KR20150053459A - 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템 - Google Patents

전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차에 탑재되는 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템에 관한 것으로서, 하우징; 상기 하우징 내에 수용되는 구동 모터; 상기 하우징 내에서 상기 구동 모터의 상부에 배치되며, 상기 하우징의 외부로부터 인입되는 배터리의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 구동 모터에 공급하는 인버터; 상기 하우징 내에서 상기 인버터가 수용되는 공간과 상기 구동 모터가 수용되는 공간을 구획하는 제1 격벽을 통과하여 상기 인버터와 상기 구동 모터 사이에 배치되며, 상기 인버터와 상기 구동 모터를 전기적으로 연결하는 커넥터 장치; 상기 하우징 내에 설치되며, 상기 구동 모터의 회전축과 스플라인 체결부에 의해 연결되는 변속기; 및 상기 하우징의 전방으로 돌출되며 선단부에 상기 전기 자동차의 차동장치에 결합 가능한 축결부를 갖는 변속 구동축를 포함한다.
본 발명에 따르면, 인버터와 구동 모터의 조립성이 매우 양호하여 전기 자동차에 대한 설치가 간편하고 유지보수가 용이하며, 패키징 공간을 최소화하여 전기 자동차의 경량화를 실현할 수 있는 효과가 있다.

Description

전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템{INTEGRATED ELECTRIC DRIVE SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차에 탑재되는 일체형 전기 동력 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변속기, 구동 모터, 및 인버터를 일체로 구성한 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 자원 고갈, 에너지 문제, 지구 온난화와 환경문제, 주요국의 CO2 규제정책과 같은 자동차 산업을 둘러싼 환경의 변화로 전기 자동차의 필요성이 강력히 대두되고 있다. 세계 각국은 앞 다투어 자동차 배기가스 규제 정책과 전기 자동차 보급 정책을 실시하고 있어, 향후 전기 자동차의 보급은 점차 증대될 것으로 전망되고 있다.
전기 자동차는 기존의 내연기관으로 구성된 자동차를 대체하는 친환경 자동차로서, EV(Electric Vehicle), PHEV(Plug-in EV), HEV(Hybrid EV), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등으로 분류된다. EV는 순수한 전기의 힘으로 구동되며, HEV는 내연기관에 의한 구동과 전기에 의한 구동을 절체하여 구동된다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 동력 시스템을 예시한 것으로서, EV 중 상용차인 전기 버스의 전기 동력 시스템을 보여준다. 도시된 바와 같이 전기 상용차는 통상적으로 후륜 구동형으로 동작된다. 구동륜(12)은 구동축(14)에 의해 지지되어 구동축(14)의 회전 운동에 따라 회전된다. 구동축(14) 상에는 동력을 구동축에 차동 전달하는 차동장치(16)가 설치된다.
차동장치(16)의 후단으로는 순차적으로 변속기(20), 구동 모터(30), 인버터(40), 및 배터리(50)가 연결된다. 배터리(50)는 충전 가능한 축전지로 충전회로와 충전 상태를 관리하기 위한 BMS(Battery Management System)를 포함한다. 인버터(40)는 배터리(50)의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 구동 모터(30)에 공급한다. 구동 모터(30)의 회전 운동이 변속기(20)로 전달되며, 변속기(20)에서 변속된 회전력이 차동장치(16)로 전달되어 구동륜(12)을 구동 시킨다.
전기 자동차의 경량화를 도모하기 위하여, 최근에는 일부 구성품들이 일체로 모듈화되고 있다. 예컨대, 인버터(40)와 구동 모터(30)를 하나의 케이싱에 수용하는 동력 시스템이 개발되었다. 하지만, 인버터(40)와 구동 모터(30)를 연결하는 리드 와이어가 케이싱의 외부로 배선되어, 조립성이 떨어지는 문제점이 있었다.
한편, 미국특허등록 US 6,533,696호에는 인버터와 모터를 연결하는 리드 와이어가 모터의 출력 기어와 모터의 외경 차이에 의해 구조화 된 공간에 배치되어 커버 밖으로 배선되는 일체형 구조를 개시하고 있다. 본 선행기술은 모터의 외경과 모터의 출력 기어의 외경 차이에 의해 발생되는 공간을 이용하여 리드 와이어를 배치함으로써 패키징 공간을 최소화하는 이점을 보이고 있다.
하지만, 모터와 인버터를 연결하기 위해 리드 와이어를 이용하고 있어, 리드 와이어의 배치 및 접속 등에 따르는 조립 공정이 요구될 뿐만 아니라, 리드 와이어의 접속을 위한 공간이 필요함에 따라 케이싱의 크기가 커지는 문제점이 있다.
나아가 전기 자동차에서 전기 동력 시스템의 패키징은 좀 더 컴팩트하게 발전되어야 하며, 동시에 경량성 및 조립성 등을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
미국특허등록 US 6,533,696호
본 발명은 변속기, 구동 모터, 및 인버터의 3가지 구성품을 완전히 일체화 시키고 하우징 내에서 상호 접속 구조를 간소화하여 전기 동력 시스템을 컴팩트하게 구성하며, 조립성을 향상시키는 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템은, 전기 자동차 내에 설치되는 전기 동력 시스템에 있어서, 하우징; 상기 하우징 내에 수용되는 구동 모터; 상기 하우징 내에서 상기 구동 모터의 상부에 배치되며, 상기 하우징의 외부로부터 인입되는 배터리의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 구동 모터에 공급하는 인버터; 상기 하우징 내에서 상기 인버터가 수용되는 공간과 상기 구동 모터가 수용되는 공간을 구획하는 제1 격벽을 통과하여 상기 인버터와 상기 구동 모터 사이에 배치되며, 상기 인버터와 상기 구동 모터를 전기적으로 연결하는 커넥터 장치; 상기 하우징 내에 설치되며, 상기 구동 모터의 회전축과 스플라인 체결부에 의해 연결되는 변속기; 및 상기 하우징의 전방으로 돌출되며 선단부에 상기 전기 자동차의 차동장치에 결합 가능한 축결부를 갖는 변속 구동축을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템은, 상기 하우징은 상기 구동 모터가 수용되는 구동 모터 수용부, 상기 인버터가 수용되는 인버터 수용부, 및 상기 변속기가 수용되는 변속기 수용부가 일체로 형성되며, 상기 구동 모터 수용부와 상기 변속기 수용부를 구획하는 제2 격벽을 통과하여 상기 스플라인 체결부가 설치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템은, 상기 커넥터 장치는 상부와 하부에 각각 복수의 결합 소켓를 구비하며, 상기 인버터의 하부에 장치된 결합 핀과 상기 구동 모터의 상부에 장치된 결합 핀이 상기 커넥터 장치의 결합 소켓에 원터치 결합된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템은, 상기 구동 모터는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템은, 상기 하우징 내에서 상기 구동 모터와 상기 인버터는 냉각 구조를 공유한다.
본 발명의 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템에 따르면, 변속기, 구동 모터, 및 인버터가 일체로 구성되어 패키징 공간을 최소화 할 수 있으며, 구동 모터와 인버터를 전기적으로 연결하는 커넥터 장치를 이용하여 별도의 리드 와이어 배선 없이 두 구성품을 연결할 수 있고, 하우징 내에서 변속기와 구동 모터를 스플라인 체결하는 구조를 가짐으로써, 일체형 전기 동력 시스템의 조립성을 향상시키고 유지보수를 용이하게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 동력 시스템을 예시한 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 외관 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 내부 구조를 보인 단면 구성도, 및
도 4는 도 3에서 커넥터 장치의 연결 구조를 보인 확대 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 외관 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 내부 구조를 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 하우징(100)은 전기 자동차에 탑재되는 변속기(140), 구동 모터(110), 및 인버터(120)를 수용하는 일체형 구조를 가진다. 하우징(100)은 각 구성품을 수용하는 구동 모터 수용부(102), 인버터 수용부(104), 및 변속기 수용부(106)의 3부분으로 구성된다. 구동 모터 수용부(102)의 상측에 인버터 수용부(104)가 배치되며, 구동 모터 수용부(102)의 동력 전달 방향 전방으로 변속기 수용부(106)가 배치된다.
하우징 내부에는 각각의 수용부를 구획하기 위한 격벽이 형성된다. 도 3을 참조하면, 제1 격벽(162)은 구동 모터 수용부(102)와 인버터 수용부(104)를 구획한다. 제2 격벽(164)은 구동 모터 수용부(102)와 변속기 수용부(106)를 구획한다.
하우징(100) 내에서 인버터(120)는 제1 격벽(162)을 통과하여 구동 모터(110)에 전기적으로 연결된다. 또한, 구동 모터(110)의 회전축(112)이 제2 격벽(164)을 통과하여 변속기(140)와 스플라인 체결부(150)에 의해 연결된다.
구동 모터(110)는 전기 자동차를 구동하기 위한 회전력을 발생시키는 수단으로, 바람직하게는 영구자석이 매입되는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)로 구성된다. 도 3을 참조하면, 고정자(114) 주변으로 고정자 권선(116)이 권취되며, 고정자(114)의 내측으로 회전자(118)가 설치된다. 회전자(118)자에는 영구자석이 매입 설치된다.
인버터(120)는 구동 모터(110)를 제어하기 위한 전력변환 장치로서, 하우징(100)의 외부로부터 인입되는 배터리의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 구동 모터(110)에 공급한다. 또한, 구동 모터(110)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전시킬 수 있다. 인버터(120)는 차량의 제어 기능을 가진 MCU(Micro Control Unit)를 포함할 수 있다.
변속기(140)는 구동 모터(110)의 회전력을 감속하는 수단으로, 높은 토크가 필요한 등판 영역(1단)과 고속 운전 영역(2단)을 변환하는 2단 변속기로 구성된다. 변속기(140)의 출력단에 형성되는 변속 구동축(144)은 차동장치와 축 결합하기 위한 수단으로, 도시된 바와 같이 하우징(100)의 외부로 돌출된다.
여기서, 인버터(120)와 구동 모터(110)의 사이에는 하우징(100)의 수직 방향을 따라 커넥터 장치(130)가 배치된다. 도 3에서와 같이, 커넥터 장치(130)는 제1 격벽(162)을 통과하여 인버터(120)와 구동 모터(110) 사이에 배치된다.
커넥터 장치(130)는 인버터(120)와 구동 모터(110)를 전기적으로 연결한다. 바람직하게는, 커넥터 장치(130)는 인버터(120)와 구동 모터(110) 각각에 대하여 핀 결합 구조를 갖는다.
도 4는 도 3에서 커넥터 장치의 연결 구조를 부분적으로 절취하여 확대 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 커넥터 장치(130)의 상면과 하면에는 각각 복수의 결합 소켓(132)이 구비된다. 이에 대응하여 인버터(120)의 하면과 구동 모터(110)의 상면에는 결합 핀(134)이 구비된다. 결합 소켓(132)은 결합 핀(134)의 외주면에 탄성 접촉되는 구조를 가진다. 따라서 구동 모터(110)와 인버터(120)를 각각 구동 모터 수용부(102)와 인버터 수용부(104)에 장착하면서 결합 핀(134)을 결합 소켓(132)에 삽입하는 것으로 구동 모터(110)와 인버터(120)간의 전기적인 접속이 완료된다.
즉, 구동 모터(110)와 인버터(120)간의 전기적인 접속이 원터치 결합으로 이루어짐으로써, 배선 공간을 최소화 할 수 있어 일체형 전기 동력 시스템의 패키징 공간을 크게 줄일 수 있다. 또한, 리드 와이어를 채용하지 않음에 따라 구성품의 조립성이 크게 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 일체형 전기 동력 시스템은 하우징(100) 내에서 일부 구성품들의 냉각 구조를 공유할 수 있다. 예를 들어, 변속기(130)는 오일 순환 방식으로 냉각하며, 구동 모터(110)와 인버터(120)는 강제 수냉식으로 냉각한다. 이때, 구동 모터(110)와 인버터(120)는 냉각 방식이 동일하므로, 동일한 냉각라인을 이용하여 냉각 구조를 공유할 수 있다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 하우징 102 : 구동 모터 수용부
104 : 인버터 수용부 106 : 변속기 수용부
110 : 구동 모터 112 : 회전축
114 : 고정자 116 : 고정자 권선
118 : 회전자 120 : 인버터
130 : 커넥터 장치 132 : 결합 소켓
134 : 결합 핀 140 : 변속기
144 : 변속 구동축 150 : 스플라인 체결부
162 : 제1 격벽 164 : 제2 격벽

Claims (5)

  1. 전기 자동차 내에 설치되는 전기 동력 시스템에 있어서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 수용되는 구동 모터;
    상기 하우징 내에서 상기 구동 모터의 상부에 배치되며, 상기 하우징의 외부로부터 인입되는 배터리의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 구동 모터에 공급하는 인버터;
    상기 하우징 내에서 상기 인버터가 수용되는 공간과 상기 구동 모터가 수용되는 공간을 구획하는 제1 격벽을 통과하여 상기 인버터와 상기 구동 모터 사이에 배치되며, 상기 인버터와 상기 구동 모터를 전기적으로 연결하는 커넥터 장치;
    상기 하우징 내에 설치되며, 상기 구동 모터의 회전축과 스플라인 체결부에 의해 연결되는 변속기; 및
    상기 하우징의 전방으로 돌출되며 선단부에 상기 전기 자동차의 차동장치에 결합 가능한 축결부를 갖는 변속 구동축
    을 포함하는 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 구동 모터가 수용되는 구동 모터 수용부, 상기 인버터가 수용되는 인버터 수용부, 및 상기 변속기가 수용되는 변속기 수용부가 일체로 형성되며, 상기 구동 모터 수용부와 상기 변속기 수용부를 구획하는 제2 격벽을 통과하여 상기 스플라인 체결부가 설치되는 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커넥터 장치는 상부와 하부에 각각 복수의 결합 소켓를 구비하며, 상기 인버터의 하부에 장치된 결합 핀과 상기 구동 모터의 상부에 장치된 결합 핀이 상기 커넥터 장치의 결합 소켓에 원터치 결합되는 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 모터는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)인 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 내에서 상기 구동 모터와 상기 인버터는 냉각 구조를 공유하는 전기 자동차용 일체형 전기 동력 시스템.
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