KR102185528B1 - 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터 - Google Patents

배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터 Download PDF

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Abstract

전기자동차 등을 위한 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터가 개시된다. 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터는, 상,하부가 개방되어 상,하부케이스에 의해 덮인 내부 공간을 가지는 납작한 사각 박스형태로 형성되며, 상기 내부 공간은 상부의 제1 영역과 하부의 제2 영역을 구비한 일체형 및 절연형 케이스와, 케이스 내의 제1 영역에 설치되는 것으로 디씨-디씨 컨버터의 동작을 제어하는 통합제어보드 및 냉각모듈을 포함하는 PCB조립체와, 케이스 내의 제2 영역에 설치되는 배터리모듈과, 배터리모듈를 PCB조립체와 전기적으로 접속하는 버스바와, 케이스의 일측 바깥면에 설치되어 PCB조립체와 전기적으로 연결되는 고압측 제1 터미널 및 저압측 제2 터미널과, PCB조립체에 구비되어 케이스의 상부케이스에 형성된 관통구멍을 통해 케이블 접속입구가 외부로 노출된 케이블 가이드를 포함한다.

Description

배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터{LOW VOLTAGE DC-DC CONVERTER WITH A BUILT-IN BATTERY}
본 발명의 실시예는 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기자동차 등의 전장부품에 대한 전력 공급을 위한 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터에 관한 것이다.
전기자동차를 구성하는 핵심부품은 에너지를 저장하는 고전압배터리, 배터리 에너지를 사용하여 차량을 구동하는 모터, 배터리 직류(direct current, DC, 디씨) 전원을 이용하여 모터를 구동하기 위한 인버터, 전장부하에 전원을 공급하는 12V배터리, 차량의 고전압을 저전압으로 감압시켜 저전압을 필요로 하는 전장부하에 전원을 공급하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter) 등으로 구성된다.
전기자동차에 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 고전압 배터리로, 모터를 구동하기 위한 인버터(DC/AC 인버터)에는 사용가능하지만, 전장부하(예, 램프류, 열선, 보기류, 소형 모터 구동 등)는 아직까지 대부분 저전압인 12V 전원을 사용하고 있어, 고전압 DC 전압을 저전압 DC 전압으로 변환하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter)가 요구된다.
또한 배터리는 고전압 DC 전압을 사용하고 있지만, 전기자동차에 사용되는 전장부하 예컨대 램프류, 열선, 보기류, 소형 모터 구동 등에는 아직까지 12V 전원을 사용하고 있다. 따라서, 이러한 저전력 전기장치에 대한 전원 공급을 위해 차량에 탑재된 고전압 DC 전압을 저전압 DC 전압으로 변환하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter)가 사용되고 있다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 배터리모듈과 DC-DC 컨버터를 일체화한 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터(low voltage DC-DC converter)(이하 '배터리 일체형 엘디씨')를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 LDC(Low voltage DC-DC Converter)와 전장부하용 리튬전지 모듈에 각각 사용되는 제어 모듈을 통합하여 소형화, 경량화 및 간소화에 의한 비용 절감에 효과적인 배터리 일체형 엘디씨를 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터(low voltage DC-DC converter, LDC)(이하 '배터리 일체형 엘디씨')는, 상,하부가 개방되어 상,하부케이스에 의해 덮인 내부 공간을 가지는 납작한 사각 박스형태로 형성되며, 상기 내부 공간은 상부의 제1 영역과 하부의 제2 영역을 구비한 일체형 및 절연형 케이스; 상기 케이스 내의 제1 영역에 설치되는 것으로, 디씨-디씨 컨버터의 동작을 제어하는 통합제어보드 및 냉각모듈을 포함하는 PCB조립체; 상기 케이스 내의 제2 영역에 설치되는 배터리모듈; 상기 배터리모듈을 PCB조립체와 전기적으로 접속하는 버스바; 상기 케이스의 일측 바깥면에 설치되어 PCB조립체와 전기적으로 연결되는 고압측 제1 터미널과 저압측 제2 터미널; 및 상기 PCB조립체에 구비되어 케이스의 상부케이스에 형성된 관통구멍을 통해 케이블 접속입구가 외부로 노출된 케이블 가이드를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.
또한 상기 본 발명에 있어서, 상부케이스의 내측면에는 방열블럭이 구비되고, 방열블럭은 PCB조립체의 냉각모듈 상면과 접촉하도록 되어 PCB조립체에서 발생하는 열을 상부케이스로 유도하도록 된 것에 특징이 있다.
또한 상기 본 발명에 있어서, PCB조립체의 하부에는 방열플레이트가 구비되고, 상기 방열플레이트는 PCB조립체의 냉각모듈 하면과 접촉하도록 되어 PCB조립체에서 발생하는 열을 하부의 방열플레이트로 유도하도록 된 것에 특징이 있다.
또한 상기 본 발명에 있어서, 하부케이스에는 배터리모듈을 안착시키기 위해 배터리모듈과 접하는 면에 배터리모듈의 대응면에 대응하는 표면 형태를 갖는 요철부를 구비하여 배터리모듈의 열을 하부케이스를 통해 외부로 방출하도록 된 것에 특징이 있다.
또한 상기 본 발명에 있어서, PCB조립체의 상부에 상부냉각커버를 구비하고, 하부에는 하부냉각커버를 구비하며, 상기 PCB조립체와 마주하는 상,하부냉각커버의 대향면에는 PCB조립체에 탑재되는 부품을 수용할 수 있는 홈부를 형성하고, 상,하부냉각커버의 대향면의 반대쪽 바깥면에는 요철홈을 형성하여 방열 효율을 높이도록 된 것에 특징이 있다.
또한 상기 본 발명에 있어서, PCB조립체 상부PCB와 하부PCB로 분리형성하고, 상부PCB 상부에 상부냉각커버를 구비하고, 상부PCB와 하부PCB 사이에 중심냉각플레이트를 구비하고, 하부PCB 하부에 하부냉각커버를 구비하며, 상기 상부PCB와 하부PCB와 마주하는 상,하부냉각커버의 대향면에는 PCB조립체에 탑재되는 부품을 수용할 수 있는 홈부를 형성하고, 상,하부냉각커버의 대향면의 반대쪽 바깥면에는 요철홈을 형성하여 방열 효율을 높이도록 된 것에 특징이 있다.
또한 상기 본 발명에 있어서, 중심냉각플레이트에, 상부냉각커버와 하부냉각커버를 연결하는 제1 히트폴과, 상,하부PCB에 탑재된 소자와 직접 접촉하는 제2 히트폴을 일체로 구비한 것에 특징이 있다.
전술한 본 발명의 특징에 의하면, 일체형 방열 구조를 갖춘 경량화, 소형화 및 간소화 구조의 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터(low voltage DC-DC converter, LDC)(이하 '배터리 일체형 엘디씨')를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, LDC의 제어 모듈과 전장부하용 리튬전지 시스템에 사용되는 배터리 관리 시스템을 통합하여 배터리 일체형 엘디씨의 소형화, 경량화 및 간소화를 구현할 수 있고, 이를 통해 전기자동차 등의 전장부품으로서 비용 절감에 효과적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터(low voltage DC-DC converter, LDC)(이하 '배터리 일체형 엘디씨')의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 일체형 엘디씨의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터의 엘디씨에서 PCB조립체 방열 구성을 나타낸 측면도.
도 4는 도 3의 평면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터의 엘디씨에서 PCB조립체 방열 구성을 나타낸 분해 사시도.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터의 엘디씨에서 PCB조립체 방열 구성을 나타낸 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에서 PCB조립체 방열 구성의 작용상태를 나타낸 주요부 확대 사시도.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에서 PCB조립체 방열 구성을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 일체형 엘디씨의 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 일체형 엘디씨를 채용할 수 있는 전기자동차의 전력 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터(low voltage DC-DC converter, LDC)(이하 '배터리 일체형 엘디씨')의 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 일체형 엘디씨의 분해 사시도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 일체형 엘디씨(100)는, 가로 및 세로의 길이보다 높이가 낮은 납작한 사각 박스 형태의 냉각 일체형 및 절연형 케이스(110)를 구비한다.
케이스(110)는 상부와 하부가 개방되고 내부 공간을 상부의 제1 영역(110a)과 하부의 제2 영역(110b)으로 나누는 중간칸막이(111a)가 형성된 납작한 사각 박스형태의 메인케이스(111)와, 상기 메인케이스(111)의 개방된 상부를 덮도록 결합되는 상부케이스(112)와, 상기 메인케이스(111)의 개방된 하부를 덮도록 결합되는 하부케이스(113)로 구성된다.
메인케이스(111) 내의 상부 영역인 제1 영역(110a)에는 PCB조립체(120)가 배치되고, 하부 영역인 제2 영역(110b)에는 배터리모듈(130)이 배치된다.
메인케이스(111)의 일측 바깥면에는 고압측 제1 터미널(141)과 저압측 제2 터미널(142)이 설치되어 메인케이스(111) 내의 PCB조립체(120)와 전기적으로 연결되며, PCB조립체(120)에 구비된 케이블 가이드(121)는 상부케이스(112)에 형성된 관통구멍(112a)을 통해 케이블 가이드(121)의 접속입구가 케이스(110) 외부로 노출되는 구성이다.
이러한 구성에 의하면, 일례로 전기자동차에 탑재되는 기존의 12V 리튬이온배터리를 간단히 대체하면서 전기자동차 내 저전압 배터리를 충전하고 전장부품에 저전압 전력을 공급하는 LDC 기능을 수행할 수 있다.
본 발명에서 저전압은 전기자동차의 인버터나 구동 모터에 전력을 공급하는 고전압 배터리에 대비되며, 통상 수 볼트(V) 내지 수십 볼트의 전압 범위를 가질 수 있다. 참고로, 본 발명에서 고전압은 100V 또는 수백볼트 이상일 수 있다.
도 2를 참조하여 좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 일체형 엘디씨(100)에서 케이스(110)는, 황산화알루미늄(Al2SO3) 등을 함유한 방열 소재로 구성할 수 있고, 내부에 배치되는 PCB조립체(120)와 배터리모듈(130)을 위한 다면 방열구조를 구비할 수 있다.
즉, 다면 냉각 방식의 절연 냉각 구조 설계로, 기존의 수냉식 및 냉각팬을 사용하지 않으면서, 플레이트 PCB을 적용하여 다면 방열 냉각일체형 케이스를 적용함으로써 효율적인 냉각 또는 방열이 가능하다.
메인케이스(111)의 제1 영역(110a)(상부영역)에 배치되는 PCB조립체(120)는, PCB보드와, 고전압 단자와 배터리모듈(130)의 저전압 단자 사이를 연결하는 디씨-디씨 컨버터와, 배터리모듈(130)의 충방전 동작과 디씨-디씨 컨버터의 동작을 제어하는 통합제어보드와, 상기 디씨-디씨 컨버터 및 통합제어보드의 방열을 위한 냉각모듈(122)을 포함할 수 있다.
상기 고전압 단자는 제1 터미널(141)에 연결되는 디씨-디씨 컨버터의 고압측 단자이거나 제1 터미널(141)을 포함하는 개념으로 사용될 수 있고, 이와 유사하게 저전압 단자는 제2 터미널(142)에 연결되는 디씨-디씨 컨버터의 저압측 단자이거나 제2 터미널(142)을 포함하는 개념으로 사용될 수 있다.
케이스(110)의 상부케이스(112) 내측면에는 방열블럭(112b)이 구비되고, 방열블럭(112b)은 PCB조립체(120)의 냉각모듈(122) 상면과 접촉하도록 되어 PCB조립체(120)에서 발생하는 열을 상부케이스(112)로 직접 유도하는 방열 동작할 수 있다. 이러한 방열 동작의 효과를 높이기 위해, PCB조립체(120)의 냉각모듈(122)과 상부케이스(112)의 방열블럭(112b)은 열전도성이 우수한 즉 방열 효율이 좋은 재질로 제조하는 것이 바람직하다.
또한, PCB조립체(120)의 하부에는 방열플레이트(150)가 구비되고, 방열플레이트(150)는 PCB조립체(120)의 냉각모듈(122) 하면과 접촉하도록 되어 PCB조립체(120)에서 발생하는 열을 하부의 방열플레이트(150)로 직접 유도하는 방열 동작할 수 있다. 이러한 방열 동작의 효과를 높이기 위해, 방열플레이트(150)는 열전도성이 우수한 재질로 제조하는 것이 바람직하다.
하부케이스(113)는 배터리모듈(130)을 안착시키기 위해 배터리모듈(130)과 접하는 면에 배터리모듈(130)의 대응면에 대응하는 표면 형태를 갖는 요철부(113a)를 구비할 수 있다. 요철부(113a)는 배터리모듈(130)의 열을 하부케이스(113)를 통해 외부로 방출하거나 방사하는 방열 기능을 수행할 수 있다.
배터리모듈(130)은 리튬이온 배터리셀들을 포함할 수 있다. 배터리모듈(130)은 원통형의 단위 모듈을 가로 및 세로방향으로 복수로 배치하여 버스바(131)를 통해 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결하여 하나의 배터리모듈(130)로 형성할 수 있다. 배터리모듈(130)의 버스바(131)에는 위방향으로 연장형성한 전원단자(131a)들이 구비되고, 전원단자(131a)들은 메인케이스(111)의 중간칸막이(111a)를 관통하여 PCB조립체(120)와 전기적으로 접속될 수 있다.
전원단자(131a)들은 절연성 피복층을 부분적으로 구비하거나 절연성 피복재에 의해 부분적으로 커버될 수 있으며, 그에 의해 외부나 다른 소자들과의 접촉으로부터 보호될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터의 엘디씨에서 PCB조립체 방열 구성을 나타낸 측면도 및 평면도로서, PCB조립체의 방열 구성을 제외한 다른 구성은 전술한 실시예 1과 동일하므로, 구체적인 구성 설명과 도시를 생략한다. 도시된 바와 같이, 제2 실시예에서의 PCB조립체(220) 방열구성은, 메인조립체(211) 내에 PCB조립체(220)가 설치되고, 메인케이스(211)의 일측 바깥면에는 고압측 제1 터미널(241)과 저압측 제2 터미널(242)이 설치되어 메인케이스(211) 내의 PCB조립체(220)와 전기적으로 연결된다.
PCB조립체(220)에는 케이블 가이드(221)와 냉각모듈(222)이 구비되고, 하부에 방열플레이트(250)를 냉각모듈(222)의 하면과 접하도록 하여 고정 설치할 수 있다. 따라서 PCB조립체(220)에서 발생하는 열을 하부의 방열플레이트(250)로 직접 유도하는 방열 동작할 수 있다. 이러한 방열 동작의 효과를 높이기 위해, 방열플레이트(250)는 열전도성이 우수한 재질로 제조하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터의 엘디씨에서 PCB조립체 방열 구성을 나타낸 분리 사시도로서, PCB조립체의 방열 구성을 제외한 다른 구성은 전술한 실시예 1과 동일하므로, 구체적인 구성 설명과 도시를 생략한다. 도시된 바와 같이, 제3 실시예에서의 PCB조립체(320) 방열구성은, PCB조립체(320)의 상부에 상부냉각커버(312b)를 구비하고, 하부에 하부냉각커버(350)를 구비할 수 있다.
상부냉각커버(312b)와 하부냉각커버(350)은 열전도성이 우수한 재질, 예를 들면 SIC, Sl3N4, Al2O3 로 제조하는 것이 바람직하며, PCB조립체(320)와 마주하는 상,하부냉각커버(312b,350)의 대향면에는 PCB조립체(320)에 탑재되는 부품을 수용할 수 있는 홈부를 형성하고, 상,하부냉각커버(312b,350)의 대향면의 반대쪽 바깥면에는 요철홈을 형성하여 방열 효율을 높이도록 할 수 있다.
도 6는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터의 엘디씨에서 PCB조립체 방열 구성을 나타낸 분리 사시도로서, PCB조립체의 방열 구성을 제외한 다른 구성은 전술한 실시예 1과 동일하므로, 구체적인 구성 설명과 도시를 생략한다. 도시된 바와 같이, 제4 실시예에서의 PCB조립체(420) 방열구성은, PCB조립체(420)를 상부PCB(421)와 하부PCB(422)로 분리형성하고, 상부PCB(421) 상부에 상부냉각커버(412b)를 구비하고, 상부PCB(421)와 하부PCB(422) 사이에 중심냉각플레이트(423)를 구비하고, 하부PCB(422) 하부에 하부냉각커버(450)를 구비할 수 있다.
상부냉각커버(412b), 중심냉각플레이트(423) 및 하부냉각커버(450)은 열전도성이 우수한 재질, 예를 들면 SIC, Sl3N4, Al2O3 로 제조하는 것이 바람직하며, 상부PCB(421)와 하부PCB(422)와 마주하는 상,하부냉각커버(412b,450)의 대향면에는 PCB조립체(420)에 탑재되는 부품을 수용할 수 있는 홈부를 형성하고, 상,하부냉각커버(412b,450)의 대향면의 반대쪽 바깥면에는 요철홈을 형성하여 방열 효율을 높이도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에서 PCB조립체 방열 구성의 작용상태를 나타낸 주요부 확대 사시도로서, 상부냉각커버(412b), 중심냉각플레이트(423) 및 하부냉각커버(450)에 의해 PCB조립체(420)에서 발생하는 열의 이동을 도면에 화살표로 표시한 바와 같이 유도할 수 있고, 이로써 상부PCB(421)에서 발생하는 열을 상부냉각커버(412b)를 통해 방열하는 효율을 증대시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에서 다른 형태의 PCB조립체 방열 구성을 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도시된 바와 같이 제4 실시예에서는 중심냉각플레이트(423)에 상부냉각커버(412b)와 하부냉각커버(450)를 연결하는 제1 히트폴(Heat Pole)(423a)과, 상,하부PCB(421,422)에 탑재된 소자와 직접 접촉하는 제2 히트폴(423b)을 일체로 구비할 수 있다.
따라서, 제1 히트폴(423a)에 의해서 상부냉각커버(412b)와 하부냉각커버(450)가 연결되고, 제2 히트폴(423b)에 의해 상,하부PCB(421,422)에 탑재된 소자가 중심냉각플레이트(423)에 직접 접촉함에 따라 PCB조립체(420)에서 발생하는 열을 상,하부냉각커버(412b,450)를 통해 방열하는 효율을 증대시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 일체형 엘디씨의 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 일체형 엘디씨(100)는 고전압 영역(100a), 저전압 영역(100b) 및 통합제어보드를 구비하는 PCB조립체(120,220,320,420)를 포함한다. 고전압 영역(100a)과 PCB조립체(120,220,320,420)의 통합제어보드는 디씨-디씨(DC-DC)용 제어회로를 공유할 수 있고, 저전압 영역(100b)과 PCB조립체(120,220,320,420)의 통합제어보드는 배터리(battery)용 제어회로를 공유할 수 있다.
디씨-디씨(DC-DC)용 제어회로는 통합 시스템 알고리즘 운용 방식의 디지털 방식의 제어회로로서 디씨-디씨용 하드웨어 인터페이스(interface, I/F)를 통해 디씨-디씨 전력모듈에 연결될 수 있다. 디씨-디씨 전력모듈은 디씨-디씨 컨버터에 대응될 수 있다. 디씨-디씨 전력모듈은 전기자동차 등의 장치나 설비의 고전압 부하에 상대적으로 높은 전압(high voltage)의 전력을 공급할 수 있다. 디씨-디씨용 제어회로는 디씨-디씨 전력모듈을 제어하여 디씨-디씨 전력모듈의 입측 단자에 인가되어 있는 고전압을 저전압으로 변환할 수 있다.
배터리(battery)용 제어회로는 배터리용 하드웨어 인터페이스(I/F)를 통해 배터리셀 모듈에 연결될 수 있다. 배터리셀 모듈은 리튬이온 배터리셀 모듈들을 포함할 수 있다. 리튬이온 배터리셀 모듈들은 적어도 그 일부의 배터리셀 모듈들을 포함하는 제1 배터리셀 그룹이 제1 배터리 팩을 형성할 수 있다. 배터리셀 모듈은 복수의 배터리 팩들을 포함할 수 있다. 각 배터리셀 그룹 내 배터리셀들은 서로 직렬 또는 직병렬로 전기적으로 연결되어 소정의 정격전압과 정격전류를 구비하도록 제작될 수 있다.
PCB조립체(120,220,320,420)의 통합제어보드는 디씨-디씨(DC-DC)용 제어회로 및 배터리(battery)용 제어회로 중 적어도 어느 하나 또는 둘 모두를 통해 디씨-디씨용 하드웨어 인터페이스와 배터리용 하드웨어 인터페이스의 접속 또는 분리 동작을 제어할 수 있다.
본 실시예에 의하면, PCB조립체(120,220,320,420)의 통합제어보드는 배터리의 전압, 전류, 온도 등의 파라미터를 측정하거나 관리하는 배터리 모니터링; 배터리 충전 용량 등을 제어하는 배터리 셀 제어; 기타 배터리 진단, 제어, 통신 등을 대한 통합 시스템 제어 기능을 수행할 수 있다. PCB조립체의 통합제어보드는 하이브리드 전력 제어 장치(hybrid power control unit, HPCU)의 적어도 일부 기능을 구비할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 HPCU 일체형 DC-DC 컨버터를 리튬전지와 일체형으로 구성된다.
전력을 제어하는 전력단(Power Stage) 부분과 리튬전지와 컨트롤을 담당하는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 통합보드와 리튬전지, 방열기능을 갖는 케이스(Case)로 구성된다. 방열기능을 갖는 케이스는 다면 방열 구조로 구성되며, 내부 PCB보드들과 연결되어 효과적인 방열 기능을 수행할 수 있는 구조로 이루어진다. 이러한 구성에 의하면, 기존의 수냉 방식과 비교해 본 실시예의 자냉(자연냉각) 방식은 크기, 가격적으로 큰 절감효과를 가진다.
PCB조립체의 통합 시스템 제어는 배터리 관리 시스템 알고리즘, 통합 제어로직 등을 위한 프로그램을 메모리나 저장장치에 저장하고 프로세서에서 이를 수행하도록 구현될 수 있다. 프로세서와 메모리를 포함하는 장치는 컨트롤러로 지칭될 수 있다.
여기서, BMS 알고리즘은 배터리 셀 밸런싱, 배터리 용량(state of charge, SOC) 추정 등을 위한 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 통합 제어로직은 BMS 제어 알고리즘과 LDC 제어 알고리즘을 포함하거나, 이들의 조합 알고리즘을 포함할 수 있다.
또한, PCB조립체의 통합 시스템 제어는 인쇄회로기판의 전력밀도 및 열 해석 시뮬레이션을 위한 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 통합 시스템 알고리즘 운용 방식에 의하면 장치의 성능과 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 실시예의 배터리 일체형 엘디씨(100)는, 인쇄회로기판이나 통합제어보드에 실장되는 파워 릴레이 어셈블리(power relay assembly, PRA), 퓨즈(fuse) 유닛, 와이어하네스 등을 더 구비할 수 있다. 파워 릴레이 어셈블리는 포지티브와 네거티브 메인 릴레이, 프리차지 릴레이, 프리자치 레지스터 및 배터리 전류 센서를 포함하여 구성될 수 있으며, 고전압 배터리와 디씨-디씨 컨버터 사이의 고전압 전원 회로를 제어하는 기능을 더 구비할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 일체형 엘디씨를 채용할 수 있는 전기자동차의 전력 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
도 10을 참조하면, 실시예들에 따른 배터리 일체형 엘디씨(100)는 전기자동차의 파워 트레인(200)에 사용될 수 있다. 이 경우, 전기자동차의 파워 트레인(200)은 고전압 배터리(201)를 통해 고전압 부하(202)와 인버터(203) 및 전기 모터(204)에 전력을 공급하고, 발전기(205)에 의해 고전압 배터리(201)를 충전할 수 있다.
또한, 파워 트레인(200)은 배터리 일체형 엘디씨(100)의 LDC(207)를 통해 고전압 배터리(201)의 전력이나 발전기(205)의 전력을 변환하여 저전압 배터리(208)를 충전하거나 저전압 부하(206)에 전력을 공급할 수 있다.
전술한 실시예들에 의하면, 일체형 방열 구조를 갖춘 경량화, 소형화 및 간소화 구조의 배터리 일체형 엘디씨를 제공할 수 있다. 또한, 기존 LDC의 제어 모듈과 전장부하용 리튬전지 시스템에 사용되는 배터리 관리 시스템을 통합하여 배터리 일체형 엘디씨의 소형화, 경량화 및 간소화를 구현할 수 있고, 이를 통해 전기자동차 등의 전장부품으로서 비용 절감에 효과적인 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 상,하부가 개방되어 상부의 제1 영역과 하부의 제2 영역으로 나누는 중간칸막이가 형성되어 이루어진 납작한 사각 박스형태의 절연형 메인케이스,
    상기 제1 영역에 설치되는 것으로, 디씨-디씨 컨버터의 동작을 제어하는 통합제어보드 및 냉각모듈을 포함하는 PCB조립체,
    상기 제2 영역에 설치되는 배터리모듈;
    상기 PCB조립체에서 발생하는 열을 유도하도록 PCB조립체의 상면과 접촉하도록 내측면에 방열블럭이 구비되는 상부케이스 및
    상기 배터리모듈을 안착시키기 위해 배터리모듈과 접하는 면에 배터리모듈의 대응면에 대응하는 표면 형태를 갖는 요철부를 구비하여 배터리모듈의 열을 외부로 방출하는 하부케이스로 이루어지고,
    상기 PCB조립체는
    상부PCB와 하부PCB로 분리 형성되고,
    상기 상부PCB 상부에 상부냉각커버를 구비하고, 상부PCB와 하부PCB 사이에 중심냉각플레이트를 구비하고, 하부PCB 하부에 하부냉각커버를 구비하며,
    마주하는 상,하부냉각커버의 대향면에는 탑재되는 부품을 수용할 수 있는 홈부를 형성하고, 상,하부냉각커버의 대향면의 반대쪽 바깥면에는 방열 효율을 높이도록 요철홈을 형성하고,
    상기 중심냉각플레이트에 상부냉각커버와 하부냉각커버를 연결하는 제1 히트폴과, 상,하부PCB에 탑재된 소자와 직접 접촉하는 제2 히트폴을 일체로 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리모듈을 PCB조립체와 전기적으로 접속하는 버스바;
    상기 케이스의 일측 바깥면에 설치되어 PCB조립체와 전기적으로 연결되는 고압측 제1 터미널과 저압측 제2 터미널; 및
    상기 PCB조립체에 구비되어 케이스의 상부케이스에 형성된 관통구멍을 통해 케이블 접속입구가 외부로 노출된 케이블 가이드를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 일체형 저전압 디씨-디씨 컨버터.
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