KR20160119986A - 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템에 관한 것으로서, 전기 자동차 내에 설치되며, 변속기를 수용하는 변속기 수용부와, 구동 모터를 수용하는 구동 모터 수용부와, 인버터를 수용하는 인버터 수용부가 일체로 구성되는 일체형 전기 동력 시스템에 있어서, 상기 구동 모터 수용부 내에서 상기 구동 모터의 냉각을 위해 설치되는 구동 모터 냉각관; 상기 구동 모터 수용부의 상단부에 오목하게 형성되며, 그 단부에 상기 구동 모터 냉각관과 연통되는 구동 모터 냉각관 단말이 노출 형성되는 치합 홈부; 상기 인버터 수용부 내에서 상기 인버터의 냉각을 위해 설치되는 인버터 냉각관; 상기 인버터 수용부의 하단부에 돌출 형성되어 상기 치합 홈부에 치합되며, 그 단부에 상기 인버터 냉각관과 연통되는 인버터 냉각관 단말이 노출 형성되는 치합 돌부; 상기 구동 모터 수용부의 상단부에서 상기 치합 홈부 둘레로 매설되고, 상기 인버터 수용부의 하단부에 기밀하게 가압 밀착되는 제1 오링; 및 상기 치합 홈부 내에서 상기 구동 모터 냉각관 단말 둘레로 매설되고, 상기 치합 돌부의 하단부에 기밀하게 가압 밀착되는 제2 오링을 포함한다.
본 발명에 따르면, 인버터 수용부를 구동 모터 수용부 상에 조립하는 것으로 인버터와 구동 모터의 냉각 구조를 공유할 수 있으며, 구동 모터와 인버터의 조립성을 향상시킴은 물론 일체형 전기 동력 시스템의 경박 단소화를 저해하지 않으면서 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템{INTEGRATED ELECTRIC DRIVE SYSTEM HAVING SHARED COOLING STRUCTURE}
본 발명은 전기 자동차에 탑재되는 일체형 전기 동력 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간편한 조립으로 구동 모터와 인버터의 냉각 구조를 공유할 수 있는 새로운 구조의 냉각 구조 공유형 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 모듈화 되고 있다. 예컨대, 변속기, 구동 모터, 및 인버터를 단일 케이싱에 수용하는 일체형 동력 시스템이 개발되었다. 일체형 동력 시스템은 각 구성품들이 조밀하게 밀집되어 있어, 각 구성품들에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각시키기 위한 냉각 구조가 요구된다. 통상적으로 변속기는 유냉식으로 냉각되며, 구동 모터 및 인버터는 수냉식으로 냉각된다.
한편, 미국 특허등록 US 7,775,060호는 감속기, 모터, 및 인버터를 일체형으로 구성하면서, 감속기를 냉각하기 위한 냉각제와 모터를 냉각하기 위한 냉각제의 열교환을 수행하는 열교환기를 일체형 구조 부재 내에 수용하는 기술을 개시하고 있다. 이 선행문헌은 열교환기를 내장하여 빠른 열교환을 도모하고 있지만, 열교환기를 내장함으로 인해 일체형 전기동력 시스템의 컴팩트한 설계가 곤란한 문제점이 있다. 또한, 열교환기를 내장하면서 시스템 전체의 냉각 구조에 대한 조립성이 크게 저하되며 제품 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
미국 특허등록 US 7,775,060호
본 발명은 구동 모터와 인버터의 조립성을 향상시키면서 양자의 냉각 구조를 공유하도록 하며, 일체형 전기 동력 시스템의 경박 단소화를 저해하지 않으면서 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템은, 전기 자동차 내에 설치되며, 변속기를 수용하는 변속기 수용부와, 구동 모터를 수용하는 구동 모터 수용부와, 인버터를 수용하는 인버터 수용부가 일체로 구성되는 일체형 전기 동력 시스템에 있어서, 상기 구동 모터 수용부 내에서 상기 구동 모터의 냉각을 위해 설치되는 구동 모터 냉각관; 상기 구동 모터 수용부의 상단부에 오목하게 형성되며, 그 단부에 상기 구동 모터 냉각관과 연통되는 구동 모터 냉각관 단말이 노출 형성되는 치합 홈부; 상기 인버터 수용부 내에서 상기 인버터의 냉각을 위해 설치되는 인버터 냉각관; 상기 인버터 수용부의 하단부에 돌출 형성되어 상기 치합 홈부에 치합되며, 그 단부에 상기 인버터 냉각관과 연통되는 인버터 냉각관 단말이 노출 형성되는 치합 돌부; 상기 구동 모터 수용부의 상단부에서 상기 치합 홈부 둘레로 매설되고, 상기 인버터 수용부의 하단부에 기밀하게 가압 밀착되는 제1 오링; 및 상기 치합 홈부 내에서 상기 구동 모터 냉각관 단말 둘레로 매설되고, 상기 치합 돌부의 하단부에 기밀하게 가압 밀착되는 제2 오링을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템은, 상기 인버터 수용부 내에서 상기 인버터의 하단에 접촉되어 상기 인버터의 열을 외부로 방출하는 방열판을 더 포함하며, 상기 인버터 냉각관과 상기 인버터 냉각관 단말의 연결부위는 상기 방열판에 인접하여 배치된다.
본 발명의 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템에 따르면, 본 발명에 따르면, 인버터 수용부를 구동 모터 수용부 상에 조립하는 것으로 인버터와 구동 모터의 냉각 구조를 공유할 수 있으며, 구동 모터와 인버터의 조립성을 향상시킴은 물론 일체형 전기 동력 시스템의 경박 단소화를 저해하지 않으면서 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 동력 시스템을 예시한 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 외관 배면 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 측단면도,
도 4는 본 발명에서 인버터 냉각관의 설치 구조를 예시한 평면도, 및
도 5는 본 발명에 따른 냉각 구조 연결 구성을 확대 도시한 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 배면 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 일체형 전기 동력 시스템의 측단면도로서, 이를 참조하여 본 발명의 일체형 전기 동력 시스템의 구조를 설명하면 다음과 같다.
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 상벽(162)에 인버터 수용부 하벽(166)이 조립되며, 구동 모터 수용부 측벽(164)에 변속기 수용부(106)가 조립되어 일체형 하우징을 구성한다.
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.
인버터(120)는 구동 모터(110)를 제어하기 위한 전력변환 장치로서, 하우징(100)의 외부로부터 인입되는 배터리의 DC 전력을 접속단자(122)로 공급받고, 공급된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 구동 모터(110)를 구동한다. 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.
도 2를 참조하면, 구동 모터 수용부(102)의 상면 후방에는 인버터(120)와 구동 모터(110)의 전기적 연결을 위한 연결단자(130)가 돌출되며, 연결단자(130)에 인접하여 신호선(132)이 배치된다. 연결단자(130)와 신호선(132)의 둘레에는 연결 부위로의 수분 침투를 방지하기 위한 연결단자 보호용 실링부재(134)가 개재된다.
따라서 인버터 수용부(104)를 구동 모터 수용부(102)에 대하여 조립하는 것만으로 인버터(120)와 구동 모터(110)의 전기적 연결을 수행할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일체형 전기 동력 시스템은 냉각수를 이용하여 냉각을 실시하는 구동 모터(110)와 인버터(120) 간 냉각 구조를 공유한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 인버터(120)의 둘레를 따라 인버터 냉각관(210)이 배치되며, 도 3에 나타난 바와 같이, 인버터 수용부(104)의 하단부에 인버터 냉각관(210)과 연통되는 인버터 냉각관 단말(200)이 노출되도록 구비된다.
이와 마찬가지로, 구동 모터 수용부(102) 내에서 구동 모터(110)의 냉각을 위해 구동 모터 냉각관(310)이 설치되며, 구동 모터 수용부(102)의 상단부에 구동 모터 냉각관(310)과 연통되는 구동 모터 냉각관 단말(300)이 노출되도록 구비된다.
도 5는 본 발명에 따른 냉각 구조 연결 구성을 확대 도시한 단면도로서, 도 5를 참조하여 본 발명의 냉각관 공유 구조에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
구동 모터 수용부(102)의 상단부에는 오목하게 치합 홈부(320)가 형성되며, 인버터 수용부(104)의 하단부에는 구동 모터 수용부(102)의 치합 홈부(320)에 치합되도록 돌출된 치합 돌부(220)가 형성된다. 도 5의 확대도에서와 같이, 치합 돌부(220)의 단부로 인버터 냉각관 단말(200)이 노출되며, 치합 홈부(320)의 단부로 구동 모터 냉각관 단말(300)이 노출된다. 인버터 냉각관 단말(200)과 구동 모터 냉각관 단말(300)은 동일 축으로 정렬되어 인버터 수용부(104)를 구동 모터 수용부(102)에 대하여 결합할 때 상호 연통된다.
이때, 양 단말의 연통부로부터 냉각수가 유출되지 않도록 연통부위는 2중 실링 구조를 갖는다. 도시한 바와 같이, 구동 모터 수용부(102)의 상단부에서 치합 홈부(320) 둘레를 따라 제1 오링(330)이 매설된다. 제1 오링(330)은 인버터 수용부(104)의 하단부와 구동 모터 수용부(102)의 상단부 사이에 기밀하게 개재되어, 치합 돌부(220)와 치합 홈부(320) 간의 치합부를 방수 시킨다.
또한, 치합 홈부(320) 내에서 구동 모터 냉각관 단말(300)의 둘레를 따라 제2 오링(340)이 매설된다. 제2 오링(340)은 치합 돌부(220)의 하단부와 치합 홈부(320)의 상단부 사이에 기밀하게 개재되어, 양 단말의 연통부위를 방수 시킨다. 이와 같은 2중 실링 구조에 의해 인버터 냉각 라인과 구동 모터 냉각 라인의 연결부위에서 냉각수가 누수되는 것을 차단할 수 있다.
한편, 인버터 수용부(104) 내의 방열판(124)은 하부로 방열핀(126)이 돌출되는 구조를 가지며, 인버터 냉각관 단말(200)이 인버터 냉각관(210)과 연결되는 부위는 방열판(124)에 인접하여 배치된다. 따라서 공유된 냉각라인과 방열판(124) 사이에서 열교환을 일으켜 인버터(120)의 방열 효과를 더욱 높일 수 있다.
전술한 본 발명의 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템은, 인버터 수용부(104)를 구동 모터 수용부(102)에 대하여 조립하는 과정에서, 구동 모터(110)와 인버터(120)간의 전기적인 접속이 이루어짐은 물론, 양자의 냉각 구조를 공유할 수 있게 된다. 결국, 구동 모터와 인버터의 조립성을 저해하지 않으면서, 냉각 효율을 극대화 할 수 있으며, 구동 모터 수용부(102) 및 치합 홈부(320)에 2중 실링 구조를 형성하여 냉각라인의 연결 부위에서 냉각수가 누수되는 것을 확실하게 방지할 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 120 : 인버터
122 : 접속단자 124 : 방열판
126 : 방열핀 130 : 연결단자
132 : 신호선 134 : 연결단자 보호용 실링부재
140 : 변속기 144 : 변속 구동축
162 : 구동 모터 수용부 상벽 164 : 구동 모터 수용부 측벽
166 : 인버터 수용부 하벽 200 : 인버터 냉각관 단말
210 : 인버터 냉각관 220 : 치합 돌부
300 : 구동 모터 냉각관 단말 310 : 구동 모터 냉각관
320 : 치합 홈부 330 : 제1 오링
340 : 제2 오링

Claims (2)

  1. 전기 자동차 내에 설치되며, 변속기를 수용하는 변속기 수용부와, 구동 모터를 수용하는 구동 모터 수용부와, 인버터를 수용하는 인버터 수용부가 일체로 구성되는 일체형 전기 동력 시스템에 있어서,
    상기 구동 모터 수용부 내에서 상기 구동 모터의 냉각을 위해 설치되는 구동 모터 냉각관;
    상기 구동 모터 수용부의 상단부에 오목하게 형성되며, 그 단부에 상기 구동 모터 냉각관과 연통되는 구동 모터 냉각관 단말이 노출 형성되는 치합 홈부;
    상기 인버터 수용부 내에서 상기 인버터의 냉각을 위해 설치되는 인버터 냉각관;
    상기 인버터 수용부의 하단부에 돌출 형성되어 상기 치합 홈부에 치합되며, 그 단부에 상기 인버터 냉각관과 연통되는 인버터 냉각관 단말이 노출 형성되는 치합 돌부;
    상기 구동 모터 수용부의 상단부에서 상기 치합 홈부 둘레로 매설되고, 상기 인버터 수용부의 하단부에 기밀하게 가압 밀착되는 제1 오링; 및
    상기 치합 홈부 내에서 상기 구동 모터 냉각관 단말 둘레로 매설되고, 상기 치합 돌부의 하단부에 기밀하게 가압 밀착되는 제2 오링
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 수용부 내에서 상기 인버터의 하단에 접촉되어 상기 인버터의 열을 외부로 방출하는 방열판을 더 포함하며,
    상기 인버터 냉각관과 상기 인버터 냉각관 단말의 연결부위는 상기 방열판에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템.
KR1020150048859A 2015-04-07 2015-04-07 냉각 구조 공유형 일체형 전기 동력 시스템 KR101679761B1 (ko)

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