KR102182556B1 - 배터리 및 전력변환장치를 위한 공냉식 열관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 공냉식 열관리 시스템이 개시된다. 상기 공냉식 열관리 시스템은, 저장된 전력을 전기 이동수단의 구동전원으로 공급하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 충, 방전 경로에 연결된 전력 변환 모듈로서, 발열 회로와, 발열 회로의 냉각을 위한 송풍기와, 송풍기의 유로 상에 형성된 내부 냉각판을 포함하는 전력 변환 모듈과, 배터리 모듈과 전력 변환 모듈을 수용하는 것으로, 송풍기의 유로 상에 형성된 외부 냉각판을 구비하는 케이스를 포함한다. 본 발명에 의하면, 충전 회로 및 방전 회로가 통합된 전력 변환 모듈과 배터리 모듈에 대한 통합적이면서 경량화 및 컴팩트화에 유리한 열관리 시스템을 제공할 수 있다.

Description

배터리 및 전력변환장치를 위한 공냉식 열관리 시스템{Air cooling thermal management system for battery pack and power converter}

본 발명은 전기 바이크 또는 전기 차량과 같은 전기 이동수단에 장착되어 전기 이동수단의 구동동력을 제공하는 공랭식 열관리 시스템에 관한 것으로, 열에 취약한 회로 부품들과 배터리를 허용 온도 이하로 유지 관리하기 위한 열관리 시스템에 관한 것이다.

전기 바이크 또는 전기 차량 등의 전기를 이용한 전기 이동수단들은 편리한 사용과 친환경적인 특성으로 관련 시장이 팽창하고 있다. 그러나, 여러 가지 기술적 장벽으로 사용의 제한을 받고 있다. 그 대표적인 예로, 배터리의 화재, 무게 짧은 이동 거리, 높은 가격, 짧은 수명 등이 해결해야 할 과제로 남아 있다.

특히 전력 변환 회로, 모터, 배터리 등은 반도체, 영구자석 등으로 구성되어 있으며, 온도가 허용 온도 이상으로 가동되면, 소자의 수명이 짧아지거나 저항이 증가하여 화재가 발생하거나, 감자(demagnetization) 현상이 발생하여 모터를 폐기해야 할 상황도 발생하게 된다.

이러한 이유로 고성능 고신뢰도 제품의 경우에 전력 변환 회로, 배터리, 모터의 온도 변화 상황을 실시간 감시하고 허용 온도 이하로 유지 관리하기 위해서 적절한 냉각 시스템 개발 및 채용이 중요한 개발 이유가 되었다.

본 발명은 이러한 열관리의 중요성이 커지고 있는 전기 이동수단에서 가볍고 컴팩트한 열관리 시스템을 개발하여 고신뢰도, 경량화에 유리한 공냉식 열관리 시스템을 제공하고자 한다.

충, 방전 중에 전력 변환 회로와 배터리에서 발생하는 열은 충, 방전 회로의 수명을 단축하며, 배터리 등에 과열을 초래하여 화재를 발생시키고 있다. 전력 변환 회로와 배터리에서 발생하는 열을 제거하기 위해서 충분히 넓은 방열 면적을 확보해야 하고, 송풍기의 풍량을 높여서 냉각용 공기를 냉각판에 공급하여야 한다.

그러나, 이러한 충분한 방열 면적의 확보와 유량 증가는 전기를 에너지원으로 하는 전기 이동수단에 무게 증가와 전기 이동수단 외의 추가적인 전력 소모를 유도하여 전기 바이크 또는 전기 차량 등에서 중요한 이동 거리와 효율에 매우 부정적인 영향을 미치게 된다. 전기 이동수단의 안전성과 신뢰도의 확보와 효율 및 이동 거리 사이에 적절한 타협점을 찾는 것이 필요하게 되었다.

이러한 타협점을 위해서 충전 회로와 방전 회로를 하나로 통합한 것이 CCM(Charger Converter Module, 특허청구범위의 전력 변환 모듈에 해당됨, 이하 같음)으로 충전 회로와 방전 회로를 하나로 통합해서 유지 관리의 편의성, 가격 경쟁력을 확보하게 되었으며, 관련된 열관리 시스템에 대해서도 통합적이고 경량, 고신뢰도의 열관리 시스템이 필요해졌다.

상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 공냉식 열관리 시스템은,

저장된 전력을 전기 이동수단의 구동전원으로 공급하는 배터리 모듈;

상기 배터리 모듈의 충, 방전 경로에 연결된 전력 변환 모듈로서, 발열 회로와, 상기 발열 회로의 냉각을 위한 송풍기와, 송풍기의 유로 상에 형성된 내부 냉각판을 포함하는 전력 변환 모듈; 및

상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈을 수용하는 것으로, 상기 송풍기의 유로 상에 형성된 외부 냉각판을 구비하는 케이스;를 포함한다.

예를 들어, 상기 내부 냉각판 및 외부 냉각판은, 각각 상기 발열 회로와 적어도 일부에서 겹쳐지는 위치에 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈은 각각 케이스의 서로 반대되는 일 측 및 타 측에 배치되며,

상기 외부 냉각판은, 배터리 모듈 및 전력 변환 모듈을 가로질러 연장될 수 있다.

예를 들어, 상기 발열 회로는, 양편으로 배치된 내부 냉각판과 외부 냉각판에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 발열 회로는, 스위치 소자를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 전력 변환 모듈은 회로기판을 더 포함하며,

상기 회로기판의 제1 면에는 상기 송풍기 및 내부 냉각판이 배치되며,

상기 회로기판의 제2 면에는 상기 발열 회로가 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은 내부 냉각판을 따라 케이스 내부를 유동하다가 케이스 외부로 유출되어 외부 냉각판을 따라 유동할 수 있다.

예를 들어, 상기 케이스 내부에는 송풍기의 유로를 형성하는 덕트가 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 송풍기의 유로를 따라 내부 냉각판과 외부 냉각판 사이에는, 케이스의 내외부를 연통시키기 위한 개구 또는 노즐부가 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 개구 주변에는, 개구와 유체적으로 연결된 덕트의 압력에 따라 개구를 개폐하도록 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 선회 가능하게 설치된 개폐 날개가 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 송풍기의 가동에 따라 상기 개폐 날개는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 선회될 수 있다.

예를 들어, 상기 노즐부에는 유출 면적을 제한하여 고속으로 공기를 분출하기 위한 노즐 슬릿이 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 노즐부는, 공기의 분출 방향을 따라 서로에 대해 접근하도록 비스듬하게 경사진 경사부의 쌍을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 노즐부는 상기 경사부의 쌍이 향하는 정점이, 외부 냉각판 중 서로 이웃한 냉각핀 사이의 간격을 지향하도록 냉각핀과 엇갈리는 위치에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은, 내부 냉각판을 따라 제1 방향으로 유동하다가 차단벽을 통하여 유동 방향이 전환되면서 케이스 외부로 유출되어 외부 냉각판을 따라 제2 방향으로 유동할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 방향은, 서로 반대 방향이며,

상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은, 서로 반대되는 제1, 제2 방향으로 U-턴 하도록 유동하면서 발열 회로를 둘러싸며 발열 회로를 이중으로 냉각시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 외부 냉각판은, 상기 케이스의 바닥면에 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 케이스의 바닥면은, 지면에 대해 경사지게 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 케이스의 바닥면에 형성된 외부 냉각판은, 중력 방향을 따라 상부 위치와 하부 위치를 포함하며,

송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은, 외부 냉각판을 따라 하부 위치로부터 상부 위치로 상승할 수 있다.

예를 들어, 상기 외부 냉각판의 하부 위치에는, 케이스의 내외부를 연통시키기 위한 개구 또는 노즐부가 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈 사이에는, 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름을, 상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈로 배분하도록 개도가 조절되는 유량 조절 밸브가 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 공냉식 열관리 시스템은, 상기 송풍기의 가동 및 회전 속도를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하며,

상기 제어부는, 전기 이동수단의 충전시에는 송풍기를 가동하되, 방전시에는 송풍기를 가동하지 않을 수 있다.

예를 들어, 상기 제어부는,

상기 충전시에는, 전기 이동수단이 정지된 상태에서 상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름에 의해 상기 내부 냉각판 및 외부 냉각판을 냉각시키는 충전 냉각 모드를 제공하고,

상기 방전시에는, 전기 이동수단의 주행에 따라 상기 외부 냉각판을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름을 통하여 외부 냉각판을 냉각시키는 방전 냉각 모드를 제공할 수 있다.

예를 들어, 상기 케이스의 바닥면에 형성된 외부 냉각판은, 중력 방향을 따라 상부 위치와 하부 위치를 포함하며,

상기 외부 냉각판을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름은, 외부 냉각판을 따라 상부 위치로부터 하부 위치까지 나란하게 유입되며,

상부 위치로 유입된 공기 흐름은, 외부 냉각판을 따라 상부 위치부터 하부 위치로 하강할 수 있다.

새로운 통합 열관리 시스템은 충전 냉각 모드와 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)로 구분되어 하나의 열관리 시스템에서 2가지 방식의 열관리 시스템으로 운용될 수 있도록 하였다.

전기 이동수단이 가동 중일 경우에는 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)에 해당되며, 전기 이동수단의 이동으로 외부 공기가 경사진 외부 냉각판을 지나가게 되고, 강제 대류 열전달에 의해서 외부 냉각판을 냉각하게 되어 외부에 직접 연결된 발열 회로와 배터리를 냉각하게 된다.

전기 이동수단이 정지 또는 충전 중일 경우는 충전 냉각 모드에 해당되며, 외기의 도입이 없으므로, CCM(Charger Converter Module, 특허청구범위의 전력 변환 모듈에 해당됨)과 배터리의 온도가 높아지게 된다 높아진 온도는 경사진 외부 냉각판에서 자연 대류 열전달을 형성하며, 경사면을 따라서 CCM(Charger Converter Module, 특허청구범위의 전력 변환 모듈에 해당됨)과 배터리를 냉각하게 된다. 이때에도 발열량이 많지 않으면 허용 온도 이하로 유지될 수 있으며, 추가적인 송풍기의 가동이 없이도 시스템이 안전한 온도 범위에서 유지될 수 있다.

그러나, 발열량이 높아서 자연 대류 만으로 시스템의 온도를 통제할 수 없으면 열관리 시스템 내부에 설치된 송풍기와 내부 냉각판을 가동하여 강제 대류를 만들어서 배터리와 CCM(Charger Converter Module, 특허청구범위의 전력 변환 모듈에 해당됨)을 냉각하고, 2차로 배기된 공기를 다시 외부 냉각판을 거쳐가도록 하여 내외부 양쪽에서 열을 제거할 수 있도록 하였다. 전력 소모량을 줄이기 위해서는 송풍기는 MCU(특허청구범위의 제어부에 해당)를 통해서 PWM 제어로 풍량을 조절하고, 내부 냉각판과 유체적으로 연결된 덕트는 송풍기에서 만들어진 풍압으로 자동 개폐되거나 외부 냉각판의 이웃한 냉각핀 사이로 엇갈리게 배치된 노즐부를 통해서 이웃한 냉각핀 사이로 공기 흐름을 만들어 낼 수 있도록 하였다.

본 발명의 열관리 시스템을 통하여 전기 바이크 또는 전기 차량 등의 전기 이동수단의 운전 상황과 충전 상황에 따라 적절한 방열 수단을 갖추게 되었으며, 통합된 열관리 시스템으로 충전기용 방열 시스템과 방전기용 방열 시스템, 배터리용 방열 시스템이 별도로 유지 관리되는 것이 아니라 통합되어, 가볍고, 컴팩트하여, 각 운전 상황에 최적화된 신뢰성이 높은 열관리 시스템이 제공될 수 있다.

도 1에는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 열관리 시스템을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 2 및 도 3에는, 도 1의 공냉식 열관리 시스템이 전기 이동수단에 장착된 상태로서, 각각 서로 다른 방전 냉각 모드 및 충전 냉각 모드를 설명하기 위한 도면들이 도시되어 있다.
도 4에는, 도 1의 공냉식 열관리 시스템에서 송풍기의 가동 유무 및 회전 속도를 제어하기 위한 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 5 및 도 6에는 도 3의 변형된 실시형태를 도시한 도면으로, 각각 공냉식 열관리 시스템의 측면 및 바닥면을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 7에는 도 6에 도시된 노즐부의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 8에는 도 7에 도시된 노즐부의 변형된 실시형태를 도시한 도면이 도시되어 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 공냉식 열관리 시스템에 대해 설명하기로 한다.

도 1에는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 열관리 시스템을 도시한 도면이 도시되어 있다. 도 2 및 도 3에는, 도 1의 공냉식 열관리 시스템이 전기 이동수단에 장착된 상태로서, 각각 서로 다른 방전 냉각 모드 및 충전 냉각 모드를 설명하기 위한 도면들이 도시되어 있다. 도 4에는, 도 1의 공냉식 열관리 시스템에서 송풍기의 가동 유무 및 회전 속도를 제어하기 위한 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 공냉식 열관리 시스템은, 전기 바이크 또는 전기 차량과 같은 전기 이동수단에 장착되어 전기 이동수단의 구동동력을 제공할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 공냉식 열관리 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고전압의 전력을 저장하고 저장된 전력을 전기 이동수단의 구동동력으로 제공하는 배터리 모듈(BM)과, 상기 배터리 모듈(BM)의 충, 방전 경로에 연결된 전력 변환 모듈(CCM)을 포함할 수 있으며, 상기 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 수용하는 케이스(180)를 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 케이스(180) 내부에는 송풍기(100)의 유로를 제공하는 덕트(101)가 형성될 수 있으며, 상기 덕트(101)는 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 가로질러 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 덕트(101)는 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 가로질러 연장되다가 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)의 단부에서 종단될 수 있다.

상기 케이스(180)는 상기 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 수용할 수 있으며, 공냉식 열관리 시스템의 외관을 형성할 수 있다. 즉, 상기 공냉식 열관리 시스템은 케이스(180)를 통하여 외부 대기와 접촉할 수 있으며, 냉각을 위하여 상기 케이스(180)는 열전도 특성이 우수한 금속 소재, 예를 들어, 알루미늄 소재로 형성될 수 있다.

상기 케이스(180)의 외면에는 외부 냉각판(130)이 형성될 수 있다. 상기 외부 냉각판(130)은 금속블록(또는 케이스 180) 상에 다수의 냉각핀(131)이 돌출 형성된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 냉각판(130)은 케이스(180)와 함께 일체로 형성될 수 있으며, 케이스(180)와 함께 알루미늄 등의 금속 소재로 형성될 수 있다. 상기 외부 냉각판(130)은 케이스(180)의 외면 중에서 바닥면(B)에 형성될 수 있다. 외부 냉각판(130)이 형성되는 케이스(180)의 바닥면(B)이란 중력 방향을 따라 하부를 형성하는 면을 의미할 수 있고, 후술하는 바와 같이, 전력 변환 모듈(CCM)의 발열 회로(150)와 마주하는 면을 의미할 수 있다. 달리 말하면, 상기 외부 냉각판(130)은 전력 변환 모듈(CCM)에 구비된 회로기판(105)의 제1, 제2 면(S1,S2) 중에서 발열 회로(150)가 배치된 제2 면(S2)과 마주하는 면을 의미할 수 있다.

상기 외부 냉각판(130)은 배터리 모듈(BM) 및 전력 변환 모듈(CCM)을 가로질러 형성됨으로써, 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 함께 냉각시킬 수 있다. 특히, 상기 외부 냉각판(130)은 전력 변환 모듈(CCM) 내에 구비된 발열 회로(150)와 마주하는 위치에 형성됨으로써, 발열 회로(150)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 이에 대해서는 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 외부 냉각판(130)이 형성된 케이스(180)의 바닥면(B)은, 지면에 대해 사선 방향으로 경사지게 배치될 수 있다. 즉, 본 발명의 공냉식 열관리 시스템은, 전기 바이크 또는 전기 차량과 같은 전기 이동수단에 장착될 때, 지면에 대해 경사지도록 배치될 수 있으며, 지면 상을 주행하는 전기 이동수단과 함께, 기울어진 상태로 이동함으로써, 케이스(180)의 바닥면(B)을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름을 유도할 수 있고, 케이스(180)의 바닥면(B)에 형성된 외부 냉각판(130)은 케이스(180)의 바닥면(B)을 향하여 유입되는 공기 흐름을 통하여 강제 대류 방식으로 냉각될 수 있다. 참고로, 지면이란 중력 방향과 수직한 수평면을 의미할 수 있다.

외부 냉각판(130)을 향하여 나란하게 유입되는 공기 흐름은, 외부 냉각판(130)을 따라 상부 위치로부터 하부 위치를 향하는 제1 방향(Z1)으로 하강하면서 외부 냉각판(130)과 열교환을 수행할 수 있다. 이때, 외부 냉각판(130)과의 열교환을 통하여 제1 방향(Z1)을 따라 상부 위치에서 하부 위치로 하강하면서 공기의 온도가 상승할 수 있고, 하부 위치에서는 고온의 공기에 의해 냉각 효율이 떨어질 수 있으나 외부 냉각판(130)을 향하여 나란하게 유입되는 저온의 공기에 의해 외부 냉각판(130)의 하부 위치에서도 동등한 냉각 효율을 유지할 수 있으며, 제1 방향(Z1)을 따라 상부 위치로부터 하부 위치로 내려오는 고온의 공기와 하부 위치를 향하여 외부로부터 직접 유입되는 저온의 공기가 혼합되면서 온도의 상승이 차단됨과 동시에, 고온의 공기와 저온의 공기가 만나면서 공기의 밀도가 높아지면서 냉각 효율이 향상됨으로써, 전체적으로 제1 방향(Z1)을 따라 외부 냉각판(130)의 상부 위치로부터 하부 위치에 이르기까지 전반적으로 균등한 냉각 효율을 유지할 수 있다. 이때, 상기 외부 냉각판(130)은, 전력 변환 모듈(CCM)과 배터리 모듈(BM)을 가로질러 연장될 수 있으며, 외부 냉각판(130)을 통하여 전력 변환 모듈(CCM, 특히 발열 회로 150)와 배터리 모듈(BM)이 함께 냉각될 수 있다.

이와 같이, 전기 이동수단의 주행 중에, 그러니까, 전기 이동수단의 구동동력을 제공하도록 배터리 모듈(BM)이 방전 중일 때에는, 전기 이동수단과 함께 이동하는 공냉식 열관리 시스템을 향하여 대향류의 공기 흐름이 발생되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(BM)의 방전시 전기 이동수단의 주행을 이용하는 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)를 제공할 수 있다. 이때, 대향류의 공기 흐름은, 외부 냉각판의 상부 위치로부터 하부 위치까지 나란하게 유입될 수 있고, 상부 위치로 유입된 공기 흐름은 외부 냉각판의 상부 위치로부터 하부 위치로 제1 방향(Z1)을 따라 하강하면서 외부로부터 유입되는 대향류의 공기 흐름과 혼합될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(BM)의 충전 중에, 그러니까, 전기 이동수단의 정지 상태에서는, 전기 이동수단의 주행에 따른 대향류의 공기 흐름이 형성되지 않으므로, 송풍기(100)의 가동으로 전체 시스템을 냉각할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(BM)의 충전시에는 송풍기(100)의 가동에 따른 충전 냉각 모드를 제공할 수 있다. 이때, 충전 냉각 모드에서 송풍기(100)의 가동에 따라 발생되는 공기 흐름은 외부 냉각판(130)의 하부 위치로부터 상부 위치를 향하여 제2 방향(Z2)을 따라 상승할 수 있다. 즉, 상기 외부 냉각판(130)을 흐르는 공기 흐름은, 배터리 모듈(BM)의 방전시(도 2의 방전 냉각 모드)와 충전시(도 3의 충전 냉각 모드)에서, 서로 반대되는 제1, 제2 방향(Z1,Z2)으로 반전될 수 있다. 참고로, 외부 냉각판(130)의 상부 위치 및 하부 위치란, 지면에 수직한 방향 또는 중력 방향을 기준으로 할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 케이스(180) 내부에는 배터리 모듈(BM)이 수용될 수 있다. 상기 배터리 모듈(BM)은, 고전압의 전력이 저장되는 개소로서, 적어도 하나 이상 다수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 배터리 셀은 각각 서로 다른 극성의 제1, 제2 전극판과, 상기 제1, 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함할 수 있으며, 이들 제1, 제2 전극판과 세퍼레이터가 서로에 대해 적층되거나 또는 롤 형태로 권취된 형태의 전극 조립체(미도시)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 모듈(BM)은 고출력 고용량의 출력을 제공하도록 서로 전기적으로 연결된 다수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

상기 케이스(180) 내에는 배터리 모듈(BM)과 함께 전력 변환 모듈(CCM)이 수용될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)은 각각 케이스(180)의 서로 반대되는 일 측 및 타 측에 배치될 수 있으며, 격벽(181)에 의해 분리된 서로 다른 공간 내에 수용될 수 있다. 상기 전력 변환 모듈(CCM)은, 배터리 모듈(BM)의 방전시, 배터리 모듈(BM)로부터 출력되는 전력을 전기 이동수단의 모터(미도시) 또는 전기 이동수단의 전장부품(미도시)에서 받아들일 수 있는 적정한 형태의 DC 전력 또는 AC 전력으로 변환하여 구동동력으로 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환 모듈(CCM)은 배터리 모듈(BM)로부터 출력되는 DC 전력을 상대적으로 낮은 전압의 DC 전력으로 전압 강하시키기 위한 벅(buck) 타입의 DC-DC 컨버터로 기능할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 전력 변환 모듈(CCM)은, 배터리 모듈(BM)로부터 출력되는 DC 전력을 상대적으로 높은 전압의 DC 전력으로 승압하기 위한 부스터(booster) 타입의 DC-DC 컨버터로 기능하거나 또는 배터리 모듈(BM)로부터 출력되는 DC 전력을 3상의 AC 전력으로 변환하기 위한 인버터(inverter) 등으로 기능할 수도 있다. 또한, 상기 전력 변환 모듈(CCM)은, 배터리 모듈(BM)의 충전시, 외부로부터 제공되는 AC 전력을 배터리 모듈(BM)에 저장되는 고전압의 DC 전력으로 변환하기 위한 AC-DC 컨버터로 기능할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환 모듈(CCM)은 가정용 AC 전원을 배터리 모듈(BM)에 저장되는 고전압의 DC 전력으로 변환할 수 있다.

상기 전력 변환 모듈(CCM)은, 충전 회로와 방전 회로를 하나로 통합한 CCM(Charger Converter Module)에 해당될 수 있으며, 배터리 모듈(BM)의 충, 방전시에 모두 동작할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시형태에서는 전력 변환 모듈(CCM)의 냉각을 위하여, 충전시와 방전시에 각각 서로 다른 충전 냉각 모드와 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)를 제공할 수 있다. 본 발명에서는 충전 회로와 방전 회로를 하나로 통합한 CCM(Charger Converter Module) 형태의 전력 변환 모듈(CCM)에 대응되는 통합된 형태의 열관리 시스템을 제공함으로써, 충전기용 방열 시스템과 방전기용 방열 시스템이 별도로 유지 관리되는 것이 아니라, 하나로 통합되어 컴팩트화된 열관리 시스템이 제공될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 열관리 시스템에서는 충전 회로와 방전 회로를 하나로 통합한 CCM(Charger Converter Module) 형태의 전력 변환 모듈(CCM)은 물론이고, 배터리 모듈(BM)도 함께 냉각시킴으로써, 충전기용 방열 시스템과, 방전기용 방열 시스템과, 배터리용 방열 시스템이 하나로 통합된 열관리 시스템이 제공될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 전력 변환 모듈(CCM)은, 전력 변환 모듈(CCM) 내에 구비되는 내부 구성들에 대한 지지 기반을 제공하는 회로기판(105)과, 상기 회로기판(105) 상에 배치된 발열 회로(150)와, 상기 회로기판(105) 상에 배치되어 발열 회로(150)에 대한 냉각을 제공하기 위한 송풍기(100)와, 상기 송풍기(100)의 유로 상에 배치된 내부 냉각판(110)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전력 변환 모듈(CCM)은, 전력 변환 모듈(CCM)을 가로질러 연장되면서 송풍기(100)로부터 강제된 공기 흐름의 유로를 형성하는 덕트(101)를 포함할 수 있다. 참고로, 도 1에 도시된 실시형태에서, 회로기판(150)은 덕트(101)와 같이 송풍기(100)의 유로를 제공하는 역할을 할 수 있고, 덕트(101)와 함께 덕트(101)의 일부를 대신하여 송풍기(100)의 유로를 제공할 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시형태에서 상기 회로기판(150)은 송풍기(100)의 유로를 제공하는 덕트(101) 내부에 배치될 수 있고, 상기 덕트(101)는 회로기판(150)의 제1, 제2 면(S1,S2)을 가로질러 연장될 수 있다.

상기 회로기판(105)은 전력 변환 모듈(CCM)에 구비되는 부품들의 지지 기반을 제공할 수 있으며, 서로 반대되는 제1, 제2 면(S1,S2)의 양면을 통하여 부품들을 지지해줄 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 회로기판(105)은, 서로 반대되는 제1, 제2 면(S1,S2)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 면(S1) 상에는 송풍기(100)와 내부 냉각판(110)이 배치될 수 있고, 상기 제2 면(S2) 상에는 발열 회로(150)가 배치될 수 있다. 이때, 회로기판(105)의 제1 면(S1) 상에 배치되는 내부 냉각판(110)과 회로기판(105)의 제2 면(S2) 상에 배치되는 발열 회로(150)는 적어도 일부에서 서로 겹치는 위치에 배치될 수 있다. 상기 내부 냉각판(110)은 금속블록 상에 다수의 냉각핀(111)이 돌출 형성된 형태로 형성될 수 있다. 한편, 상기 회로기판(105)의 제1 면(S1) 상에는 송풍기(100) 및 내부 냉각판(110) 외에, 전력 변환 모듈(CCM)에 구비되는 각종 회로소자들이 배치될 수 있다.

상기 발열 회로(150)는 전력 변환 모듈(CCM) 내에 구비되는 부품 중에서 상대적으로 발열이 집중되는 발열 부품을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 전력 변환 모듈(CCM) 내에 구비되는 스위치 소자를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발열 회로(150)는 고속 스위칭 동작이 가능한 질화갈륨(GaN) 기반의 고 전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor, GaN-HEMT)를 포함할 수 있다.

상기 발열 회로(150)에 구비된 스위치 소자는 턴-온/턴-오프 동작을 반복하면서 집중적인 발열로 온도가 상승할 수 있으며, 적정한 스위칭 동작이 구현되도록 발열 회로(150)에 대한 집중적인 냉각이 바람직하다. 발열 회로(150)의 냉각에 대해 보다 구체적으로 설명하면 이하와 같다.

상기 발열 회로(150)는 회로기판(105)을 통하여 내부 냉각판(110)과 열적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 발열 회로(150)는 회로기판(105)의 제2 면(S2) 상에 배치될 수 있으며, 회로기판(105)의 제1 면(S1) 상에 배치된 내부 냉각판(110)과 적어도 일부에서 서로 겹치는 위치에 배치될 수 있다. 상기 내부 냉각판(110)은, 회로기판(105)의 제1 면(S1) 상에서 송풍기(100)의 유로 상에 배치되어, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름에 의해 강제 대류 방식으로 냉각될 수 있다. 그리고, 강제 대류 방식으로 냉각되는 내부 냉각판(110)을 통하여 발열 회로(150)에서 발생되는 열을 송풍기(100)의 공기 흐름을 통하여 소산시킬 수 있다.

상기 발열 회로(150)의 배치에 대해, 상기 발열 회로(150)는 회로기판(105)의 제2 면(S2) 상에 배치되면서 회로기판(105)과 케이스(180)의 바닥면(B) 사이에 배치될 수 있다. 상기 발열 회로(150)는 회로기판(105)의 내부 냉각판(110)과 케이스(180)의 외부 냉각판(130) 사이에 개재됨으로써, 내부 냉각판(110)과 외부 냉각판(130)을 통하여 이중으로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열 회로(150)는 회로기판(105)을 통하여 제1 면(S1) 측의 내부 냉각판(110)과 열적으로 연결될 수 있으며, 케이스(180)의 바닥면(B)을 통하여 외부 냉각판(130)과 열적으로 연결될 수 있다. 상기 발열 회로(150)는 양편으로 배치된 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)에 둘러싸이도록 배치되면서 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)에 의해 이중으로 냉각될 수 있고, 각각의 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)은 적어도 일부에서 발열 회로(150)와 겹치는 위치에 배치될 수 있다.

상기 발열 회로(150)의 냉각 효율을 높이기 위하여, 상기 발열 회로(150)는, 회로기판(105)에 접촉하도록 배치되어 내부 냉각판(110)과의 열적인 연결을 강화시킬 수 있으며, 케이스(180)의 바닥면(B)에 접촉하도록 배치되어 외부 냉각판(130)과의 열적인 연결을 강화시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발열 회로(150)는 케이스(180)의 바닥면(B)에 접촉될 수 있으며, 케이스(180)의 바닥면(B)과 일체로 형성된 외부 냉각판(130)을 통하여 효과적으로 냉각될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은 1차적으로 내부 냉각판(110)을 경유하면서 발열 회로(150)를 냉각시킬 수 있으며, 2차적으로 외부 냉각판(130)을 경유하면서 발열 회로(150)를 냉각시킬 수 있다. 즉, 상기 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)은 모두 송풍기(100)의 유로 상에 놓일 수 있다. 보다 구체적으로, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은, 덕트(101)를 따라 제1 방향(Z1)으로 이동하면서 내부 냉각판(110)과 열 교환을 수행하며, 덕트(101)의 일단을 형성하는 차단벽(102)에 의해 공기 흐름의 방향이 바뀌고 압력의 상승에 따라 개방된 개폐 날개(121, 또는 케이스 180의 바닥면 B에 형성된 개구 120)를 통하여 외부로 유출되며, 차단벽(102)과 개폐 날개(121, 또는 케이스 180의 바닥면 B에 형성된 개구 120)를 통하여 공기 흐름이 U-턴 형태로 반전되면서 제2 방향(Z2)을 따라 이동하며 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행할 수 있다. 이와 같이, 발열 회로(150)의 양편으로 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)을 배치하고 U-턴 형태의 공기 흐름을 통하여 발열 회로(150)를 이중으로 냉각시킴으로써, 공기의 흐름을 형성하는 유로 길이를 단축시킬 수 있고, 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다.

상기 개폐 날개(121)에 의해 개방된 개구(120)를 통하여 외부로 유출된 공기 흐름은, 내부 냉각판(110)과의 열 교환을 통하여 외부의 대기보다 고온으로 가열된 상태이므로, 부력에 의해 외부 냉각판(130)을 따라 제2 방향(Z2)으로 상승하면서 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 케이스(180)의 바닥면(B)은 지면에 대해 경사지게 기울어진 형태로 배치될 수 있으며, 이에 따라, 케이스(180)의 바닥면(B)은 상대적으로 상부 위치와 하부 위치를 포함할 수 있는데, 상기 개구(120)는 케이스(180)의 바닥면(B) 중에서 하부 위치에 형성될 수 있으며, 개구(120)를 통하여 외부로 유출된 공기 흐름은 외부 냉각판(130)을 따라 제2 방향(Z2)으로 이동하면서 하부 위치로부터 상부 위치로 부력의 영향으로 상승하면서 유동할 수 있다. 이때, 상기 외부 냉각판(130)은 전력 변환 모듈(CCM)과 배터리 모듈(BM)을 가로질러 연장될 수 있으며, 외부 냉각판(130)을 통하여 전력 변환 모듈(CCM 특히 발열 회로150)와 배터리 모듈(BM)이 함께 냉각될 수 있다.

상기 개구(120)를 통하여 외부로 유출된 공기 흐름은 송풍기(100)의 압력과 함께, 부력의 영향으로 외부 냉각판(130)을 따라 제2 방향(Z2)으로 상승할 수 있다. 이때, 제2 방향(Z2)을 따라 유동하며 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행하는 공기 흐름은, 외부의 대기 보다 고온으로 상승한 상태라고 하더라도, 송풍기(100)의 압력 및 부력에 의해 외부 대기 보다 고속으로 유동하므로, 외부 냉각판(130)을 충분히 냉각시킬 수 있다.

송풍기(100)에 의한 공기 흐름은 덕트(101)의 일단에서 차단벽(102)과 개폐 날개(121 또는 케이스 180의 바닥면 B에 형성된 개구 120)를 통하여 제1 방향(Z1)으로부터 제2 방향(Z2)으로 반전되면서 발열 회로(150)를 둘러싸도록 U-턴 형태로 유동할 수 있고, 발열 회로(150)의 양편으로 배치된 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)을 경유하면서 이중으로 발열 회로(150)를 냉각시킬 수 있다.

상기 차단벽(102)은 덕트(101)의 일단을 형성할 수 있고 덕트(101)의 일단에서 폐쇄된 형태의 벽체를 형성함으로써, 덕트(101)를 따라 제1 방향(Z1)으로 이동하던 공기 흐름을 반전시킬 수 있다. 상기 차단벽(102)과 이웃한 케이스(180)의 바닥면(B)에는 개구(120)가 형성될 수 있다. 상기 개구(120)는, 케이스(180)의 내외부를 연통시키는 것으로, 송풍기(100)의 유로를 따라 내부 냉각판(110)과 외부 냉각판(130) 사이에 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 개구(120) 대신에, 노즐부(220, 도 5 참조)가 형성될 수도 있으며, 상기 개구(120) 및 노즐부(220)는 모두 케이스(180)의 내외부를 연통시키는 것으로, 송풍기(100)의 유로를 따라 내부 냉각판(110)과 외부 냉각판(130) 사이에 형성될 수 있다.

상기 개구(120)의 주변에는, 덕트(101) 내부의 압력에 따라 개구(120)를 개폐하도록 회동 가능하게 설치된 개폐 날개(121)가 형성될 수 있다. 상기 개폐 날개(121)는 개구(120)의 폐쇄 위치를 향하여 바이어스 되어 있을 수 있고, 덕트(101) 내부의 압력이 상승하면 개방 위치로 선회될 수 있다. 이를 위해, 상기 개폐 날개(121)의 회전축에는 코일 스프링(미도시)이 설치되어, 개폐 날개(121)를 폐쇄 위치로 탄성 바이어스 시킬 수 있다. 상기 개폐 날개(121)는 개구(120)를 폐쇄하고 있다가 송풍기(100)의 작동에 따라 덕트(101)의 내부 압력이 상승하면서 개구(120)를 개방할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 공냉식 열관리 시스템은, 송풍기(100)의 가동 유무 및 회전 속도를 제어하기 위한 제어부(MCU)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(MCU)는 송풍기(100)의 회전 속도를 제어함으로써, 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행하는 공기의 유량을 제어할 수 있다. 상기 제어부(MCU)는 발열 회로(150)의 온도에 따라 송풍기(100)의 회전속도를 가속 또는 감속시킴으로써, 발열 회로(150)의 온도 상승에 적응적으로 공기의 유량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(MCU)는 발열 회로(150)의 온도를 실시간으로 측정하고, 발열 회로(150)의 온도 신호에 대응되는 PWM 제어 신호(PWM)를 송풍기(100)의 모터로 출력함으로써, 송풍기(100)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부(MCU, 도 4 참조)는, 발열 회로(150)의 온도뿐만 아니라, 내부 냉각판(110) 및/또는 외부 냉각판(130)을 흐르는 공기 흐름의 온도를 측정하고, 측정된 결과를 참조하여 송풍기(100)의 가동 유무 및 송풍기(100)의 회전 속도를 제어할 수 있다.

도 5 및 도 6에는 도 3의 변형된 실시형태를 도시한 도면으로, 각각 공냉식 열관리 시스템의 측면 및 바닥면(B)을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 7에는 도 6에 도시된 노즐부(220)의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도면들을 참조하면, 상기 케이스(180)의 바닥면(B)에는 외부 냉각판(130)을 향하여 공기를 분출시키는 노즐부(220)가 형성될 수 있다. 상기 노즐부(220)는 송풍기(100)의 가동에 따라 강제된 공기 흐름이 외부 냉각판(130)을 향하여 분출되는 개소로서, 도 3에 도시된 실시형태에서 송풍기(100)의 공기 흐름을 외부로 유출시키는 개구(120) 대신에, 보다 고속의 제트류 형태로 공기 흐름을 분출시키기 위한 목적으로, 본 실시형태에서는 노즐 슬릿(220`)이 형성된 노즐부(220)가 형성될 수 있다. 즉, 도 3의 실시형태에서, 케이스(180)의 바닥면(B)에 형성된 개구(120) 및 도 5의 실시형태에서 케이스(180)의 바닥면(B)에 형성된 노즐부(220)는 모두 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름을 외부로 유출시킴으로써, 외부 냉각판(130)과의 열 교환을 수행하는 공기 흐름을 생성하기 위한 구조이나, 본 실시형태에서는, 외부 냉각판(130)에 대한 열 교환 효율을 보다 증진시키기 위한 목적으로, 외부 냉각판(130)을 향하는 고속의 제트류 형태로 공기 흐름을 분출하기 위하여 노즐 슬릿(220`)이 형성된 노즐부(220)를 형성할 수 있다.

노즐부(220)의 선단 위치에는 노즐 슬릿(220`)이 형성될 수 있으며, 상기 노즐 슬릿(220`)은 공기의 유출 면적을 제한함으로써, 공기의 유출 속도를 증대시키고 고속의 제트류를 형성하는 역할을 할 수 있다. 상기 노즐 슬릿(220`)은 고속의 제트류를 형성하고, 고속의 제트류에 수반하여 노즐부(220)의 선단 부근에 대기 압력 보다 낮은 음 압력이 형성될 수 있다. 이때, 주변의 공기가 음압에 의해 흡입되면서 송풍기(100)에 의한 공기 흐름에 더하여 외부 냉각판(130)을 향하는 추가적인 유동을 생성할 수 있다. 즉, 본 실시형태에서, 외부 냉각판(130)을 따라 제2 방향(Z2)으로 유동하면서 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행하는 공기 흐름은, 노즐부(220)에 의해 고속의 제트류로 분출되는 제1 공기 흐름(F1)과, 제1 공기 흐름(F1)에 의해 형성된 음압에 의해 주변 공기가 흡입되면서 유도된 제2 공기 흐름(F2)을 포함할 수 있으며, 여기서, 제1 공기 흐름(F1)은 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름 또는 케이스(180)의 내부로부터 분출되는 공기 흐름에 해당될 수 있고, 제2 공기 흐름(F2)은 케이스(180)의 외부에서 제1 공기 흐름(F1)에 의해 유도된 공기 흐름에 해당될 수 있다. 이때, 상기 제2 공기 흐름(F2)은 케이스(180) 외부에 있던 상대적으로 낮은 저온의 공기에 해당되므로, 케이스(180) 내부에서 내부 냉각판(110)과의 열 교환에 의해 가열된 고온의 제1 공기 흐름(F1)과 혼합되면서 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행하는 공기의 온도를 떨어뜨릴 수 있고, 냉각 효율을 높일 수 있다.

상기 노즐부(220)는 공기의 분출 방향(제2 방향 Z2)을 따라 길게 연장된 이등변 삼각형 형태로 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상대적으로 길게 연장되는 경사부(221)의 쌍과 상기 경사부(221)의 쌍을 연결하는 하나의 연결부(225)를 갖는 이등변 삼각형 형태로 형성될 수 있다.

상기 경사부(221)의 쌍은 공기의 분출 방향(제2 방향 Z2)을 따라 서로에 대해 접근하도록 비스듬하게 경사진 형태로 형성될 수 있다. 상기 노즐부(220)의 선단에는 노즐 슬릿(220`)이 형성될 수 있으며, 노즐부(220)의 경사부(221)는 제1 공기 흐름(F1)에 의해 형성된 음압의 영향으로 주변의 공기가 흡입되면서 유도된 제2 공기 흐름(F2)을 제2 방향(Z2)을 향하여 자연스럽게 안내하는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 경사부(221)의 쌍이 향하는 정점(A, 노즐 슬릿 220`에 해당됨)은 외부 냉각판(130) 중 서로 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격을 지향할 수 있으며, 상기 경사부(221)의 쌍이 향하는 정점(A, 노즐 슬릿 220`에 해당됨)이 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격을 지향하도록 노즐부(220)와 냉각핀(131)은 서로 엇갈리는 위치에 배치될 수 있다. 즉, 상기 노즐부(220)는 외부 냉각판(130) 중 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격에 대응되는 위치에 형성될 수 있고, 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격 마다 하나씩 대응되도록 다수의 노즐부(220)를 포함할 수 있다. 이때, 다수의 노즐부(220)와 다수의 냉각핀(131)은 서로 엇갈리는 위치에 배치될 수 있다.

상기 노즐부(220)의 경사부(221)는 사선 방향으로 연장되는 직선상으로 형성될 수도 있으나, 오목하거나 또는 볼록하게 라운드진 형태로 변형될 수도 있으며, 제2 공기 흐름(F2)이 자연스럽게 안내될 수 있도록 형성될 수 있다. 상기 노즐부(220)는 상대적으로 길게 연장되는 경사부(221)의 쌍과 상기 경사부(221)의 쌍 사이에서 상대적으로 짧게 연장되는 연결부(225)를 포함할 수 있다. 상대적으로 길게 형성된 경사부(221)를 통하여 제2 공기 흐름(F2)이 자연스럽게 제1 공기 흐름(F1)과 혼합되면서 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격으로 안내되도록 하고, 경사부(221)의 쌍 사이의 연결부(225)를 상대적으로 짧게 형성함으로써, 제2 공기 흐름(F2)이 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격으로 원활하게 유입되도록 할 수 있다.

도 8에는 도 7에 도시된 노즐부(220)의 변형된 실시형태를 도시한 도면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 상기 노즐부(320)는 공기의 분출 방향(제2 방향, Z2)을 따라 길게 연장된 이등변 삼각형 형태로 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상대적으로 길게 연장되는 경사부(321)의 쌍과, 상기 경사부(321)의 쌍 사이의 내측을 가로질러 연장되면서 경사부(321)의 쌍 외측에서 경사부(321)와 나란하게 연장되면서 노즐 슬릿(320`)을 형성하는 종단부(325)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 종단부(325)는, 한 쌍의 경사부(321) 사이의 내측을 가로질러 연장되는 벽부(325a)와, 상기 벽부(325a)의 양단으로부터 경사부(321)와 나란하게 연장되어 경사부(321)와의 사이에 노즐 슬릿(320`)을 형성하도록 경사부(321)로부터 외측으로 이격된 위치에 형성된 한 쌍의 날개부(325b)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 노즐 슬릿(320`)은 각각의 날개부(325b)와 경사부(321) 사이에서 쌍을 이루어 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 경사부(321) 사이로부터 유출되는 공기의 흐름은, 종단부(325)의 벽부(325a)에 의해 가로막히면서 유동 방향이 전환되어 종단부(325)의 날개부(325b)와 경사부(321) 사이에 형성된 협소한 유출 면적의 노즐 슬릿(320`)을 통과하면서 고속의 제트류로 분출될 수 있다. 도 6을 참조하여 설명된 바와 같이, 본 실시형태에서도 고속의 제트류로 분출된 제1 공기 흐름(F1)에 더하여, 제1 공기 흐름(F1)으로 형성된 음압에 의해 주변의 공기가 흡입되면서 경사부(221)를 따라 제2 공기 흐름(F2)이 유도될 수 있다. 본 실시형태의 노즐부(320)에서는 한 쌍의 경사부(321) 사이로부터 제1 방향(Z1)을 따라 공기의 흐름이 분출되다가 종단부(325)의 벽부(325a)에 의해 유동 방향이 반전되면서 종단부(325)의 날개부(325b)와 경사부(321) 사이의 노즐 슬릿(220`)을 통하여 제2 방향(Z2)으로 고속의 제트류가 형성될 수 있다. 한편, 도 6을 참조하여 설명된 바와 같이, 본 실시형태에서도 경사부(321)의 쌍이 향하는 정점(A)이, 외부 냉각판(130) 중 서로 이웃한 냉각핀(131) 사이의 간격을 지향하도록 노즐부(320)와 냉각핀(131)이 서로 엇갈리는 위치에 배치될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)에는 송풍기(100)의 유로를 제공하는 덕트(101)가 형성될 수 있으며, 상기 덕트(101)는 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 가로질러 연장될 수 있다. 그리고, 상기 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM) 사이에는 유량 조절 밸브(185)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유량 조절 밸브(185)는 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 가로질러 연장되는 덕트(101) 내에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM) 사이에는 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)이 수용되는 공간을 분리하는 격벽(181)이 형성될 수 있으며, 상기 격벽(181)에 상기 유량 조절 밸브(185)가 형성될 수 있다.

상기 유량 조절 밸브(185)는, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름을 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)로 배분하는 역할을 할 수 있다. 송풍기(100)의 작동에 따라, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은, 유량 조절 밸브(185)를 통하여 배터리 모듈(BM) 측으로 유입될 수 있으며, 배터리 모듈(BM)을 냉각시킬 수 있다. 이때, 상기 유량 조절 밸브(185)의 개도를 조절함으로써, 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM) 사이에서 이들 양측으로 분기되는 유량 비율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)의 온도에 따라 유량 조절 밸브(185)의 개도를 조절할 수 있으며, 배터리 모듈(BM)과 전력 변환 모듈(CCM)을 균형적으로 냉각시킬 수 있다.

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서는 배터리 모듈(BM)의 충전시와 배터리 모듈(BM)의 방전시에 각각 서로 다른 충전 냉각 모드와 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)를 제공할 수 있으며, 충전시의 상항과 방전시의 상황에 각각 적합한 서로 다른 충전 냉각 모드와 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)로 전력 변환 모듈(CCM)의 발열 회로(150)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 이하에서는 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 냉각 모드와 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)에 대해 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 배터리 모듈(BM)의 충전시에는, 공냉식 열관리 시스템이 장착된 전기 이동수단(전기 바이크 또는 전기 차량)이 주행하지 않는 정지된 상태에서 충전이 이루어지므로, 전기 이동수단과 함께 공냉식 열관리 시스템의 이동에 따라 발생되는 공기 흐름을 이용하여 냉각이 이루어지기 어렵다. 이에 따라, 배터리 모듈(BM)의 충전시에는 송풍기(100)의 작동에 따른 냉각이 이루어질 수 있다(충전 냉각 모드). 이때, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은, 발열 회로(150)의 양편에 배치된 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)을 따라 이동하면서 열 교환을 수행할 수 있고, 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)은 송풍기(100)의 공기 흐름에 의해 강제 대류 방식으로 냉각될 수 있다. 이때, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은, 내부 냉각판(110) 및 외부 냉각판(130)을 따라 제1 방향(Z1) 및 제2 방향(Z2)으로 유동하도록 유동 방향이 U-턴 형태로 반전될 수 있으며, 제1 방향(Z1)을 따라 내부 냉각판(110)을 경유하고 덕트(101)의 차단벽(102)에 의해 방향이 반전된 공기 흐름은 케이스(180)의 바닥면(B)에 형성된 개구(120)를 통하여 외부로 유출되거나 케이스(180)의 바닥면(B)에 형성된 노즐부(220, 도 5)를 통하여 외부로 분출된 후, 제2 방향(Z2)을 따라 외부 냉각판(130)을 경유할 수 있다. 이때, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은 제2 방향(Z2)을 따라 외부 냉각판(130)과 열 교환을 수행하면서 전력 변환 모듈(CCM)뿐 만이 아니라, 배터리 모듈(BM)을 함께 냉각시킬 수 있다. 또한, 송풍기(100)에 의해 강제된 공기 흐름은, 전력 변환 모듈(CCM)과 배터리 모듈(BM) 사이의 유량 조절 밸브(185)를 통하여 배터리 모듈(BM)로 유입될 수 있고, 배터리 모듈(BM)을 냉각시킬 수 있다. 이와 같이, 송풍기(100)의 작동에 의해 발생된 공기 흐름은, 전력 변환 모듈(CCM)과 함께, 배터리 모듈(BM)을 함께 냉각시킬 수 있다. 배터리 모듈(BM)의 충전시, 전력 변환 모듈(CCM)에 의해 변환된 고전압의 DC 전력이 배터리 모듈(BM)에 충전되면서 배터리 모듈(BM)에서 발열이 일어날 수 있으므로, 전력 변환 모듈(CCM)과 배터리 모듈(BM)을 함께 냉각시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 배터리 모듈(BM)의 충전시에, 송풍기(100)의 작동 없이, 저온의 외부 대기에 의한 자연 대류 방식으로 발열 회로(150)를 냉각시킬 수도 있다(충전 냉각 모드). 이때, 송풍기(100)의 가동 유무나 회전 속도는, 제어부(MCU, 도 4 참조)에 의해 제어될 수 있으며, 상기 제어부(MCU, 도 4 참조)는 발열 회로(150)의 온도, 내부 냉각판(110) 및/또는 외부 냉각판(130)을 흐르는 공기 흐름의 온도를 실시간으로 측정하고, 측정된 온도 신호에 따라 송풍기(100)의 모터에 대해 PWM 제어 신호(PWM, 도 4 참조)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(MCU, 도 4 참조)는, 발열 회로(150)의 온도가 사전에 설정된 온도 보다 낮을 때, 예를 들어, 발열 회로(150)의 온도가 허용 범위 내로 유지될 때에는 송풍기(100)를 가동하지 않을 수 있으며, 이 경우, 저온의 외부 대기와 접촉하는 외부 냉각판(130)은 자연 대류 방식으로 냉각되면서 발열 회로(150)의 열을 소산시킬 수 있다. 내부 냉각판(110)도 송풍기(100)에 의한 강제적인 공기 흐름이 아니고 자연 대류 방식으로 냉각될 수 있고, 내부 냉각판(110)과 외부 냉각판(130)을 통하여 발열 회로(150)의 열을 소산시킬 수 있다.

도 2를 참조하면, 배터리 모듈(BM)의 방전시에는, 공냉식 열관리 시스템이 장착된 전기 이동수단(전기 바이크 또는 전기 차량)이 주행하는 상태에서 전기 이동수단의 구동동력을 제공하기 위하여 배터리 모듈(BM)이 방전되므로, 전기 이동수단과 함께 공냉식 열관리 시스템의 이동에 따라 공냉식 열관리 시스템을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름을 이용하여 냉각이 이루어질 수 있다(방전 냉각 모드 또는 운전 냉각 모드). 예를 들어, 상기 공냉식 열관리 시스템은 지면에 대해 경사지도록 배치될 수 있으며, 지면 상을 주행하는 전기 이동수단과 함께, 기울어진 상태로 이동함으로써, 케이스(180)의 바닥면(B)을 향하여 유입되는 공기 흐름을 유도할 수 있고, 케이스(180)의 바닥면(B)에 형성된 외부 냉각판(130)은 케이스(180)의 바닥면(B)을 향하여 유입되는 공기 흐름을 통하여 강제 대류 방식으로 냉각될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는, 배터리 모듈(BM)의 방전시에는 송풍기(100)를 작동하지 않고, 주행중의 전기 이동수단과 함께 이동하면서 공냉식 열관리 시스템을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름을 이용함으로써, 송풍기(100)의 동작을 위한 전력 소모를 줄일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는 배터리 모듈(BM)의 충전시와 배터리 모듈(BM)의 방전시에 각각 서로 다른 충전 냉각 모드와 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)를 제공할 수 있으며, 이러한 충전 냉각 모드 및 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)의 수행은, 제어부(MCU, 도 4 참조)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(MCU, 도 4 참조)는 배터리 모듈(BM)의 충, 방전 동작에 따라, 송풍기(100)의 가동을 온/오프 시키도록 적정의 제어 신호를 출력함으로써, 충전 냉각 모드 또는 방전 냉각 모드(또는 운전 냉각 모드)가 수행되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(MCU, 도 4 참조)는, 전기 이동수단의 충전시에는 송풍기(100)를 가동하되(충전 냉각 모드), 방전시에는 송풍기(100)를 가동하지 않을 수 있다(방전 냉각 모드 또는 운전 냉각 모드).

상기 제어부(MCU, 도 4 참조)는, 배터리 모듈(BM)의 충, 방전 동작에 따라, 그리고, 발열 회로(150)의 온도, 내부 냉각판(110) 및/또는 외부 냉각판(130)을 흐르는 공기 흐름의 온도에 따라, 송풍기(100)의 가동 여부 및 송풍기(100)의 회전 속도를 결정할 수 있고, 송풍기(100)의 가동을 온/오프 하도록 제어할 수 있고, 적정의 PWM 제어 신호(PWM, 도 4 참조)를 출력함으로써 송풍기(100)의 회전 속도를 제어할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

BM: 배터리 모듈 CCM: 전력 변환 모듈
MCU: 제어부 100: 송풍기
101: 덕트 102: 차단벽
105: 회로기판 110: 내부 냉각판
120: 개구 121: 개폐 날개
130: 외부 냉각판 150: 발열회로
180: 케이스 181: 격벽
185: 유량 조절 밸브 220,320: 노즐부
B: 케이스의 바닥면 S1,S2: 회로기판의 제1, 제2 면

Claims (24)

1. 저장된 전력을 전기 이동수단의 구동전원으로 공급하는 배터리 모듈;
   상기 배터리 모듈의 충, 방전 경로에 연결된 전력 변환 모듈로서, 발열 회로와, 상기 발열 회로의 냉각을 위한 송풍기와, 송풍기의 유로 상에 형성된 내부 냉각판을 포함하는 전력 변환 모듈; 및
   상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈을 수용하는 것으로, 상기 송풍기의 유로 상에 형성된 외부 냉각판을 구비하는 케이스;를 포함하며,
   상기 외부 냉각판은, 상기 케이스의 바닥면에 형성되어 외부 대기와 접촉하고,
   상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은, 내부 냉각판을 따라 제1 방향으로 유동하다가 차단벽을 통하여 유동 방향이 전환되면서 케이스 외부로 유출되어 외부 냉각판을 따라 제2 방향으로 유동하고,
   상기 제1, 제2 방향은, 상기 케이스의 바닥면에 나란하되 서로 반대 방향이며,
   상기 케이스의 바닥면은, 지면에 대해 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부 냉각판 및 외부 냉각판은, 각각 상기 발열 회로와 적어도 일부에서 겹쳐지는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈은 각각 케이스의 서로 반대되는 일 측 및 타 측에 배치되며,
   상기 외부 냉각판은, 배터리 모듈 및 전력 변환 모듈을 가로질러 연장되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 발열 회로는, 양편으로 배치된 내부 냉각판과 외부 냉각판에 의해 둘러싸이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 발열 회로는, 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 전력 변환 모듈은 회로기판을 더 포함하며,
   상기 회로기판의 제1 면에는 상기 송풍기 및 내부 냉각판이 배치되며,
   상기 회로기판의 제2 면에는 상기 발열 회로가 배치되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은 내부 냉각판을 따라 케이스 내부를 유동하다가 케이스 외부로 유출되어 외부 냉각판을 따라 유동하는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 케이스 내부에는 송풍기의 유로를 형성하는 덕트가 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 송풍기의 유로를 따라 내부 냉각판과 외부 냉각판 사이에는, 케이스의 내외부를 연통시키기 위한 개구 또는 노즐부가 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 개구 주변에는, 개구와 유체적으로 연결된 덕트의 압력에 따라 개구를 개폐하도록 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 선회 가능하게 설치된 개폐 날개가 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 송풍기의 가동에 따라 상기 개폐 날개는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 선회되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
12. 제9항에 있어서,
    상기 노즐부에는 유출 면적을 제한하여 고속으로 공기를 분출하기 위한 노즐 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 노즐부는, 공기의 분출 방향을 따라 서로에 대해 접근하도록 비스듬하게 경사진 경사부의 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 경사부의 쌍이 향하는 정점이, 외부 냉각판 중 서로 이웃한 냉각핀 사이의 간격을 지향하도록 냉각핀과 엇갈리는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
15. 삭제
16. 제1항에 있어서,
    상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은, 서로 반대되는 제1, 제2 방향으로 U-턴 하도록 유동하면서 발열 회로를 둘러싸며 발열 회로를 이중으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
17. 삭제
18. 삭제
19. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 바닥면에 형성된 외부 냉각판은, 중력 방향을 따라 상부 위치와 하부 위치를 포함하며,
    송풍기에 의해 강제된 공기 흐름은, 외부 냉각판을 따라 하부 위치로부터 상부 위치로 상승하는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
20. 제19항에 있어서,
    상기 외부 냉각판의 하부 위치에는, 케이스의 내외부를 연통시키기 위한 개구 또는 노즐부가 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
21. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈 사이에는, 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름을, 상기 배터리 모듈과 전력 변환 모듈로 배분하도록 개도가 조절되는 유량 조절 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
22. 제1항에 있어서,
    상기 송풍기의 가동 및 회전 속도를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 전기 이동수단의 충전시에는 송풍기를 가동하되, 방전시에는 송풍기를 가동하지 않는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
23. 제22항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전시에는, 전기 이동수단이 정지된 상태에서 상기 송풍기에 의해 강제된 공기 흐름에 의해 상기 내부 냉각판 및 외부 냉각판을 냉각시키는 충전 냉각 모드를 제공하고,
    상기 방전시에는, 전기 이동수단의 주행에 따라 상기 외부 냉각판을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름을 통하여 외부 냉각판을 냉각시키는 방전 냉각 모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.
24. 제23항에 있어서,
    상기 케이스의 바닥면에 형성된 외부 냉각판은, 중력 방향을 따라 상부 위치와 하부 위치를 포함하며,
    상기 외부 냉각판을 향하여 유입되는 대향류의 공기 흐름은, 외부 냉각판을 따라 상부 위치로부터 하부 위치까지 나란하게 유입되며,
    상부 위치로 유입된 공기 흐름은, 외부 냉각판을 따라 상부 위치부터 하부 위치로 하강하는 것을 특징으로 하는 공냉식 열관리 시스템.

Images