KR20180035321A - 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법에 관한 것으로,
금속판재로 제작되고, 중앙부위에 다수의 방열돌출부가 마련되고, 외곽부위에 다수의 체결구멍과 다수의 엠보싱이 마련된 기술 구성을 통해
파워 콘트롤 유니트 커버의 제작성 향상, 경량화, 원가절감을 도모할 수 있게 됨은 물론 방열성능 및 강도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

Description

전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법 { POWER CONTROL UNIT COVER FOR VEHICLE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF }

본 발명은 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 인버터나 컨버터를 포함한 열원이 내장되는 파워 콘트롤 유니트 박스의 상단을 밀폐하는 것에 관한 것이다.

본 발명에서 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트(PCU; Power Control Unit)는 전기자동차의 동력을 제어하는 것이다.

예를 들어 친환경 자동차인 전기자동차의 동력장치는 전기모터와 배터리로 구성되고, 이를 제어하기 위한 동력 제어장치인 파워 콘트롤 유니트(PCU; Power Control Unit)를 구비한다.

전기자동차에서 배터리는 전기에너지를 저장하는 역할을 수행하고, 저장된 전기에너지는 파워 콘트롤 유니트에 내장된 전력변환장치(컨버터/인버터)를 통해 전기모터로 전달된다.

즉, 전기모터에서 발생한 동력을 파워 콘트롤 유니트를 통해 바퀴에 전달하여 전기자동차를 구동한다.

한편, 친환경 자동차인 전기자동차(EV)나 하이브리드 전기자동차(HEV)에서 방열이 되지 않으면 전기모터와 인버터의 효율이 급격히 저하되고 고온이 지속될 경우 작동이 멈출 수도 있다.

또한, 배터리도 마찬가지로 일정 온도 이상이 되면 충방전 효율이 급격히 저하되고 수명 단축되므로 방열개선은 친환경 자동차의 성능 및 신뢰성을 확보하는 매우 중요한 요소이다.

친환경 자동차의 특성상 이에 적용되는 전기기기들은 경량화, 박형화, 소형화가 추진되고 있다.

특히, 전자 소자가 고집적화될수록 더욱 많은 열이 발생하는데 이러한 방출열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변소자의 오작동 기판의 열화의 원인이 되어 안전과 직접적인 연관관계인 친환경 자동차의 파워 콘트롤 유니트(PCU;Power Control Unit)의 경우 고파워화와 고온 동작화가 진행되므로 더욱 방열이 절실히 필요하게 된다.

방열 부품의 개발 및 제품화를 전진시켜서 경량화, 박형화, 소형화가 가능한 방열성능이 가장 효율 좋게 인출되는 형상 및 재료의 개발이 필수적이나 방열성능의 인자를 확인하여 최적조건을 산출하는 것은 실제로 시작품을 제작하여 시험/평가를 반복하는 노력이 수반된다.

또한, 자동차는 사막으로부터 한냉지까지 가혹한 환경에서 사용되고, 진동을 수반하므로 방열재료에 대하여서는 내열성, 내한성, 내진동성이 높은 재료의 선정이 함께 적용되어야 한다.

하기의 특허문헌 1에는 전기소자의 삽입이 용이할 뿐만 아니라, 전기소자의 양측면과 냉각수가 유동되는 튜브가 서로 접촉하도록 형성되어 냉각 성능을 향상된 전기소자 냉각용 열교환기와, 전기소자 냉각용 열교환기의 튜브에 일정 압력이 유지되도록 높이방향으로 압력을 가하는 상ㆍ하부 플레이트와, 상기한 구성을 내부에 수용하는 외부 하우징을 포함하여 형성됨으로써, 전기소자의 효율적인 냉각이 이루어질 수 있으며, 모듈화가 가능하여 차량 내 장착이 간편한 전기소자 쿨링모듈이 개시되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 사시도이다.

도 1과 같이 종래 기술에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 다이캐스팅으로 제적된 파워 콘트롤 유니트 박스와 같이 알루미늄 다이캐스팅으로 제작된 것이 주로 사용되었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0109200호 (2016년 09월 21일 공개)

그러나 종래 기술에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 두께가 두껍고 중량이 무거울 뿐 아니라 파워 콘트롤 유니트 박스 내부의 열을 외부로 방출시키는 방열성능 및 강성이 좋지 못한 단점이 있다.

또한, 종래 기술에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 파워 콘트롤 유니트 박스에 밀착되는 형합부를 기계 절삭가공해야 하는 등 제작이 번거롭고 제작비용이 많이 들게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 파워 콘트롤 유니트 박스 내부의 열을 외부로 방출시키는 방열성능 및 강성이 뛰어난 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 그 다른 목적이 부피가 작고, 중량이 가볍고, 제작이 용이한 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 금속판재로 제작되고, 중앙부위에 다수의 방열돌출부가 마련되고, 외곽부위에 다수의 체결구멍과 다수의 엠보싱이 마련된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 방열돌출부의 평면 형상이 장방형으로 이루어지고, 작은 크기의 것의 외곽에 큰 크기의 것이 순차적으로 마련되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 방열돌출부의 종단면 형태가 돌출 원호와 요입 원호가 반복되는 물결형이나 변형 물결형, 사각 돌출형, 사다리꼴 돌출형 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 방열돌출부의 종단면 형태가 내측에 수직부가 마련되고, 수직부의 상단에 수평부가 마련되고, 수평부의 외측에 경사부가 마련된 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 금속판재의 재질이 알루미늄인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조방법은 금속판재를 프레스금형을 통해 금속판재를 가압하여 금속판재의 외곽부위를 강제 스트레칭하면서 금속판재의 중앙부위에 다수의 방열돌출부를 형성하는 드로잉 단계; 금속판재의 외곽 스트레칭 부위를 절단하고, 파워 콘트롤 유니트 박스와의 체결을 위한 체결구멍을 형성하는 트리밍 및 피어싱 단계; 프레스금형을 통해 파워 콘트롤 유니트 박스에 밀착되는 부위의 표면에 다수의 엠보싱을 형성하는 엠보싱 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법에 의하면, 파워 콘트롤 유니트 박스 내부의 열을 효율적으로 외부로 방출시킬 수 있게 되어 파워 콘트롤 유니트 박스에 내장되는 인버터, 컨버터 등의 성능 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법에 의하면, 파워 콘트롤 유니트의 경량화를 도모할 수 있게 되므로 차량의 연비 향상에 기여할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법에 의하면, 작은 부피로 용이하게 제작할 수 있게 되므로 파워 콘트롤 유니트 및 차량의 원가 절감을 도모할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 방열돌출부의 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조공정도,
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조과정을 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조공정도,
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조과정을 나타낸 평면도
도 7은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 강성 확인을 위한 일반 물결 형태의 방열돌출부의 종단면도,
도 8 및 도 9는 일반 물결형태 방열돌출부를 가지는 커버의 두께별, 소재별 강성을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 사각돌출형과 물결형을 접목한 방열돌출부의 종단면도,
도 11은 도 8의 방열돌출부를 가지는 커버의 두께별, 소재별 강성을 나타낸 그래프,
도 12는 엠보싱을 전체면적으로 확대한 제품의 강성을 나타낸 그래프,
도 13은 굽힘시험에 사용된 판재의 사시도,
도 14는 도 11의 판재의 굽힘시험의 결과를 나타낸 그래프.

이하 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버 및 그 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 평면도이다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 인버터와 컨버터를 포함한 동력제어부품(300)이 내장되는 파워 콘트롤 유니트 박스(200)의 상단을 밀폐하는 것이다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 금속판재로 제작되고, 내부식성, 강성 등을 고려한다면 파워 콘트롤 유니트 박스(200)와 같은 재질의 알루미늄 계열의 재질이 바람직하다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 중앙부위에 다수의 방열돌출부(110)가 마련되고, 파워 콘트롤 유니트 박스(200)에 밀착되는 외곽부위에 다수의 체결구멍(101)과 다수의 엠보싱(120)이 마련된 형태이다.

방열돌출부(110)는 평면 형상이 장방형으로 이루어지고, 작은 크기의 것의 외곽에 큰 크기의 것이 순차적으로 마련된다.

도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 방열돌출부의 예시도이다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)에 있어서 방열돌출부(110)는 도 4의 (a) 내지 (c)와 같이 다양한 형태로 형성될 수 있다.

즉, 방열돌출부(110)는 종단면 형태는 돌출 원호와 요입 원호가 반복되는 물결형이나 변형 물결형, 사각 돌출형, 사다리꼴 돌출형, 그 밖의 다양한 형태를 가질 수 있다.

또한, 방열돌출부(110)는 도 10과 같이 내측에 수직부(111)가 마련되고, 수직부(111)의 상단에 수평부(112)가 마련되고, 수평부(112)의 외측에 경사부(113)가 마련된 형태를 가질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조공정도이고, 도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조과정을 나타낸 평면도이다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 드로잉 단계, 트리밍 및 피어싱 단계, 엠보싱 단계를 포함하는 제조방법을 통해 제조된다.

드로잉 단계는 강제적인 스트레칭 공법이 적용된 드로잉으로, 금속판재를 프레스금형을 통해 금속판재를 가압하여 금속판재의 외곽부위를 강제 스트레칭하면서 금속판재의 중앙부위에 다수의 방열돌출부(110)를 형성하는 단계이다.

드로잉 단계에서는 금속판재의 외곽부위를 스트레칭함으로써 금속판재의 구김, 파단, 클랙 및 대변형의 성형과정에서 소재의 부담을 최소화하고 치수 정밀도를 높일 수 있게 된다.

트리밍 및 피어싱 단계는 금속판재의 외곽 스트레칭 부위를 절단하고, 파워 콘트롤 유니트 박스(200)와의 체결을 위한 체결구멍(101)을 형성하는 단계이다.

엠보싱 단계는 플랜지 강성확보 및 제품의 평행도를 향상시키기 위한 것으로, 프레스금형을 통해 파워 콘트롤 유니트 박스(200)에 밀착되는 부위의 표면에 다수의 엠보싱(120)을 형성하는 단계이다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 중량이 가볍고 두께가 얇은 금속판재를 통해 간편하게 제작되므로 파워 콘트롤 유니트의 경량화를 도모할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 중앙부에 마련되는 다수의 방열돌출부(110)를 통해 파워 콘트롤 유니트 박스(200) 내부의 열을 보다 효율적으로 외부로 방열할 수 있게 된다.

즉, 파워 콘트롤 유니트 박스(200) 내부에는 동력을 제어하기 위한 인버터와 컨버터 등의 발열부품(300)이 설치되고, 이들의 동작과정에서 발생되는 열로 인하여 파워 콘트롤 유니트 박스(200) 내부의 온도가 상승된다.

이때 파워 콘트롤 유니트 박스(200) 내부의 열은 파워 콘트롤 유니트 박스(200)와 파워 콘트롤 유니트 커버(100)를 통해 외부로 방열된다.

따라서 파워 콘트롤 유니트 커버(100)는 일정 수준 이상의 방열 성능이 요구된다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버(100)의 방열 성능을 한국화학융합시험연구원에서 다음과 같이 평가하였다.

시험규격에 의한 시험방법을 적용하여 파워 콘트롤 유니트 박스 내부온도 120℃를 구현하기 위해서는 히터온도 600℃ 이상 가열이 필요하여 시험규격에 의한 시험이 불가하므로 이를 대신하여 방열 특성을 평가할 방법으로 하기의 시험방법을 채택하였다.

1. 제품 온도 측정

* 시험규격

수요처(현대모비스) 시험규격 : 내부 201℃까지 가열 후 공냉에 의해 내부온도 최소 120℃ 유지

- 내부온도 120℃ 유지 불가로 하기의 시험방법을 통해 방열특성을 평가함.

* 시험방법

① 히터 210℃까지 가열 후 파워 콘트롤 유니트 박스 내부 온도 47℃ ~ 48℃ 유지 ; 유지시간 30분

② 유지시간동안 커버 내/외측 표면 온도 계측

③ 측정시료

- 기존 커버 (알루미늄 다이캐스팅) : #1

- 본 발명에 따른 커버 (알루미늄판재, 엠보 및 주름 성형) 3ea ; #2~#4

- 본 발명에 따른 커버 (알루미늄판재, 주름 성형) 2ea : #5. #6

④ 커버 내/외부 표면 온도 차이 및 내부 온도에 대한 방열온도(외부표면 온도)로 방열 효율 평가

2, 시험결과

시험결과는 다음의 표 1 내지 표 3과 같다.

	중량(g)		시험방법
#1	777.20		전기식 지시저울
#1	198.89		전기식 지시저울
#1	198.89		전기식 지시저울
#1	197.78		전기식 지시저울
#1	197.79		전기식 지시저울
#1	198.49		전기식 지시저울

	Maximum Temperature (℃)
	Heater ①	Inside of Cover ②	Inside Surface of Cover ③	Outside Surface of Cover ④
#1	210	48	27	34
#2	210	48	44	43
#3	210	47	45	44
#4	210	48	43	42
#5	210	48	45	44
#6	210	47	44	43

	Temperature Difference (℃)		방열효율(%)
	③-④	②-④	④/②×100
#1	3	13	70.8
#2	1	5	89.6
#3	1	4	93.6
#4	1	6	87.5
#5	1	4	91.7
#6	1	4	91.5

- 시험결과 박스 내부의 온도는 모든 경우에서 47℃ ~ 48℃로 유지되었으며, 방열시험을 위한 시험의 조건은 동일함.

- 시험결과와 같이 파워 콘트롤 유니트 박스 내부의 열을 외부로 방출하는 방열효과는 기존 커버에 비해 본 발명 커버가 좋음이 확인됨.

- 커버의 내/외부 표면의 온도차가 작을수록 방열효과가 뛰어나며, 측정결과 본 발명 커버의 온도차는 1℃로 기존 커버의 3℃보다 작게 나타남.

- 기존 커버의 경우 약 73%의 내부의 열을 외부로 방열하는데 비해 본 발명커버의 경우 약 90%의 내부 열이 외부로 방열됨.(최대/외소값 제외 평균 90.0%) 20% 특성 향상됨.

한편, 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버는 그에 가해지는 외부 충격에 의해 파손되거나 변형되지 않아야 파워 콘트롤 유니트 박스(200) 내부에 설치된 각종 동력제어부품(300)을 안전하게 보호할 수 있게 되며, 그에 따라 일정 수준 이상의 강성이 요구된다.

본 발명에 따른 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 강성을 확인하기 위하여 도 7과 같이 일반 물결형태 방열돌출부를 가지는 커버의 두께별, 소재별 강성을 측정하였다.

그 결과 도 8과 같이 재료 두께에 따른 하중의 변화와 강성의 변화가 비례하고, 재료에 따른 소재에 따른 차이는 미비한 것으로 확인되었다.

다음에 물결형태의 방열돌출부를 가지는 커버의 방열돌출부의 간격을 좁히고 및 돌출부 반경값을 변경한 후 강성을 알루미늄 압연원재료와 대비 측정하였다.

그 결과 도 9와 같이 물결형태의 방열돌출부를 가지는 커버의 강성은 확인되고 있으나 1.2T 원재료의 강성이 0.8T 물결형태의 방열돌출부를 가지는 커버 대비 우위로 나타나고 있어 추가적인 엠보싱 패턴의 개선이 필요한 것으로 확인되었다.

다음에 도 10과 같이 사각돌출형과 물결형의 장점을 접목한 수직부(111), 수평부(112), 경사부(113)를 가지는 형태의 방열돌출부(110)를 가지는 커버의 강성을 측정하였다.

그 결과 도 11과 같이 1,0T 제품의 강성이 2차 테스트 1.2T에 대비할 때 비교우위에 있는 것으로 확인되었다.

다음에 엠보싱(120)을 전체 면적으로 확대하고 커버의 강성을 측정하였다.

그 결과 도 12와 같이 강성은 3~5% 향상되었으나 데이타의 유의차는 적게 나타났다.

한편. 강성확보를 위한 패턴의 성형 후 일반 알루미늄 판재와의 굽힘성능을 비교 테스트하였고, 그 결과 약 3배 이상의 강성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.

이때 엠보싱(120)과 방열돌출부(110)가 함께 형성된 제품과 방열돌출부(110)만 성형된 제품의 강성은 유사한 것으로 확인되었다.

도 13은 굽힘시험에 사용된 판재의 사시도이고, 도 14는 동 굽힘시험의 결과를 나타낸 그래프이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 파워 콘트롤 박스 커버
110 : 방열돌출부
120 : 엠보싱

Claims (6)

1. 인버터와 컨버터를 포함한 동력제어부품(300)이 내장되는 파워 콘트롤 유니트 박스(200)의 상단을 밀폐하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버로,
   금속판재로 제작되고, 중앙부위에 다수의 방열돌출부(110)가 마련되고, 외곽부위에 다수의 체결구멍(101)과 다수의 엠보싱(120)이 마련된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버.
2. 제1항에 있어서,
   방열돌출부(110)는 평면 형상이 장방형으로 이루어지고, 작은 크기의 것의 외곽에 큰 크기의 것이 순차적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버.
3. 제1항에 있어서,
   방열돌출부(110)의 종단면 형태는 돌출 원호와 요입 원호가 반복되는 물결형이나 변형 물결형, 사각 돌출형, 사다리꼴 돌출형 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버.
4. 제1항에 있어서,
   방열돌출부(110)의 종단면 형태는 내측에 수직부(111)가 마련되고, 수직부(111)의 상단에 수평부(112)가 마련되고, 수평부(112)의 외측에 경사부(113)가 마련된 형태인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버.
5. 제1항에 있어서,
   금속판재의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버.
6. 인버터와 컨버터를 포함한 동력제어부품(300)이 내장되는 파워 콘트롤 유니트 박스(200)의 상단을 밀폐하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버를 제조하는 방법으로,
   금속판재를 프레스금형을 통해 금속판재를 가압하여 금속판재의 외곽부위를 강제 스트레칭하면서 금속판재의 중앙부위에 다수의 방열돌출부(110)를 형성하는 드로잉 단계;
   금속판재의 외곽 스트레칭 부위를 절단하고, 파워 콘트롤 유니트 박스와의 체결을 위한 체결구멍(101)을 형성하는 트리밍 및 피어싱 단계;
   프레스금형을 통해 파워 콘트롤 유니트 박스에 밀착되는 부위의 표면에 다수의 엠보싱(120)을 형성하는 엠보싱 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 파워 콘트롤 유니트 커버의 제조방법.

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