KR20090050117A - 연료전지 차량 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 차량 구조에 관한 것으로서, 연료전지 스택을 엔진룸에 탑재함에 있어서 연료전지 스택과 스택 관련 부품 및 전장품들을 모듈화하여 구성한 뒤 이렇게 구성된 연료전지 스택 모듈을 별도 프레임을 사용하지 않고 모노코크 차체 바디의 사이드 멤버 위에 직접 마운팅하여 탑재하는 것에 주된 특징이 있는 연료전지 차량 구조에 관한 것이다.
이러한 구조에서는 연료전지 스택을 마운팅하기 위한 별도 프레임을 사용하지 않으므로 기존 모노코크 차체 구조나 강도를 변경하지 않고도 연료전지 차량을 구성할 수 있고, 연료전지 스택의 마운팅을 위해 별도 프레임을 사용함에 따른 종래의 문제점, 즉 엔진룸 내 공간 협소, 중량 및 부품수 과다, 원가 상승 등의 문제점을 해소할 수 있게 된다.
또한 본 발명에서는 모터 제어기 및 각종 제어기를 포함한 전장품들을 언더 플로어 하측으로 배치한 뒤 언더 커버로 보호하며, 2차 전지인 슈퍼커패시터를 트렁크룸 언더 트레이에 마운팅하여 배치하는 등 연료전지 차량의 주요 각 구성부품들에 대한 최적 레이아웃 구조를 제공한다.
연료전지, 스택, 차체, 모노코크, 사이드 멤버, 모듈화, 언더 커버
Description
본 발명은 연료전지 차량 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 엔진룸에 탑재함에 있어서 연료전지 스택과 스택 관련 부품 및 전장품들을 모듈화하여 구성한 뒤 이렇게 구성된 연료전지 스택 모듈을 별도 프레임을 사용하지 않고 모노코크 차체 바디의 사이드 멤버 위에 직접 마운팅하여 탑재하는 것에 주된 특징이 있는 연료전지 차량 구조에 관한 것이다.
알려진 바대로, 연료전지시스템이 탑재된 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
여기서, 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
이러한 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
이와 같은 연료전지가 장착된 차량에서는 연료전지와 더불어 구동모터, 2차 전지(슈퍼커패시터, 배터리)를 구비하며, 연료로 사용되는 수소를 연료전지로 공급하여 전기를 생산하고, 연료전지에 의해 생산된 전기를 2차 전지에 저장하며, 연료전지에서 생산된 전기 또는 2차 전지에 저장된 전기로 구동모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
한편, 첨부한 도 1은 통상의 연료전지 차량에서 연료전지, 구동모터, 모터 제어기의 장착상태를 도시한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 종래에는 연료전지 스택(3), 구동모터(4), 모터 제어기(MCU)(5)를 엔진룸 내에 배치하였다.
즉, 연료전지 스택(3)을 엔진룸 내에서 차체(1)에 설치된 별도의 프레임(2)을 이용하여 마운팅하고, 연료전지 스택(3) 하측으로는 구동모터(4)를, 상측으로는 모터 제어기(5)를 설치하며, 그 주변으로 부속된 각종 관련부품 및 전장품들을 설치하는 것이다.
그러나, 상기한 종래의 구조에서는 협소한 엔진룸 내부에 많은 수의 부품을 탑재해야 하므로 레이아웃 및 공간활용 면에서 매우 불리해지는 문제가 있다.
특히, 차체(1)에 설치되는 별도 프레임(2)을 사용하는 프레임 구조 방식, 즉 차체(1)에 별도 프레임(2)을 넣어 설치한 뒤 이 프레임(2)을 사용하여 연료전지 스택(3)을 마운팅하는 방식이므로 프레임 사용에 따른 문제가 있다.
이러한 프레임 구조 방식은 엔진룸 내에서 공간 협소 문제를 더욱 가중시킬 뿐만 아니라 중량 및 부품수 과다, 원가 상승 등의 문제를 초래하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택의 마운팅을 위해 별도 프레임을 사용함에 따른 종래의 문제점, 즉 엔진룸 내 공간 협소, 중량 및 부품수 과다, 원가 상승 등의 문제점을 해소할 수 있게 되는 연료전지 차량 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, PDU(Power Distribution Unit)를 고전압 부품들의 퓨즈 및 릴레이가 탑재된 정션박스와 통합하여 구성한 PDU 통합형 고전압 정션박스와 FPS(Fuel Processing System) 박스를 포함한 스택 관련 부품 및 전장품들을 연료전지 스택에 마운팅하여 일체로 모듈화한 뒤, 모듈화된 상기 연료전지 스택 및 부품을 엔진룸 내에서 모노코크 차체 바디의 사이드 멤버에 직접 마운팅시켜 탑재한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조를 제공한다.
여기서, 상기 FPS 박스와 함께 상기 PDU 통합형 고전압 정션박스를 상기 연료전지 스택의 상부에 마운팅하여 엔진룸 최상단에 위치시킴으로써 고전압 부품들의 퓨즈 및 릴레이의 정비성 및 접근성을 향상시킨 구조로 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 사이드 멤버에 마운팅되는 연료전지 스택에 소음기, 히터, 센서류를 마운팅하여 일체로 모듈화한 구조로 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 연료전지 스택의 상부에 에어 클리너를 마운팅하고, 상기 에어 클 리너의 공기유입통로가 되는 유입덕트를 라디에이터 상단으로 연결 및 지지시켜, 상기 유입덕트의 공기입구단을 차체 전방으로 위치시킨 것을 특징으로 한다.
또한 모터 제어기(MCU), 공기블로어 제어기, 히터 제어기, 초기충전장치를 차체 언더 플로어의 하부에 마운팅하여 배치하고, 언더 플로어 하측으로 배치되는 상기 전장품들을 커버하여 보호할 수 있는 언더 커버를 상기 언더 플로어의 하면에 장착한 것을 특징으로 한다.
또한 2차 전지인 슈퍼커패시터와 이에 부착된 CVM 및 데이터 로거를 포함한 슈퍼커패시터 관련 부품을 차체의 트렁크룸 언더 트레이에 마운팅하여 배치한 것을 특징으로 한다.
상기한 특징을 갖는 본 발명의 연료전지 차량 구조에 의하면, 연료전지 스택을 엔진룸에 탑재함에 있어서 연료전지 스택과 스택 관련 부품 및 전장품들을 모듈화하여 구성한 뒤 이렇게 구성된 연료전지 스택 모듈을 별도 프레임을 사용하지 않고 모노코크 차체 바디의 사이드 멤버 위에 직접 마운팅하여 탑재함으로써, 연료전지 스택을 마운팅하기 위한 별도 프레임을 사용하지 않으므로 기존 모노코크 차체 구조나 강도를 변경하지 않고도 연료전지 차량을 구성할 수 있고, 연료전지 스택의 마운팅을 위해 별도 프레임을 사용함에 따른 종래의 문제점, 즉 엔진룸 내 공간 협소, 중량 및 부품수 과다, 원가 상승 등의 문제점을 해소할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 연료전지 차량 구조에 의하면, 모터 제어기 및 각종 제어기 를 포함한 전장품들을 언더 플로어 하측으로 배치한 뒤 언더 커버로 보호하며, 2차 전지인 슈퍼커패시터를 트렁크룸 언더 트레이에 마운팅하여 배치하는 등 연료전지 차량의 주요 각 구성부품들에 대한 최적 레이아웃 구조를 제공할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연료전지 스택, 구동모터, 수소탱크, 2차 전지인 슈퍼커패시터 등으로 구성된 연료전지 차량의 구성에 있어서, 연료전지 스택과, PDU(Power Distribution Unit) 통합형 고전압 정션박스, FPS(Fuel Processing System) 박스 등 스택 관련 부품 및 전장품들을 일체로 모듈화하여 구성한 뒤, 모듈화된 연료전지 스택 및 부품을 엔진룸 내에서 별도의 프레임에 마운팅시키지 않고 모노코크 차체 바디에 직접 마운팅시키는 것에 주안점이 있는 것이다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조 및 주요 부품의 배치상태를 나타낸 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 연료전지 스택의 마운팅 구조를 나타낸 측면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 엔진룸 내 주요 부품 및 전장품의 배치상태를 나타낸 평면도이다.
도 4에서 미설명부호 16, 17, 18은 각각 라디에이터 리저버, 소음기, MDPS(Motor Driven Power Steering)를 나타낸다.
그리고, 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 모터 제어기 를 포함한 각종 전장품의 배치상태를 나타낸 차체 저면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 트렁크룸 내에 슈퍼커패시터가 탑재된 상태의 평면도이며, 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 연료인 수소가 저장되는 수소탱크 모듈을 나타낸 사시도이다.
우선, 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 연료전지 스택(21)은 PDU 통합형 고전압 정션박스(22), 연료전지 스택(21)의 주변부품인 FPS 박스(23)(측면에 수소블로어 제어기(24)가 부착될 수 있음)를 포함한 스택 관련 부품 및 고전압 전장품들과 모듈화되어 엔진룸 내에 탑재된다.
여기서, PDU는 전력분배장치로서, 각 고전압 전장품에 전력을 분배하는 역할과 더불어 전력 단속의 역할을 하는 고전압 분배기이다.
이러한 PDU를 각종 고전압 부품들의 퓨즈 및 릴레이가 탑재된 정션박스와 통합형으로 구성하여 PDU와 정션박스가 하나의 부품으로 통합된 PDU 통합형 고전압 정션박스(22)로 제공하는 바, 이러한 PDU 통합형 고전압 정션박스(22)를 연료전지 스택(21)의 상측에 마운팅하여 연료전지 스택(21)과 함께 모듈화한 뒤 엔진룸 내부에 탑재한다.
또한 상기한 PDU 통합형 고전압 정션박스(22)와 더불어 FPS 박스(23)를 포함한 스택 관련 부품 및 고전압 전장품들을 연료전지 스택(21)의 상부에 위치시켜 모듈화한다.
이하, 본 명세서에서는 PDU 통합형 고전압 정션박스(22)와 FPS 박스(23)를 포함한 스택 관련 부품 및 고전압 전장품들을 연료전지 스택(21)과 모듈화하여 구 성한 모듈 제품을 연료전지 스택 모듈(20)이라 칭하기로 한다.
본 발명에서는 상기 연료전지 스택 모듈(20)을 엔진룸 내에 탑재하여 설치하되, 특히 연료전지 스택 모듈(20)을 모노코크 차체 바디(10)에 직접 마운팅하여 설치하며, 바람직한 실시예에서 차체 바디(10)를 구성하는 사이드 멤버(11)에 연료전지 스택 모듈(20)을 마운팅하여 엔진룸 내에 탑재한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 소음기(17), 히터(19), 센서류 등 기존 엔진룸 장착 부품을 연료전지 스택(21)에 마운팅하여 연료전지 스택(21)과 일체로 모듈화하며, 이에 상기 연료전지 스택 모듈(20)은 소음기(17), 히터(19), 센서류 등 기존 엔진룸 장착 부품을 포함하는 모듈 제품일 수 있다.
예컨대, 도 3과 도 4에 나타낸 바와 같이, 히터(19)와 소음기(17)를 연료전지 스택(21)의 후면부에 마운팅하여 모듈화할 수 있다.
이와 더불어, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(21)의 상부에는 에어 클리너(25)를 추가로 장착하고, 상기 에어 클리너(25)의 공기유입통로가 되는 유입덕트(26)를 라디에이터(15) 상단으로 연결하여 지지시킨다.
이때, 상기 에어 클리너(25)의 유입덕트(26)를 라디에이터(15) 상단에 지지시키되, 유입덕트(26)의 공기입구단을 차체 전방으로 위치시켜, 주행 중에 차량 전방으로부터 상기 공기입구단을 통해 신선한 공기(산소)가 공급되도록 하는 바, 이를 통해 스택 구동의 성능 및 내구성을 보장할 수 있다.
다만, 본 발명에서 감속기가 결합된 구동모터(30), 공기블로어(27), 가습기(28)는 차체에 고정된 별도 프레임에 마운팅시켜 연료전지 스택(21)의 하측으로 설치하며, 에어컨 컴프레서(29) 및 펌프(31)와 같은 구동부품은 차체 바디(10)의 사이드 멤버(도 3에서 도면부호 11과 같음) 상단에 마운팅하여 마운팅 강성을 확보한다.
따라서, 본 발명의 구조에서는 엔진룸 조립 과정을 감속기가 결합된 구동모터(30)의 장착, 공기블로어(27) 및 가습기(28)가 마운팅된 프레임 모듈의 장착, 연료전지 스택 모듈(20)의 장착으로 단순화하여 조립 및 정비성을 개선하게 된다.
또한 본 발명의 구조에서는 엔진룸 최상단에 PDU 통합형 고전압 정션박스(22)를 장착하여, 고전압 부품들의 퓨즈 및 릴레이의 잦은 정비시에 접근성을 용이하게 할 수 있고, 이에 정비성을 증대할 수 있다.
한편, 본 발명의 연료전지 차량 구조에서는 모터 제어기(MCU)(32), 공기블로어 제어기(34), 히터 제어기(33), 초기충전장치(35)를 포함한 전장품들을 언더 플로어(12) 하부에 마운팅하여 배치하며, 상기 언더 플로어(12) 하측으로 배치되는 전장품들을 보호하기 위해 언더 플로어 하면에는 상기 전장품들을 커버할 수 있는 언더 커버(13)를 장착하여, 오염물질 등으로부터 전장품들을 보호한다.
그리고, 수소탱크(41)들은 별도 프레임(42)을 사용하여 모듈화하며(도 7 참조), 복수개의 수소탱크(41)를 프레임(42)에 마운팅시켜 모듈화한 수소탱크 모듈(40)을 리어 언더 플로어(12) 하측으로 설치한다(도 3 및 도 5 참조).
도 7은 수소탱크(41)를 프레임(42)에 마운팅하여 모듈화한 수소탱크 모듈(40)을 도시한 일 예를 보여주고 있는데, 수소탱크 모듈(40)의 프레임(42)은 기존 리어 서스펜션 구조의 변경 없이 장착이 가능하도록 하면서 수소탱크 배열의 자 유도를 확보할 수 있게 제작하여 사용한다.
또한 본 발명의 연료전지 차량 구조에서는 2차 전지인 슈퍼커패시터(51)를 CVM(Cell Voltage Monitoring)(슈퍼커패시터의 셀 전압을 센싱하고 모니터닝하는 장치임)(52) 및 데이터 로거(data logger)(53) 등 관련 부품과 함께 차체의 트렁크룸 언더 트레이(14)에 마운팅하여 배치한다.
상기 슈퍼커패시터(51) 외에 연료전지 차량에서 연료전지 스택(21)에서 생성한 전력을 저장할 수 있는 고전압 배터리의 경우에도 동일하게 트렁크룸 언더 트레이에 마운팅하여 배치한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 차량 구조는 연료전지 스택(21)을 엔진룸에 탑재함에 있어서 연료전지 스택(21)과 스택 관련 부품 및 전장품들을 모듈화하여 구성한 뒤 이렇게 구성된 연료전지 스택 모듈(20)을 별도 프레임을 사용하지 않고 모노코크 차체 바디(10)의 사이드 멤버(11) 위에 직접 마운팅하여 탑재하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.
이러한 구조에서는 별도 프레임을 사용하지 않으면서 기존 모노코크 차체 구조나 강도를 변경하지 않고도 연료전지 차량을 구성할 수 있는 큰 장점이 있게 된다.
또한 본 발명은 상기 연료전지 스택 모듈(20)의 하측으로 구동모터(30)를 배치하고, 모터 제어기(32) 및 각종 제어기를 포함한 전장품(33,34,35)들을 언더 플로어(12) 하측으로 배치한 뒤 언더 커버(13)로 보호하며, 2차 전지인 슈퍼커패시터(51)를 트렁크룸 언더 트레이(14)에 마운팅하여 배치하는 등 연료전지 차량의 주 요 각 구성부품들에 대한 최적 레이아웃 구조에 주된 특징이 있는 것이다.
도 1은 통상의 연료전지 차량에서 연료전지, 구동모터, 모터 제어기의 장착상태를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조 및 주요 부품의 배치상태를 나타낸 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 연료전지 스택의 마운팅 구조를 나타낸 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 엔진룸 내 주요 부품 및 전장품의 배치상태를 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 모터 제어기를 포함한 각종 전장품의 배치상태를 나타낸 차체 저면도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 트렁크룸 내에 슈퍼커패시터가 탑재된 상태의 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량 구조에서 연료인 수소가 저장되는 수소탱크 모듈을 나타낸 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 차체 바디 11 : 사이드 멤버
12 : 언더 플로어 13 : 언더 커버
14 : 언더 트레이 15 : 라디에이터
16 : 라디에이터 리더버 20 : 연료전지 모듈
21 : 연료전지 스택 22 : PDU 통합형 고전압 정션박스
23 : FPS 박스 25 : 에어 클리너
26 : 유입덕트 30 : 구동모터
32 : 모터 제어기 32 : 히터 제어기
34 : 공기 블로어 제어기 40 : 수소탱크 모듈
41 : 수소탱크 42 : 프레임
51 : 슈퍼커패시터
Claims (6)
- PDU(Power Distribution Unit)를 고전압 부품들의 퓨즈 및 릴레이가 탑재된 정션박스와 통합하여 구성한 PDU 통합형 고전압 정션박스와 FPS(Fuel Processing System) 박스를 포함한 스택 관련 부품 및 전장품들을 연료전지 스택에 마운팅하여 일체로 모듈화한 뒤, 모듈화된 상기 연료전지 스택 및 부품을 엔진룸 내에서 모노코크 차체 바디의 사이드 멤버에 직접 마운팅시켜 탑재한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 FPS 박스와 함께 상기 PDU 통합형 고전압 정션박스를 상기 연료전지 스택의 상부에 마운팅하여 엔진룸 최상단에 위치시킴으로써 고전압 부품들의 퓨즈 및 릴레이의 정비성 및 접근성을 향상시킨 구조로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 사이드 멤버에 마운팅되는 연료전지 스택에 소음기, 히터, 센서류를 마운팅하여 일체로 모듈화한 구조로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 연료전지 스택의 상부에 에어 클리너를 마운팅하고, 상기 에어 클리너의 공기유입통로가 되는 유입덕트를 라디에이터 상단으로 연결 및 지지시켜, 상기 유입덕트의 공기입구단을 차체 전방으로 위치시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조.
- 청구항 1에 있어서, 모터 제어기(MCU), 공기블로어 제어기, 히터 제어기, 초기충전장치를 차체 언더 플로어의 하부에 마운팅하여 배치하고, 언더 플로어 하측으로 배치되는 상기 전장품들을 커버하여 보호할 수 있는 언더 커버를 상기 언더 플로어의 하면에 장착한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조.
- 청구항 1에 있어서, 2차 전지인 슈퍼커패시터와 이에 부착된 CVM 및 데이터 로거를 포함한 슈퍼커패시터 관련 부품을 차체의 트렁크룸 언더 트레이에 마운팅하여 배치한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량 구조.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140075035A (ko) * | 2012-12-07 | 2014-06-19 | 현대자동차주식회사 | 전기자동차의 모듈화 부품 및 그 조립방법 |
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| US20200369165A1 (en) * | 2019-05-20 | 2020-11-26 | Hyundai Motor Company | Fuel cell vehicle |
| CN114347813A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-04-15 | 北京格睿能源科技有限公司 | 一种模块化共用架构型驱动底盘系统 |
-
2007
- 2007-11-15 KR KR1020070116359A patent/KR20090050117A/ko not_active Application Discontinuation
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