KR20230026887A - 모빌리티의 인버터 장치 - Google Patents

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KR20230026887A
KR20230026887A KR1020210109044A KR20210109044A KR20230026887A KR 20230026887 A KR20230026887 A KR 20230026887A KR 1020210109044 A KR1020210109044 A KR 1020210109044A KR 20210109044 A KR20210109044 A KR 20210109044A KR 20230026887 A KR20230026887 A KR 20230026887A
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임지환
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 파워모듈과 냉각기가 적층되는 구조를 이룸에 따라 전체 크기가 축소되고, 냉각기가 커버에 의해 가압되어 냉각기와 파워모듈이 접촉됨으로써 냉각기의 냉각 성능이 향상되는 모빌리티의 인버터 장치가 소개된다.

Description

모빌리티의 인버터 장치 {INVERTER APPARATUS FOR MOBILITY}
본 발명은 파워모듈과 냉각기가 적층되는 구조를 이룸에 따라 전체 크기가 축소되고, 냉각기가 커버에 의해 가압되어 냉각기와 파워모듈이 접촉됨으로써 냉각기의 냉각 성능이 향상되는 모빌리티의 인버터 장치에 관한 것이다.
하이브리드 차량이나 전기자동차 등과 같이 전기모터를 구동원으로 이용하는 친환경 차량은 보통 전기모터를 구동하기 위한 에너지원으로 고전압배터리 등을 사용하며, 전력변환부품으로 모터에 전원을 제공하는 인버터와 차량용 12V 전원을 발생하기 위한 LDC(Low DC-DC Converter)를 사용한다.
여기서, 인버터는 전기모터와 고전압배터리 사이에서 고전압배터리의 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 모터 측으로 제공하도록 마련된다.
기존의 전기자동차는 단거리 및 시내 주행을 주목적으로 100kW 정도의 상대적으로 낮은 출력의 모델들이 주류를 이루었다. 즉, 고출력이 요구되지 않았기 때문에 전기자동차의 동력원인 모터는 보통 전륜에 1개가 사용되었고, 이에 따라 모터에 전류를 공급하는 인버터 또한 비교적 좁은 영역의 출력을 대응하도록 마련되었다.
그러나 최근 스포츠카 타입, SUV 타입 등의 다양한 전기자동차가 개발되면서 전기자동차에 요구되는 출력 사양이 다양해지고 있다. 모터의 크기 및 중량 한계 때문에 증대되는 출력 사양들을 모터 1개로만 대응하는 것은 불가능하며, 전륜과 후륜에 다수의 모터를 배치하는 전기자동차 모델도 개발되고 있다. 따라서 모터에 전류를 공급하는 인버터의 사양도 다양화되고 있다. 예를 들어, 전륜에는 200kW, 후륜에는 300kW의 모터가 배치되면 동일한 인버터로는 2개의 모터를 동시에 대응할 수 없다는 문제점이 발생한다.
한편, 평면에 구성되는 인버터는 일반적으로 하우징의 바닥면에 파워모듈, 커패시터, LDC를 배치하고 그 상단에 제어보드가 위치하도록 마련된다. 그러나 종래에는 하우징 내부에서 파워모듈, 커패시터, LDC, 제어보드가 단순히 적층되는 구조를 이룸에 따라 전체 크기가 증대되는 문제가 있다.
또한, 발열이 심한 파워모듈과 LDC의 아래에는 냉각수가 흐르는 냉각유로가 형성되어 과열로 인한 성능저하나 소자 소손등을 방지한다. 하지만, 종래에는 냉각유로와 파워모듈 간에 열전달 성능이 확보되지 못함에 따라 파워모듈의 냉각이 원활히 수행되지 못하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 냉각유로와 파워모듈이 서로 밀착되도록 별도의 구조물을 적용하지만, 별도 구조물의 경우 강성을 확보하기 위해 금속 재질을 적용함에 따라 전체 중량이 증가되고, 크기가 커지는 문제도 발생된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 20-1999-0007511 U (1999.02.25.)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 파워모듈과 냉각기가 적층되는 구조를 이룸에 따라 전체 크기가 축소되고, 냉각기가 커버에 의해 가압되어 냉각기와 파워모듈이 접촉됨으로써 냉각기의 냉각 성능이 향상되는 모빌리티의 인버터 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치는 내부공간이 형성된 하우징; 하우징의 내부공간에 마련된 파워모듈; 파워모듈에 접하도록 마련되어 파워모듈과 열전달을 통해 파워모듈이 냉각되도록 하는 냉각기; 및 하우징의 장착되어 내부공간을 차폐하고, 하우징에 장착시 냉각기에 접촉되어 냉각기를 가압하도록 형성됨에 따라 냉각기가 파워모듈에 밀착되도록 하는 커버;를 포함한다.
냉각기는 상단 냉각기와 하단 냉각기로 복수개 구성되고, 파워모듈은 상단 냉각기와 하단 냉각기 사이에 개재된 것을 특징으로 한다.
하우징의 내부공간에는 파워모듈과 전기적으로 연결되는 제어보드가 더 마련되고, 제어보드는 내부공간에서 파워모듈 또는 냉각기의 측방에 배치된 것을 특징으로 한다.
파워모듈이 복수개 구성되는 경우 냉각기는 각 파워모듈에 대응되도록 복수개로 구성되고, 각각의 파워모듈 및 냉각기는 제어보드의 테두리를 따라 이격되어 배치된 것을 특징으로 한다.
하우징은 내부공간을 가로지르는 격벽부에 의해 상부공간과 하부공간으로 구획되며, 상부공간에는 파워모듈 및 냉각기가 마련되고, 하부공간에는 파워모듈과 전기적으로 연결되는 버스바모듈 및 커패시터가 마련된 것을 특징으로 한다.
버스바모듈이 복수개 구성되는 경우, 각 버스바모듈은 커패시터의 테두리를 따라 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
하우징은 상부와 하부가 개방되게 형성되어, 상부공간이 상측으로 개방되고 하부공간이 하측으로 개방된 것을 특징으로 한다.
커버는 하우징에 장착된 상태에서, 냉각기와 매칭되는 부분이 하방으로 돌출되어 냉각기에 접촉되는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 한다.
함몰부는 커버가 하방으로 함몰되어 형성되되 냉각기의 길이방향을 따라 복수개로 분할되게 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 모빌리티의 인버터 장치는 파워모듈과 냉각기가 적층되는 구조를 이룸에 따라 전체 크기가 축소되고, 냉각기가 커버에 의해 가압되어 냉각기와 파워모듈이 접촉됨으로써 냉각기의 냉각 성능이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 모빌리티의 인버터 장치에 따른 하우징 내부를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치의 조립도.
도 4는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치의 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 A-A의 단면도.
도 6은 도 4에 도시된 B-B의 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 모빌리티의 인버터 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 모빌리티의 인버터 장치에 따른 하우징 내부를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치의 조립도이고, 도 4는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치의 평면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 A-A의 단면도이고, 도 6은 도 4에 도시된 B-B의 단면도이다.
본 발명에 따른 모빌리티의 인버터 장치는 도 1 내지 6에 도시된 바와 같이, 내부공간(11)이 형성된 하우징(10); 하우징(10)의 내부공간(11)에 마련된 파워모듈(20); 파워모듈(20)에 접하도록 마련되어 파워모듈(20)과 열전달을 통해 파워모듈(20)이 냉각되도록 하는 냉각기(30); 및 하우징(10)에 장착되어 내부공간(11)을 차폐하고, 하우징(10)에 장착시 냉각기(30)에 접촉되어 냉각기(30)를 가압하도록 형성됨에 따라 냉각기(30)가 파워모듈(20)에 밀착되도록 하는 커버(40);를 포함한다.
여기서, 하우징(10)은 파워모듈(20), 냉각기(30)를 포함한 인버터를 구성하는 각종 전장부품이 마련되는 내부공간(11)이 형성된다. 이러한 하우징(10)은 상부와 하부 중 어느 하나 또는 상하부가 모두 개방되게 형성되어 파워모듈(20), 냉각기(30)를 포함한 각종 전장부품들을 내부공간(11)에 설치할 수 있다.
이에 따라, 하우징(10)에는 커버(40)가 장착되어 내부공간(11)을 차폐함으로써, 하우징(10)의 내부공간(11)에 이물질 유입이 차단되고, 내부 구성들이 외부 충격으로부터 보호된다.
또한, 하우징(10)에는 냉각기(30)에 공급되는 냉각매체가 유출입되는 유입구(12)와 배출구(13)가 형성되고, 하기 설명할 커패시터의 단자(71)가 노출되는 단자삽입부(14)가 형성될 수 있다.
이러한 하우징(10)의 내부공간(11)에는 파워모듈(20)과 냉각기(30)가 마련된다. 파워모듈(20)은 DC전류를 3상 AC전류로 변환시키는 것으로서, 동작 특성상 높은 발열이 발생된다. 이에 따라, 하우징(10)에는 파워모듈(20)을 냉각시키기 위한 냉각기(30)가 마련되며, 냉각기(30)는 파워모듈(20)에 접하도록 배치되고 순환되는 냉각매체가 파워모듈(20)과 열교환되어 파워모듈(20)이 냉각되도록 한다.
특히, 커버(40)는 하우징(10)에 장착되어 내부공간(11)을 차폐하고, 하우징(10)에 장착시 냉각기(30)에 접촉되어 냉각기(30)를 가압하도록 형성됨으로써 냉각기(30)가 파워모듈(20)에 밀착된다.
이렇게, 냉각기(30)와 파워모듈(20)은 서로 밀착됨에 따라 열전달 성능이 확보되어 파워모듈(20)의 냉각 성능이 향상된다. 또한, 외부에서 하우징(10)으로 전달되는 진동이 커버(40)를 통해 냉각기(30)에 전달됨에 따라, 냉각기(30)에 순환되는 냉각매체가 진동을 흡수하여 커버(40)의 공진주파수 문제가 해소된다. 이와 더불어, 커버(40)를 통해 전달된 진동이 냉각기(30)에 전달시, 냉각기(30) 내부에 냉각매체에 와류가 발생되어 냉각 성능을 더 크게 확보할 수 있다.
상술한 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 냉각기(30)는 상단 냉각기(30a)와 하단 냉각기(30b)로 복수개 구성되고, 파워모듈(20)은 상단 냉각기(30a)와 하단 냉각기(30b) 사이에 개재된다.
즉, 파워모듈(20)의 경우 발열시 높은 온도로 발열됨과 함께 전체적으로 발열이 발생된다. 이에 따라, 냉각기(30)는 파워모듈(20)을 중심으로 상측에 배치되는 상단 냉각기(30a)와 하측에 배치되는 하단 냉각기(30b)로 구성되고, 파워모듈(20)이 상단 냉각기(30a)와 하단 냉각기(30b) 사이에 개재됨으로써, 파워모듈(20)은 상하측의 각 냉각기(30)와 열교환됨에 따라 효율적인 냉각이 수행될 수 있다.
이러한 상단 냉각기(30a) 및 하단 냉각기(30b)는 파워모듈(20)의 길이방향을 따라 연장되게 형성되어 파워모듈(20)이 전체적으로 냉각되도록 한다. 즉, 파워모듈(20)과 각 냉각기(30)는 접촉면적이 최대한 확보되도록 형성되어 파워모듈(20)의 냉각 성능이 향상될 수 있다.
한편, 하우징(10)의 내부공간(11)에는 파워모듈(20)과 전기적으로 연결되는 제어보드(50)가 더 마련되고, 제어보드(50)는 내부공간(11)에서 파워모듈(20) 또는 냉각기(30)의 측방에 배치된다.
이처럼, 인버터를 이루는 구성에 있어서, 파워모듈(20)의 제어를 위한 제어보드(50)가 구비된다. 특히, 제어보드(50)는 하우징(10)의 내부공간(11)에서 파워모듈(20) 또는 냉각기(30)의 측방에 배치됨으로써, 제어보드(50)가 마련됨에 따른 상하 높이가 감소된다.
이때, 제어보드(50)의 경우 파워모듈(20)의 발열시 열에 의한 손상을 회피하기 위해 냉각기(30)의 측방에 배치될 수 있으며, 바람직하게는 냉각기(30)의 측방에서 상하방향으로 이격되도록 배치되어 파워모듈(20)과 냉각기(30)의 영향이 최소화되도록 한다.
한편, 파워모듈(20)이 복수개 구성되는 경우 냉각기(30)는 각 파워모듈(20)에 대응되도록 복수개로 구성되고, 각각의 파워모듈(20) 및 냉각기(30)는 제어보드(50)의 테두리를 따라 이격되어 배치될 수 있다.
즉, 모빌리티에서 요구하는 출력이 높아짐에 따라 인버터가 복수개 구성되는 경우, 냉각기(30)도 각 파워모듈(20)에 대응되도록 복수개로 구성된다. 이에 따라, 각각의 파워모듈(20)은 각각의 냉각기(30)에 의해 냉각됨으로써, 파워모듈(20)이 복수개 구성되더라도 냉각기(30)에 의한 파워모듈(20)의 냉각성능이 확보된다.
특히, 복수개의 파워모듈(20) 및 냉각기(30)는 제어보드(50)의 테두리를 따라 이격되게 배치됨으로써, 제어보드(50)가 마련됨에 따른 상하 높이가 감소된다. 즉, 파워모듈(20) 및 냉각기(30)와 함께 제어보드(50)까지 적층 구조를 이룰 경우 하우징(10)의 높이가 증대되는바, 제어보드(50)의 측방으로 파워모듈(20) 및 냉각기(30)를 배치함으로써 하우징(10)의 높이가 감소되어 본 발명의 인버터를 모빌리티에 적용하기가 용이하다.
한편, 도 6에서 볼 수 있듯이, 하우징(10)은 내부공간(11)을 가로지르는 격벽부(15)에 의해 상부공간(11a)과 하부공간(11b)으로 구획되며, 상부공간(11a)에는 파워모듈(20) 및 냉각기(30)가 마련되고, 하부공간(11b)에는 파워모듈(20)과 전기적으로 연결되는 버스바모듈(60) 및 커패시터(70)가 마련된다.
여기서, 커패시터(70)는 세 쌍의 P,N단자가 구비되며, 각 단자들이 버스바모듈(60)을 매개로 파워모듈(20)에 연결된다.
이렇게, 하우징(10)은 격벽부(15)에 의해 내부공간(11)이 상부공간(11a)과 하부공간(11b)으로 구획된다. 여기서, 상부공간(11a)에는 파워모듈(20), 냉각기(30), 제어보드(50)가 마련되며, 하부공간(11b)에는 파워모듈(20)과 전기적으로 연결되는 버스바모듈(60) 및 커패시터(70)가 마련된다.
이에 따라, 파워모듈(20), 냉각기(30), 제어보드(50)는 상부공간(11a)에서 하우징(10) 및 격벽부(15)를 통해 설치되고, 하부공간(11b)에서 버스바모듈(60) 및 커패시터(70)가 하우징(10) 및 격벽부(15)에 설치되어 각 구성의 패키지가 유리하고, 구성간의 간섭이 최소화된다.
특히, 하우징(10)의 내부공간(11)은 격벽부(15)에 의해 버스바모듈(60) 및 커패시터(70)가 분리되어 전자파 영향이 감소된다.
한편, 버스바모듈(60)이 복수개 구성되는 경우, 각 버스바모듈(60)은 커패시터(70)의 테두리를 따라 이격되어 배치된다. 이렇게, 복수개의 버스바모듈(60)은 커패시터(70)의 테두리를 따라 배치됨으로써, 하우징(10) 내부에서 버스바모듈(60) 및 커패시터(70)를 마련함에 따른 상하 높이가 감소된다. 즉, 버스바모듈(60) 및 커패시터(70)까지 적층 구조를 이룰 경우 하우징(10)의 높이가 증대되는바, 커패시터(70)의 측방으로 버스바모듈(60)을 배치함으로써 하우징(10)의 높이가 감소된다.
한편, 하우징(10)은 상부와 하부가 개방되게 형성되어, 상부공간(11a)이 상측으로 개방되고 하부공간(11b)이 하측으로 개방된다.
이로 인해, 파워모듈(20), 냉각기(30), 제어보드(50)와 같은 일부 전장부품은 하우징(10)의 개방된 상부로 삽입하여 내부공간(11)에 장착할 수 있고, 버스바모듈(60), 커패시터(70)와 같은 일부 전장부품은 하우징(10)의 개방된 하부로 삽입하여 내부공간(11)에 장착할 수 있다.
여기서, 하우징(10)의 상부에는 커버(40)가 장착되어 상부공간(11a)을 차폐하며, 하부에도 별도의 커버(40)가 장착되어 하부공간(11b)을 차폐할 수 있다.
한편, 커버(40)는 하우징(10)에 장착된 상태에서, 냉각기(30)와 매칭되는 부분이 하방으로 돌출되어 냉각기(30)에 접촉되는 함몰부(41)가 형성된다.
이렇게, 커버(40)의 내측면에는 함몰부(41)가 하방으로 돌출되게 형성됨으로써, 커버(40)를 하우징(10)에 장착시 함몰부(41)가 냉각기(30)에 접촉되어 냉각기(30)를 가압함에 따라 냉각기(30)가 파워모듈(20)에 밀착된다.
여기서, 함몰부(41)는 커버(40)가 하방으로 함몰되어 형성되되 냉각기(30)의 길이방향을 따라 복수개로 분할되게 형성될 수 있다.
이로 인해, 커버(40)가 하우징(10)에 장착시, 함몰부(41)가 냉각기(30)에 매칭됨에 따라 함몰부(41)에 의해 가압되는 냉각기(30)가 파워모듈(20)에 밀착되어, 냉각기(30)와 파워모듈(20) 간의 열전달 성능이 확보된다.
또한, 커버(40)의 함몰부(41)와 냉각기(30) 간의 접촉 면적이 증대됨에 따라 커버(40)에서 발생된 진동이 냉각기(30)에 전달되어 냉각기(30)의 냉각매체를 통해 진동이 흡수된다.
또한, 커버(40)에서 함몰부(41)를 통해 냉각기(30)에 진동이 전달되면, 냉각기(30)에 유통되는 냉각매체에 와류가 발생되어 냉각 성능을 확보할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 모빌리티의 인버터 장치는 파워모듈(20)과 냉각기(30)가 적층되는 구조를 이룸에 따라 전체 크기가 축소되고, 냉각기(30)가 커버(40)에 의해 가압됨에 따라 냉각기(30)의 냉각 성능이 향상된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10:하우징 11:내부공
11a:상부공간 11b:하부공간
12:유입구 13:배출구
14:단자삽입부 15:격벽부
20:파워모듈 30:냉각기
30a:상단 냉각기 30b:하단 냉각기
40:커버 41:함몰부
50:제어보드 60:버스바모듈
70:커패시터 71:단자

Claims (9)

  1. 내부공간이 형성된 하우징;
    하우징의 내부공간에 마련된 파워모듈;
    파워모듈에 접하도록 마련되어 파워모듈과 열전달을 통해 파워모듈이 냉각되도록 하는 냉각기; 및
    하우징에 장착되어 내부공간을 차폐하고, 하우징에 장착시 냉각기에 접촉되어 냉각기를 가압하도록 형성됨에 따라 냉각기가 파워모듈에 밀착되도록 하는 커버;를 포함하는 모빌리티의 인버터 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    냉각기는 상단 냉각기와 하단 냉각기로 복수개 구성되고,
    파워모듈은 상단 냉각기와 하단 냉각기 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    하우징의 내부공간에는 파워모듈과 전기적으로 연결되는 제어보드가 더 마련되고, 제어보드는 내부공간에서 파워모듈 또는 냉각기의 측방에 배치된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    파워모듈이 복수개 구성되는 경우 냉각기는 각 파워모듈에 대응되도록 복수개로 구성되고, 각각의 파워모듈 및 냉각기는 제어보드의 테두리를 따라 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    하우징은 내부공간을 가로지르는 격벽부에 의해 상부공간과 하부공간으로 구획되며, 상부공간에는 파워모듈 및 냉각기가 마련되고, 하부공간에는 파워모듈과 전기적으로 연결되는 버스바모듈 및 커패시터가 마련된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    버스바모듈이 복수개 구성되는 경우, 각 버스바모듈은 커패시터의 테두리를 따라 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    하우징은 상부와 하부가 개방되게 형성되어, 상부공간이 상측으로 개방되고 하부공간이 하측으로 개방된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    커버는 하우징에 장착된 상태에서, 냉각기와 매칭되는 부분이 하방으로 돌출되어 냉각기에 접촉되는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    함몰부는 커버가 하방으로 함몰되어 형성되되 냉각기의 길이방향을 따라 복수개로 분할되게 형성된 것을 특징으로 하는 모빌리티의 인버터 장치.
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