KR20220126707A - 전기차 충전용 케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기차의 충전시 전기차 충전용 케이블에서 발생되는 열을 냉각유체를 사용하여 효율적으로 냉각시키고, 냉각유체와 함께 열전도성 재료를 부가하여 냉각 성능을 향상시켜, 열에 의한 내부 구성의 손상을 방지하고 화재 등의 안전사고를 예방하며, 케이블의 직경을 최소화할 수 있는 전기차 충전용 케이블에 관한 것이다.
Description
본 발명은 냉각 기능을 구비한 전기차 충전용 케이블에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전기차의 충전시 전기차 충전용 케이블에서 발생되는 열을 냉각유체를 사용하여 효율적으로 냉각시키고, 냉각유체와 함께 열전도성 재료를 부가하여 냉각 성능을 향상시켜, 열에 의한 내부 구성의 손상을 방지하고 화재 등의 안전사고를 예방하며, 케이블의 직경을 최소화할 수 있는 전기차 충전용 케이블에 관한 것이다.
전기차의 보급과 함께 전기차 충전기의 설치가 확대되고 있다. 그리고 단시간 내의 충전이 가능하도록 급속 충전이 가능한 급속 충전기가 보급되고 있다. 완속 충전과 달리 급속 충전을 위한 급속 충전기의 출력 전압은 직류 50V 내지 450V 범위이고, 출력 전류는 110A에 달하며, 상기 급속 충전기를 통해 전기차를 충전하는데 소요되는 시간은50분 정도에 불과하다. 전기차의 배터리 용량 및 충전기술에 따라 급속 충전기의 출력 전류는 증가될 것으로 예상된다.
이러한 급속 충전기는 본체에 전기차 충전용 케이블이 연결되고, 충전용 케이블 단부에 케이블 커넥터가 장착되며, 케이블의 커넥터를 전기차에 구비된 전기차 커넥터에 장착하여 전기차 충전기로부터 전기차로 전기를 공급하게 된다.
이와 같은 급속 충전기는 출력 전류가 100A 이상이므로 이를 전기차로 전달하는 전기차 충전용 케이블의 발열이 문제될 수 있다. 전기차 충전용 케이블에서 발생되는 열을 최소화하기 위해서는 전기차 케이블의 도체의 직경을 증가시키는 등의 방법이 있으나, 발열을 충분히 감소시키기 어렵고, 전기차 충전용 케이블의 무게를 증가시키는 문제가 있다.
전기차 충전용 케이블에 발생되는 열은 화재의 위험을 증가시킬 수 있다. 또한, 전기차 충전을 위하여 케이블 커넥터를 전기차 커넥터에 장착하거나 전기차 커넥터로부터 케이블 커넥터를 분리하여 충전기에 거치하는 과정에서 충전용 케이블은 사용자의 신체에 접촉될 수 있고, 충전용 케이블의 발열이 심한 경우 사용자의 부상, 불쾌감 또는 불안감을 유발할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명은 전기차의 충전시 전기차 충전용 케이블에서 발생되는 열을 냉각유체를 사용하여 효율적으로 냉각시키고, 냉각유체와 함께 열전도성 재료를 부가하여 냉각 성능을 향상시켜, 열에 의한 내부 구성의 손상을 방지하고 화재 등의 안전사고를 예방하며, 케이블의 직경을 최소화할 수 있는 전기차 충전용 케이블을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전기차 충전기 본체와 전기차 충전을 위한 케이블 커넥터를 연결하는 전기차 충전용 케이블에 있어서, 냉각유체가 내측에서 유동하는 유체관을 포함하는 냉각부; 상기 냉각부 둘레를 따라 배치되는 복수 개의 도체, 상기 도체 외측을 감싸는 절연층 및 상기 냉각부와 상기 절연층 사이에 열전도성 재료;를 포함하는 복수 개의 전력유닛; 및, 상기 전력유닛 외측을 감싸는 케이블 자켓을 포함하는 전기차 충전용 케이블을 제공할 수 있다.
또한, 상기 열전도성 재료의 점도는 상온 기준 103 cp 내지 106 cp일 수 있다.
그리고, 상기 열전도성 재료의 열전도도는 0.5 W/m·K 이상일 수 있다.
여기서, 상기 열전도성 재료는 실록산 폴리머와 열전도성 금속산화물의 혼합물로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 전력유닛은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 상기 전력유닛 내측의 상기 냉각부의 냉각유체 유동방향은 반대방향일 수 있다.
그리고, 상기 케이블 자켓 내부에 접지도체 및 상기 접지도체를 감싸는 절연층을 구비하는 적어도 하나의 접지유닛;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력유닛은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 상기 냉각부는 상기 전기차 충전기에서 상기 케이블 커넥터 방향으로 공급되는 냉각유체가 유동할 수 있다.
그리고, 한 쌍의 상기 냉각부에서 공급된 냉각유체가 상기 케이블 커넥터 근방에서 상기 전기차 충전기 방향으로 회수하는 냉각유체 회수부를 더 구비할 수 있다.
여기서, 상기 냉각유체 회수부는 한 쌍의 상기 전력유닛과 외접하고 상기 접지유닛 반대편에 구비될 수 있다.
이 경우, 상기 냉각부 또는 상기 냉각유체 회수부의 유체관은 고내열 플라스틱, 나일론, 퍼플루오로알콕시 알칸(Perfluoroalkoxy alkane, PFA), 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질 또는 우레탄 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 전력유닛의 도체는 복수의 소선도체가 집합된 집합도체일 수 있다.
그리고, 상기 전력유닛을 구성하는 복수 개의 도체는 상기 냉각부 둘레를 따라 배치되는 복수의 도체로 구성되는 도체 층 외경의 9배 내지 11배 크기의 복합피치를 갖도록 상기 냉각부 둘레에 횡권될 수 있다.
여기서, 상기 전력유닛 및 상기 접지유닛은 상기 전력유닛 외경의 17배 내지 23배 크기의 연합피치를 갖도록 연합될 수 있다.
이 경우, 통신용 도체 및 상기 통신용 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 통신유닛이 적어도 하나 구비될 수 있다.
그리고, 상기 통신유닛은 상기 전력유닛 또는 상기 접지유닛보다 직경이 작으며, 상기 통신유닛 및 상기 접지유닛의 중심을 연결하는 삼각형 외측에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 케이블 자켓의 표면온도가 50도씨 이하가 되도록 상기 전기차 충전기에서 공급되는 냉각유체의 온도와 유량이 결정될 수 있다.
이 경우, 상기 케이블 자켓은 충실형으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 열전도성 재료의 열전도도는 바람직하게 0.5 W/m·K 내지 5.0 W/m·K일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전기차 충전기 본체와 전기차 충전을 위한 케이블 커넥터를 연결하는 전기차 충전용 케이블에 있어서,
절연층 내부에 복수의 집합도체가 원주방향으로 배치된 한 쌍의 전력유닛; 및,
전기차 충전기 본체에서 냉각된 냉각유체가 전기차 충전기와 케이블 커넥터 사이에서 미리 결정된 방향으로 유동하며, 상기 전력유닛의 집합도체 내측에 배치되어 집합도체의 발열을 냉각하기 위한 한 쌍의 유체관;을 포함하고,
상기 집합도체의 통전시 발생되는 열의 상기 유체관 방향 열전달 효율을 증가시키기 위하여, 상기 전력유닛을 구성하는 집합도체 사이에 충진되는 열전도성 재료; 및, 상기 전력유닛 외측을 감싸는 충실형 케이블 자켓;을 포함하는 전기차 충전용 케이블을 제공할 수 있다.
그리고, 상기 전력유닛 내에 구비되는 한 쌍의 유체관 중 제1 유체관을 통해 유동하는 냉각유체는 전기차 충전기에서 케이블 커넥터 방향으로 공급하며, 제2 유체관을 통해 유동하는 냉각유체는 케이블 커넥터에서 전기차 충전기 방향으로 회수될 수 있다.
여기서, 상기 전력유닛 내에 구비되는 한 쌍의 유체관을 통해 유동하는 냉각유체는 전기차 충전기에서 케이블 커넥터 방향으로 공급되며, 한 쌍의 상기 전력유닛의 절연층과 외접하는 위치에 상기 케이블 커넥터 근방에서 회수된 냉각유체가 상기 전기차 충전기 방향으로 유동하는 냉각유체 회수부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블에 의하면, 전기차의 급속 충전시 전기차 충전용 케이블에서 발생되는 열을 냉각유체를 사용하여 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블에 의하면, 한 쌍의 전력유닛 중심부에 냉각부를 각각 구비하여 안정적인 냉각성능을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블에 의하면, 전력유닛을 구성하는 도체 사이에 열전도성 재료를 충진하여 도체 통전시 도체에서 발생되는 열이 냉각유체가 유동하는 냉각부로 빠르게 열전달되도록 하여 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블에 의하면, 전력유닛 자체에 냉각유로를 구비하여, 전력유닛과 별도로 냉각관을 구비하는 기술보다 전기차 충전용 케이블의 전체 직경을 컴팩트하게 할 수 있다.
도 1은 전기차와 전기차 충전기를 도시한다.
도 2는 전기차에 구비되는 전기차 커넥터와 전기차 충전용 케이블이 연결된 케이블 커넥터를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블의 단면도를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 냉각부가 구비된 전력유닛의 확대 단면도를 도시한다.
도 5는 전기차 충전용 케이블의 전력유닛 도체 사이에 열전도성 재료가 주입되지 않고 빈공간으로 구성되는 비교예와 전력유닛 도체 사이에 열전도성 재료가 주입된 본 발명의 하나의 실시예의 통전 시험결과 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
도 2는 전기차에 구비되는 전기차 커넥터와 전기차 충전용 케이블이 연결된 케이블 커넥터를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블의 단면도를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 냉각부가 구비된 전력유닛의 확대 단면도를 도시한다.
도 5는 전기차 충전용 케이블의 전력유닛 도체 사이에 열전도성 재료가 주입되지 않고 빈공간으로 구성되는 비교예와 전력유닛 도체 사이에 열전도성 재료가 주입된 본 발명의 하나의 실시예의 통전 시험결과 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 전기차(ev)와 전기차 충전기(300)를 도시한다.
전기차 충전기(300)는 전기차로 전력 공급을 위하여 케이블 커넥터(200)와 전기차 충전용 케이블(100)로 연결되며, 전기차 충전용 케이블(100)의 단부에는 케이블 커넥터(200)가 구비된다.
케이블 커넥터(200)는 전기차(ev)에 구비된 전기차 커넥터(400)에 장착되어 전력을 공급할 수 있고, 급속 충전기의 경우 짧은 시간에 전기차의 충전을 완료할 수 있다.
전기차 충전기(300)와 전기차(ev)를 전기적으로 연결하는 전기차 충전용 케이블(100)은 큰 전류용량으로 인하여 열이 발생될 수 있고, 화재의 위험 또는 사용자 불안감 등의 해소를 위하여 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 냉각유체를 사용하여 전기차 충전용 케이블(100)을 냉각시키는 방법을 사용한다.
도 2는 전기차에 구비되는 전기차 커넥터(400)와 전기차 충전용 케이블(100)이 연결된 케이블 커넥터(200)를 도시한다. 도 2에 도시된 케이블 커넥터는 단일화 표준 중 하나인 미국·유럽형 '콤보' 방식의 커넥터로서 하나의 커넥터로 교류 방식의 완속 충전 또는 직류 방식의 급속 충전이 모두 가능한 형태의 커넥터로서 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 적용이 가능하다.
그러나, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 도 2에 도시된 미국·유럽형 '콤보' 방식 이외에도 일본 '차데모(CHAdeMO)' 방식, 또는 르노 '교류 3상' 방식 또는 기타 방식의 케이블 커넥터에도 적용이 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 단부에는 케이블 커넥터(200)가 정착되고, 상기 케이블 커넥터(200)는 전기차(ev)에 구비되는 전기차 커넥터(400)에 착탈 가능하게 장착될 수 있는 구조를 갖는다.
'콤보' 방식의 케이블 커넥터는 교류 또는 직류 방식의 커넥터가 일체화되어 각각의 커넥터에는 교류 충전부(210, 410)와 직류 충전부(230, 430)가 각각 구비된다.
이와 같은 케이블 커넥터에 연결된 전기차 충전용 케이블(100)은 급속 충전시 큰 전류량에 의하여 발열이 문제될 수 있으므로, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 냉각유체를 사용하여 발열 문제를 해결하였다.
냉각유체를 사용하여 전기차 충전용 케이블(100)을 냉각하는 구조는 이미 소개된 바가 있으나, 별도의 냉각유체 유로가 전기차 충전용 케이블(100) 내에 구비되어야 하므로, 냉각 효율이 떨어지고 전기차 충전용 케이블(100)의 직경이 커지는 문제가 있었다.
본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 전기차 충전용 케이블(100)을 구성하는 각각의 전력유닛 내부에 유체관을 구비하는 냉각부를 배치하여, 냉각부 외주면 전체로 흡열되도록 하여 냉각 효율을 향상시키고, 전기차 충전용 케이블(100) 직경을 최소화하면서도 안정적인 냉각 성능을 확보하였다. 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 단면도를 도시하며, 도 4는 도 3에 도시된 실시예의 냉각부가 구비된 전력유닛의 확대 단면도를 도시한다.
본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 전기차 충전기 본체와 전기차 충전을 위한 케이블 커넥터를 연결하고, 냉각유체가 내측에서 유동하는 유체관(83)을 포함하는 냉각부(80); 상기 냉각부(80) 둘레를 따라 배치되는 복수 개의 도체(1); 상기 도체 외측을 감싸는 절연층(13) 및 상기 냉각부와 상기 절연층 사이에 열전도성 재료(14);를 포함하는 복수 개의 전력유닛(10); 및, 접지도체(21) 및 상기 접지도체를 감싸는 절연층(23)을 구비하는 적어도 하나의 접지유닛(20); 상기 전력유닛(10) 및 상기 접지유닛(20) 외측을 감싸는 케이블 자켓(70)을 포함하여 구성될 수 있다.
전기차 충전용 케이블(100)에서 주로 발열이 문제되는 부분은 전력을 공급하기 위한 전력유닛(10a, 10b)이며, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 전력유닛은 내부에 냉각부(80a, 80b)가 각각 구비되는 특징을 갖는다.
상기 냉각부(80)는 냉각유체가 내측의 냉각유로(81a, 81b)에서 유동하는 유체관(83a, 83b)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 유체관(83a, 83b)은 내경이 3.5 밀리미터(mm) 내지 9.5 밀리미터(mm)이고, 외경이 5.5. 밀리미터(mm) 내지 12 밀리미터(mm) 크기로 구성될 수 있으며, 재질은 고내열 플라스틱, 나일론, 퍼플루오로알콕시 알칸(Perfluoroalkoxy alkane, PFA), 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질 또는 우레탄 재질로 구성될 수 있다.
상기 유체관(83a, 83b)의 크기와 관련하여, 상기 유체관(83a, 83b)의 외경이 5.5. 밀리미터(mm) 내지 12 밀리미터(mm)인 경우 내경이 3.5 밀리미터(mm)보다 작으면 유체관의 두께가 지나치게 두꺼운 경우에 해당되어 도체의 발열이 냉각유체로 열전달이 원활하지 않아 냉각성능이 저하되고, 반대로 유체관(83a, 83b)의 두께가 너무 작으면 전기차 충전용 케이블의 반복적인 밴딩시 유체관(83a, 83b)의 크랙 발생 또는 그에 따른 냉각유체 누설 가능성이 증가되는 것으로 확인되었다. 따라서, 전술한 범위에서 재질 또는 냉각부하 등에 따라 유체관의 내경과 외경의 크기가 적절하게 결정되는 것이 바람직하다.
상기 냉각부(80a, 80b) 내측의 냉각유로(81a, 81b)를 통해 유동하는 냉각유체는 냉각이 가능하며 유동이 가능한 액체 형태로 제공될 수 있다. 냉각유체는 순수한 물 이외에도 에틸렌 글리콜, 인산염, 규산염, 붕산염 등의 무기계 첨가제, 동결 방지제, 부식 방지제, 고온 안정성 향상제, 거품 방지제 또는 알칼리성 첨가물 중 적어도 하나 이상이 첨가된 형태의 냉각액일 수 있으며, 전기차 충전기 설치 환경에 따라 다양한 액체가 선정되어 사용될 수 있다. 또한, 냉각유체는 물 이외의 오일을 베이스로 하여 구성될 수 있으며 그에 따른 다양한 첨가물이 첨가될 수 있다.
상기 냉각부 외측에는 복수의 도체(11a, 11b)가 구비될 수 있다. 상기 도체(11a, 11b)는 통도체 또는 복수의 소선도체가 집합된 집합도체일 수 있다. 상기 도체(11a, 11b)의 재질은 전도성이 좋은 구리 또는 구리합금 재질로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예는 도체가 집합도체로 구성되는 예를 도시하나 이에 한정되지 않는다. 도체를 집합도체로 구성하는 경우 도 3에 도시된 바와 같이, 수십 개의 소선도체가 집합되어 구성될 수 있다.
그리고 복수 개의 도체는 상기 냉각부(80a, 80b) 둘레에 상기 냉각부 둘레를 따라 배치되는 복수의 도체로 구성되는 도체 층의 외경의 9배 내지 11배 크기의 복합피치를 갖도록 횡권되어 배치될 수 있다.
상기 복합피치가 9배보다 작은 경우 피치 방향에 대해 비틀림에 대한 저항성이 크기 때문에 유연성이 떨어질 수 있고, 복합피치가 11배보다 큰 경우 밴딩으로 인한 스트레스에 취약하게 되어 장기적인 내구성 문제가 발생될 수 있다.
그리고 상기 도체 층 외측에는 도체 층을 감싸는 테이핑층(12)이 더 구비될 수 있다.
상기 테이핑층(12) 외측에는 절연층(13a, 13b)이 구비될 수 있으며, 한 쌍의 전력유닛의 절연층은 서로 다른 색상으로 구성될 수 있다. 상기 절연층의 재질은 합성수지, 예를 들면 IEC 62893 규격에 따른 고무 또는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 도체의 통전시 발생된 열이 빠르게 냉각부로 전달되도록 하기 위하여 도체 사이의 빈공간에 열전도성 재료를 구비할 수 있다.
상기 열전도성 재료는 예를 들면 써멀 컴파운드 형태의 재료일 수 있으며, 플렉서블한 케이블의 도체 사이에 주입되어야 하므로 어느 정도의 유동성이 확보되어야 한다.
상기 열전도성 재료의 열전도도는 0.5 W/m·K 이상일 수 있으며, 더 바람직하게는 0.5 W/m·K 내지 5.0 W/m·K 정도로 구성될 수 있다.
상기 열전도성 재료의 열전도도가 0.5 W/m·K보다 작으면 냉각부의 성능이 떨어져서 케이블 자켓온도가 상승되고, 전력유닛 측면에서는 국부적인 지속적 열전달로 인해 절연체의 수명이 줄어들거나 열전도성 재료의 노화 발생 가능성이 있으며, 5.0 W/m·K 보다 큰 경우 케이블 제조비용이 크게 증가되거나, 후술하는 유동성 또는 점도 조건을 함께 만족시키기 어려운 것으로 확인되었다.
상기 열전도성 재료는 예를 들면 실록산 폴리머와 열전도성 금속산화물의 혼합물로 구성될 수 있으나, 어느 정도의 유동성과 열전도성이 있다면 다양한 재질로 구성될 수 있다.
어느 정도의 유연성이 보장되어야 하는 전기차 충전용 케이블(100)을 구성하기 위한 상기 열전도성 재료의 점도는 상온(20도씨) 기준 103 cp 내지 106 cp 정도를 만족하는 것이 바람직하다. 점도가 103 cp보다 작으면 유동성이 너무 크게 되어 도체 층을 둘러싼 테이핑층(12) 밖으로 유실되어 열전도성 재료가 각 도체 사이에 균일하게 충진된 상태를 유지할 수 없기 때문에 냉각효과가 감소될 수 있고, 점도가 106 cp 보다 크면 전기차 충전용 케이블(100)의 유연성이 감소되고, 케이블의 반복적인 굽힘, 이동이 발생하는 사용환경 특성상 열전도성 재료의 크랙 등이 발생하여 열전도 성능이 저하될 수 있기 때문이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 열전도성 재료는 도체 또는 집합도체를 구성하는 소선도체 사이에 주입되어 도체 발열시 도체의 열(q)을 신속하게 수집하여 냉각부를 유동하는 냉각유체로 전달하게 되어 냉각 성능을 더욱 증대시킬 수 있다.
즉, 도체 사이 공간을 빈공간으로 구성하면 도체의 외주면에서 유체관 방향으로 방사되는 열이 유체관 방향으로는 쉽게 전달되지만 그 이외의 방향으로 방사되는 열은 냉각부 방향으로 전달되기 어렵거나 열전달 시간이 커질 수 있다.
그러나, 상기 도체 사이에 열전도성 재료(14)가 충진되는 경우, 열전도성 재료를 통해 열(q)의 이동과 전달이 빨라져 냉각부를 유동하는 냉각유체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 냉각부(80)를 구성하는 유체관 외주면에 배치된 도체는 원주방향으로 빈틈없이 배치될 수도 있으나, 적어도 일부는 이격되어 배치될 수 있고, 이러한 이격된 틈 사이에 열전도성 재료가 충진되면 도체에서 발생된 열의 냉각부(80)로의 열전달 경로가 더욱 확대되어 냉각 성능이 더 향상될 수 있다.
상기 전력유닛(10a, 10b) 내부에 구비되는 냉각부(80a, 80b)를 유동하는 냉각유체는 도 1의 충전기(300)에서 유체관(83a, 83b)을 유동하며 전력유닛(10a, 10b) 또는 케이블 커넥터 단자 등에서 발생되는 발열을 냉각한 후 도 1의 충전기(300)로 회수되어 냉각된 후 다시 재순환될 수 있다.
따라서, 상기 전력유닛(10a, 10b)과 케이블 커넥터 등의 냉각에 사용된 냉각유체는 전력유닛의 냉각부(80a, 80b)를 따라 유동하며 전력유닛(10a, 10b)과 케이블 커넥터의 냉각 후 케이블 커넥터 근방에서 유로 방향이 변경되고 전력유닛 외측에 구비된 별도의 냉각유체 회수부(80c)를 통해 충전기(300)으로 회수될 수 있다.
상기 냉각유체 회수부(80c)는 냉각부와 마찬가지로 내부애 냉각유체가 회수되는 회수유로(81c)가 구비되며, 회수유로(81c)을 형성하는 유체관(83c)을 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 실시예는 후술하는 도 5에 도시된 실시예와 달리, 상기 전력유닛(10a, 10b)은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b) 내부에 각각 구비된 냉각부(80a, 80b) 내부를 유동하는 냉각유체는 상기 전기차 충전기에서 상기 케이블 커넥터 방향으로 공급되고, 한 쌍의 상기 냉각부(80a, 80b)를 통해 케이블 커넥터 방향으로 공급된 냉각유체는 상기 케이블 커넥터 근방에서 상기 전기차 충전기 방향으로 회수하는 냉각유체 회수부(80c)를 통해 회수될 수 있다.
따라서, 한 쌍의 상기 냉각부(80a, 80b)를 통해 공급되는 냉각유체의 유동방향은 전기차 충전기에서 케이블 커넥터 방향으로 동일하고, 냉각유체 회수부(80c)의 냉각유체 유동방향은 그 반대일 수 있다.
이와 같이, 발열이 심한 각각의 전력유닛(10a, 10b) 내부에 독립적인 냉각부(80a, 80b)를 배치하고, 별도의 냉각유체 회수부(80c)으로 냉각유체를 회수하는 방법으로 고용량 및 고속화되는 충전기의 발열을 안정적으로 완화할 수 있다.
또한, 상기 냉각유체 회수부(80c)는 냉각유체를 회수하는 기능 외에도 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b) 외접하도록 배치되어 냉각유체를 회수하는 과정에서도 전력유닛(10a, 10b)의 냉각 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 냉각유체 회수를 위한 냉각유체 회수부(80c)는 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b)에 대하여 접지유닛(20) 반대편에 배치되어 전기차 충전용 케이블(100) 내부의 빈공간을 최소화하고, 진원도를 향상시키며 전기차 충전용 케이블(100) 전체 외경 감소에 기여할 수 있다.
상기 냉각유체 회수부(80c)는 고내열 플라스틱, 나일론, 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질 또는 우레탄 재질로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 적어도 하나의 접지유닛(20)을 구비할 수 있다.
상기 접지유닛을 구성하는 접지 도체(21) 역시 집합도체 형태로 구성될 수 있으며, 접지 절연층(23)의 재질은 전력유닛의 절연층과 마찬가지로 합성수지, 예를 들면 IEC 62893 규격에 따른 고무 또는 플라스틱 등의 재질로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)은 적어도 하나의 통신유닛(30)을 구비할 수 있다.
통신유닛(30)은 도체(31) 및 도체를 감싸는 절연층(33)을 포함하여 구성될 수 있고, 복수 개의 통신유닛을 감싸 마감하기 위한 통신유닛 자켓(35)을 포함하여 구성될 수도 있다.
상기 통신유닛(30)은 상기 전력유닛(10) 또는 상기 접지유닛(20)보다 직경이 작으며, 상기 전력유닛(10) 및 상기 접지유닛(20)의 중심을 연결하는 삼각형 외측에 배치되어 케이블 직경 증가를 최소화하며, 케이블 원형 형성에 도움을 줄 수 있다.
상기 절연층(33)은 IEC 62893 규격에 따른 고무, 플라스틱 재질 등으로 구성될 수 있으며, 통신유닛 자켓(35) 역시, IEC 62893 규격에 따른 고무 또는 플라스틱재질 등으로 구성될 수 있다.
그리고, 케이블 원형 구성을 위하여 도 3에 도시된 바와 같이, 외경이 비슷하게 구성된 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b)과 접지유닛(20)의 중심을 연결하는 삼각형이 대략 정삼각형 형태로 구성될 수 있다.
상기 접지유닛(20) 및 냉각유체 회수부(80c)는 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b)와 각각 외접하도록 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b)을 사이에 두고 반대편에 각각 배치될 수 있다.
그리고, 상기 전력유닛(10a, 10b) 및 상기 접지유닛(20)은 상기 전력유닛(10a, 10b) 외경의 17배 내지 23배 크기의 연합피치를 갖도록 연합되어 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 전력유닛(10a, 10b), 상기 접지유닛(20), 통신유닛(30a, 30b) 및 냉각유체 회수부(80c)를 감싸는 케이블 자켓(70)이 구비될 수 있다.
상기 케이블 자켓(70)은 외부 충격 방지를 위하여, 충실형으로 구성될 수 있다. 상기 케이블 자켓(70)이 충실형으로 구성되어 별도의 개재 없이도 케이블 원형 구성이 가능하며, 케이블 내의 빈공간을 제거하여 내충격성을 향상시킬 수 있다.
상기 케이블 자켓(70) 재질은 IEC 62893 규격에 따른 고무 또는 플라스틱재질 등으로 구성될 수 있다.
도 3과 후술하는 도 6 및 도 7에 도시된 전기차 충전용 케이블의 케이블 자켓은 충실형 자켓으로 구성되는 것으로 도시 및 설명되나, 이에 한정되지 않으며 상기 케이블 자켓(80)은 충실형 이외에도 단순 피복형 케이블 자켓도 적용될 수 있다.
도 5는 전기차 충전용 케이블(100)의 전력유닛 도체 사이에 열전도성 재료가 주입되지 않고 빈공간으로 구성되는 비교예와 전력유닛 도체 사이에 열전도성 재료가 주입된 본 발명의 하나의 실시예의 통전 시험결과 그래프를 도시한다.
구체적으로 도 5(a)는 전기차 충전기를 통해 400A를 공급하는 경우의 시험 결과이며, 도 5(b)는 전기차 충전기를 통해 500A를 공급하는 경우의 시험결과를 도시한다.
각각의 비교예와 실시예에서 냉각부를 구성하는 유체관 내부의 냉각유로의 직경은 4 밀리미터(mm)이며, 유체관 외경은 6 밀리미터(mm)인 냉각부가 적용되고, 냉각부 둘레에 배치된 도체 직경은 1.78 밀리미터(mm)이며 12개가 구비되며, 전력유닛의 외경은 13밀리미터(mm)인 케이블이 적용되었다.
냉각부를 유동하는 냉각유체로 에틸렌 글리콜 혼합물이 적용되었으며, 냉각부를 구성하는 유체관은 불소수지로서 퍼플루오로알콕시 알칸(Perfluoroalkoxy alkane, PFA) 재질이 적용되었고, 도체는 구리재질이며, 전력유닛의 절연층은 에틸렌 프로필렌( Ethylene Propylene, EPR) 재질이 사용되었다.
상기 냉각유체, 상기 열전도성 재료, 상기 유체관 및 상기 절연층의 열전도도는 각각 0.252 [W/mK], 1.0 [W/mK], 0.250 [W/mK] 및 0.286 [W/mK] 정도이다.
그리고, 상기 실시예의 전력유닛 도체 사이에 주입된 열전도성 재료는 실록산 폴리머와 열전도성 금속산화물의 혼합물이다.
또한, 시험에 사용된 냉각유체는 거의 전 구간에서 구간별 온도 편차가 최소화되도록 충분한 유량을 갖도록 순환되었으며, 냉각유체는 각각 30도씨, 40도씨 그리고 50도씨 3가지 온도로 시험이 수행되었으며, 케이블의 시험구간 전체에서 냉각유체의 온도가 거의 일정하게 유지되도록 충분한 유량으로 공급하였다.
도 5의 시험결과를 통해 각각 400A와 500A 전류를 공급하는 경우 모두 냉각유체의 온도에 따라 표면온도는 비례함을 확인할 수 있고, 전기차 충전용 케이블(100)의 표면 온도를 비교한 결과 400A 공급 시험에서는 냉각유체의 온도에 따라 케이블 표면 온도가 약 8도씨 정도 차이가 발생했으며, 500A 공급 시험에서는 냉각유체의 온도에 따라 케이블 표면 온도가 약 10도씨 정도의 온도차가 발생되는 것으로 측정되었다.
전술한 열전도성 재료의 열전도도가 1.0 [W/mK]이고, 가열된 공기의 열전도도가 0.03 [W/mK] 정도로 가정할 수 있으므로, 전력유닛을 구성하는 도체 사이에서 30배 정도의 냉각부로의 열전달 효율이 상승되므로, 전력유닛을 구성하는 도체 사이에 열전도성 재료가 충진되는 경우 공급 전류의 크기에 따라 편차는 있으나, 냉각유체를 적용하여 도체의 발열을 냉각함에 있어 열전도성 재료를 부가하여 8도씨 내지 10도씨 정도의 추가적인 냉각 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 다른 실시예를 도시한다. 도 3을 참조하여 설명과 중복된 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 실시예는 전력유닛 냉각을 위하여 공급된 냉각유체의 회수를 위한 냉각유체 회수부가 원형 파이프 형태로 구성되나, 도 6에 도시된 실시예에서 상기 냉각유체 회수부(80c')는 원형 파이프 형태가 아닌 쉐이프드 필러(shaped filler) 또는 부채꼴 형태로 구성될 수 있다.
상기 냉각유체 회수부(80c')를 쉐이프드 필러(shaped filler) 또는 부채꼴 형태로 구성하는 경우, 냉각유체의 회수를 위한 충분한 회수 유로 면적을 확보할 수 있고, 케이블 원형 유지에 도움을 줄 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 실시예에서 전력유닛 내부의 냉각부를 구성하는 유체관(83)과 냉각유체 회수부(80c')의 크기가 동일한 경우 2개의 유체관을 통해 공급되는 냉매의 회수를 위한 유로 면적이 부족할 수 있다.
그러나, 냉각유체 회수부(80c')을 도 6에 도시된 바와 같이, 케이블 내부 빈공간을 충분히 활용하도록 쉐이프드 필러(shaped filler) 또는 부채꼴 형태로 구성하면 충분한 냉각유체 회수유로를 확보하면서도 케이블 원형 유지에 도움을 줄 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)의 다른 실시예를 도시한다. 도 3 또는 도 6을 참조하여 설명과 중복된 설명은 생략한다.
도 7에 도시된 상기 전기차 충전용 케이블(100)의 내부에는 하나의 접지유닛(30), 한 쌍의 전력유닛(10a, 10b)이 구비되고, 전력유닛(10a, 10b) 중심에 각각 냉각부(80)이 구비되어, 냉각부(80)을 구성하는 유체관을 통해 냉각유체를 유동하고 전력유닛을 구성하는 도체 사이에 열전도성 재료를 충진하여 전기차 충전용 케이블(100)의 냉각 성능을 향상시킨 점에서 공통된다.
한 쌍의 상기 전력유닛(10a, 10b)에 구비된 냉각부(80a, 80b)를 통해 전기차 충전기(300) 측에서 공급되는 냉각유체를 어느 하나의 전력유닛(10a, 10b)의 냉각부(80a 또는 80b)를 통해 공급하고 다른 하나의 전력유닛(10a, 10b)의 냉각부(80b 또는 80a)를 통해 회수하는 방법을 사용한다.
즉, 하나의 냉각부는 냉각유체의 공급 수단으로 사용되고 다른 하나의 냉각부가 냉각유체의 회수 수단으로 사용될 수 있다.
즉, 도 7에 도시된 실시예는 도 3 또는 도 6에 도시된 실시예와 달리, 별도의 냉각유체 회수를 위한 회수관은 생략되었으나 전력유닛 내부에 냉각부를 구비한다는 점에서 공통되며, 냉각유체의 공급 온도와 유량을 조절하거나, 고용량 또는 고속 충전이 아닌 경우에는 충분한 냉각성능이 제공될 수 있음을 확인하였다.
그리고, 도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예 모두 냉각유체와 열전도성 재료에 의하여 냉각성능이 향상될 수 있고, 케이블 자켓의 표면 온도가 목표 온도, 예를 들면 60도씨 이하가 되도록 냉각유체의 유량과 초기 공급온도 등을 제어하여 전기차 충전용 케이블(100)의 내구성을 향상시키고 안전사고를 방지할 수 있다.
도 3, 도 6 및 도 7을 참조한 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)에 의하면, 본 발명에 따른 전기차 충전용 케이블(100)에 의하면, 전기차의 급속 충전시 전기차 충전용 케이블(100)에서 발생되는 열을 냉각유체 및 열전도성 재료를 사용하여 효율적으로 냉각시킬 수 있고, 전력유닛 중심부에 냉각부를 각각 구비하여 안정적인 냉각성능을 확보할 수 있으며, 전력유닛을 구성하는 내부 구성을 내열성이 우수한 재질로 하여 외부 방향 열전달 또는 내부 방향 열전달을 최소화하여, 사용자의 불쾌감 또는 불안감을 줄이고, 외부자켓 피복시 발생될 수 있는 내부 구성의 멜팅 등의 문제를 방지할 수 있고, 더 나아가 전력유닛 중심부에 냉각유로를 구비하여, 전력유닛 외부에만 냉각부를 구비하는 기술보다 전기차 충전용 케이블(100)의 전체 직경을 컴팩트하게 할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 전기차 충전용 케이블
10 : 전력유닛
14 : 열전도성 재료
20 : 접지유닛
30 : 통신유닛
80a, 80b : 냉각부
10 : 전력유닛
14 : 열전도성 재료
20 : 접지유닛
30 : 통신유닛
80a, 80b : 냉각부
Claims (21)
- 전기차 충전기 본체와 전기차 충전을 위한 케이블 커넥터를 연결하는 전기차 충전용 케이블에 있어서,
냉각유체가 내측에서 유동하는 유체관을 포함하는 냉각부;
상기 냉각부 둘레를 따라 배치되는 복수 개의 도체, 상기 도체 외측을 감싸는 절연층 및 상기 냉각부와 상기 절연층 사이에 열전도성 재료;를 포함하는 복수 개의 전력유닛; 및,
상기 전력유닛 외측을 감싸는 케이블 자켓을 포함하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 열전도성 재료의 점도는 상온 기준 103 cp 내지 106 cp인 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제2항에 있어서,
상기 열전도성 재료의 열전도도는 0.5 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제2항에 있어서,
상기 열전도성 재료는 실록산 폴리머와 열전도성 금속산화물의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 전력유닛은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 상기 전력유닛 내측의 상기 냉각부의 냉각유체 유동방향은 반대방향인 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 케이블 자켓 내부에 접지도체 및 상기 접지도체를 감싸는 절연층을 구비하는 적어도 하나의 접지유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블 - 제1항에 있어서,
상기 전력유닛은 한 쌍이 구비되고, 한 쌍의 상기 냉각부는 상기 전기차 충전기에서 상기 케이블 커넥터 방향으로 공급되는 냉각유체가 유동하는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제7항에 있어서,
한 쌍의 상기 냉각부에서 공급된 냉각유체가 상기 케이블 커넥터 근방에서 상기 전기차 충전기 방향으로 회수하는 냉각유체 회수부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제8항에 있어서,
상기 냉각유체 회수부는 한 쌍의 상기 전력유닛과 외접하고 상기 접지유닛 반대편에 구비되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 냉각부 또는 상기 냉각유체 회수부의 유체관은 고내열 플라스틱, 나일론, 퍼플루오로알콕시 알칸(Perfluoroalkoxy alkane, PFA), 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질 또는 우레탄 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 전력유닛의 도체는 복수의 소선도체가 집합된 집합도체인 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 전력유닛을 구성하는 복수 개의 도체는 상기 냉각부 둘레를 따라 배치되는 복수의 도체로 구성되는 도체 층 외경의 9배 내지 11배 크기의 복합피치를 갖도록 상기 냉각부 둘레에 횡권되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제6항에 있어서,
상기 전력유닛 및 상기 접지유닛은 상기 전력유닛 외경의 17배 내지 23배 크기의 연합피치를 갖도록 연합되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
통신용 도체 및 상기 통신용 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 통신유닛이 적어도 하나 구비되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제14항에 있어서,
상기 통신유닛은 상기 전력유닛 또는 상기 접지유닛보다 직경이 작으며, 상기 통신유닛 및 상기 접지유닛의 중심을 연결하는 삼각형 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 케이블 자켓의 표면온도가 50도씨 이하가 되도록 상기 전기차 충전기에서 공급되는 냉각유체의 온도와 유량이 결정되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제1항에 있어서,
상기 케이블 자켓은 충실형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제3항에 있어서,
상기 열전도성 재료의 열전도도는 바람직하게 0.5 W/m·K 내지 5.0 W/m·K인 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 전기차 충전기 본체와 전기차 충전을 위한 케이블 커넥터를 연결하는 전기차 충전용 케이블에 있어서,
절연층 내부에 복수의 집합도체가 원주방향으로 배치된 한 쌍의 전력유닛; 및,
전기차 충전기 본체에서 냉각된 냉각유체가 전기차 충전기와 케이블 커넥터 사이에서 미리 결정된 방향으로 유동하며, 상기 전력유닛의 집합도체 내측에 배치되어 집합도체의 발열을 냉각하기 위한 한 쌍의 유체관;을 포함하고,
상기 집합도체의 통전시 발생되는 열의 상기 유체관 방향 열전달 효율을 증가시키기 위하여, 상기 전력유닛을 구성하는 집합도체 사이에 충진되는 열전도성 재료; 및,
상기 전력유닛 외측을 감싸는 충실형 케이블 자켓;을 포함하는 전기차 충전용 케이블. - 제19항에 있어서,
상기 전력유닛 내에 구비되는 한 쌍의 유체관 중 제1 유체관을 통해 유동하는 냉각유체는 전기차 충전기에서 케이블 커넥터 방향으로 공급하며, 제2 유체관을 통해 유동하는 냉각유체는 케이블 커넥터에서 전기차 충전기 방향으로 회수되는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블. - 제19항에 있어서,
상기 전력유닛 내에 구비되는 한 쌍의 유체관을 통해 유동하는 냉각유체는 전기차 충전기에서 케이블 커넥터 방향으로 공급되며, 한 쌍의 상기 전력유닛의 절연층과 외접하는 위치에 상기 케이블 커넥터 근방에서 회수된 냉각유체가 상기 전기차 충전기 방향으로 유동하는 냉각유체 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 충전용 케이블.
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