
40 : 결속 수단

Claims (5)

  1. 냉각수의 유동을 위한 냉각수 유로가 형성된 유로 하우징(10);
    상기 유로 하우징(10) 상에 이격 배치된 상태에서 복수의 전자소자가 집적
    형성되는 회로 기판(20);
    상기 회로 기판(20) 상에 집적된 상태에서 유로 하우징(10)의 표면 상에 밀
    착하여 온도를 측정하는 내장 온도센서(30); 및
    상기 회로 기판(20)을 관통한 상태에서 상기 유로 하우징(10) 상에 고정 결
    합하는 결속 수단(40);을 포함하고,
    상기 유로 하우징(10)의 상면 상에는 상기 내장 온도센서(30)와의 접촉을 위
    해 상부 방향으로 돌출되는 센서 안착부(11)가 형성되고, 상기 센서 안착부(11)는 상기 내장 온도센서(30)의 하부 안착 지점을 상기 유로 하우징(10) 상면의 다른 지점과 비교하여 상부 측으로 돌출하도록 구성함으로써 상기 회로기판에 실장된 전자소자들과 상기 유로 하우징 간의 이격 간격을 확보하고,
    상기 냉각수 유로(12)는 상기 유로 하우징(10)의 유입구에서 상부 방향으로 소정각도 경사지게 형성된 상태로 이루어진 진입 영역(13), 상기 진입 영역(13)에서 이어지는 것과 동시에 상기 내장 온도센서(30)의 하부 상에 배치되는 공간인 수온 측정 챔버(14), 상기 수온 측정 챔버(14)에서 배출구까지 이어지는 영역인 연속 유동 영역(15)을 포함하고,
    수온 측정 챔버(14)는 진입 영역(13)과 연속 유동 영역(15)의 상부단과 비교해서 상대적으로 더 상부 방향으로 돌출된 상태의 여유 공간(14a)을 확보하고,
    상기 여유 공간(14a) 상에서 상기 진입 영역(13)과 연속 유동 영역(15)과 맞닿는 부분의 경사각을 상이하게 설정하고,
    상기 내장 온도센서(30)는 상기 수온 측정 챔버(14)의 상단에 결합되고, 상기 연속 유동 영역(15)을 지나면서는 상기 회로 기판(20)에 접속된 전자 소자의 유로 하우징(10) 접촉을 방지하기 위해서 이격 상태를 유지하며,
    상기 센서 안착부(11)에는 상기 유로 하우징(10)을 흐르는 냉각수의 유동을 가능하게 하도록 빈 공간이 형성되고,
    상기 회로 기판(20)에 실장된 내장 온도센서(30)를 통해 전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱함으로써 외장 온도센서의
    사용 필요성을 제거하는 것을 특징으로 하는,
    전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱
    하는 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    진입 영역(13)과 연결되는 제1 경사각(d1)을 연속 유동 영역(15)과 연결되는 제2 경사각(d2)에 비해 더 완만하게 설정하는,
    전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 내장 온도센서(30)는 NTC 서미스터를 채용하는,
    전기 차량용 배터리에 대한 충전기의 냉각을 수행하는 냉각수의 온도를 센싱하는 구조.
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