KR102614123B1

KR102614123B1 - 차량의 인버터 구조

Info

Publication number: KR102614123B1
Application number: KR1020160157086A
Authority: KR
Inventors: 김윤호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2023-12-13
Anticipated expiration: 2036-11-24
Also published as: CN108112217B; US20180145603A1; KR20180058311A; CN108112217A; EP3328173A1; US10177677B2; EP3328173B1

Abstract

본 발명에 따른 차량의 인버터 구조는 배터리로부터 DC전류를 공급받는 커패시터; 커패시터와 연결되어 DC전류를 3상 AC전류로 변환시키는 다수의 파워모듈과, 상하면에 다수의 파워모듈이 열전달 가능하도록 접촉된 다수의 냉각기가 서로 교번하여 적층된 파워모듈 어셈블리; 및 파워모듈들과 연결되어 3상 AC전류를 모터에 출력하는 출력버스바;를 포함할 수 있다.

Description

차량의 인버터 구조 {INVERTER STRUCTURE FOR VEHICLE}

본 발명은 파워모듈이 냉각기와 교번하여 적층되도록 마련됨으로써 부피가 축소되고, 부품 공용화 구현이 가능한 차량의 인버터 구조에 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 마련된 것이다.

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. 발열이 심한 파워모듈과 LDC의 아래에는 냉각수가 흐르는 냉각유로 형성되어 과열로 인한 성능저하나 소자 소손등을 방지한다.

일반적인 인버터는 하나의 파워모듈을 사용하여 전류를 변환하며 출력을 높이기 위해서는 고출력의 파워모듈을 사용하거나 파워모듈의 개수를 추가해야 한다. 파워모듈을 구성하는 스위치 소자의 특성 상 일정 이상의 고출력을 구현하기 어려우며 이에 따라 대부분의 인버터는 고출력 사양에 대응하기 위해 다수의 파워모듈을 병렬 연결하고 있다. 그러나 파워모듈의 개수가 증가하면 하우징 및 냉각유로가 변경되기 때문에 기존의 인버터 컨셉을 유지할 수 없어 새로운 인버터를 개발해야 한다.

이에 따라 각 출력 사양에 대응되는 인버터를 개발하는 과정에서 비용 및 소요되는 시간에 의한 손실이 증가하는바, 인버터의 출력을 가변할 수 있는 공용화된 구조가 필요로 된다.

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

10-2012-0017545

A

KR

10-2014-0078175

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 파워모듈의 적용개수가 가변됨에도 냉각유로의 형상이 변화하지 않는바, 동일한 형상에도 다양한 모터 출력에 대응가능한 차량의 인버터 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 인버터 구조는 배터리로부터 DC전류를 공급받는 커패시터; 상기 커패시터와 연결되어 DC전류를 3상 AC전류로 변환시키는 다수의 파워모듈과, 상하면에 상기 다수의 파워모듈이 열전달 가능하도록 접촉된 다수의 냉각기가 서로 교번하여 적층된 파워모듈 어셈블리; 및 상기 파워모듈들과 연결되어 3상 AC전류를 모터에 출력하는 출력버스바;를 포함할 수 있다.

상기 파워모듈 어셈블리는, 상기 파워모듈들이 3열로 구분되어 적층되고, 상기 냉각기들이 수평방향으로 다수의 파워모듈들과 접촉되면서 1열로 적층되도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 커패시터에는 세 쌍의 P,N단자가 구비되고, 상기 P,N단자들은 한 쌍씩 상기 파워모듈들의 3열 중 하나의 열에 적층된 파워모듈들과 DC버스바를 매개로 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 출력버스바는 하나의 상마다, 상기 파워모듈들의 3열 중 하나의 열에 적층된 파워모듈들과 AC버스바 및 전류센서를 매개로 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 AC버스바는 2개의 파워모듈을 전류센서의 일단과 연결시키고, 상기 전류센서의 타단은 상기 출력버스바와 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 파워모듈들 일측에는 게이트보드와 연결되는 다수의 핀들이 형성되고, 상기 핀들은 브라켓에 의해 고정된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 파워모듈 어셈블리는, 상기 냉각기들 중 최상단에 적층된 냉각기의 상면에 접촉된 상면플레이트와, 상기 냉각기들 중 최하단에 적층된 냉각기의 하면에 접촉된 하면플레이트와, 상기 상면플레이트와 하면플레이트 사이를 고정하는 고정부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 하면플레이트에는 상기 파워모듈의 3열에 대응되는 위치에 상방으로 힘을 가하는 판스프링이 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 파워모듈 어셈블리는 하우징 내부 일측에 구비되고, 상기 커패시터는 하우징 내부 타측 하방에 구비되며, 상기 출력버스바는 일단이 하우징 내부 타측 상방에 구비되고, 타단이 하우징 외부로 돌출형성되도록 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 인버터 구조에 따르면 파워모듈의 개수를 가변하더라도 인버터 구조형상이 동일하여 다양한 모터출력에 대응할 수 있는바, 부품 공용화 측면에서 원가를 저감할 수 있다.

또한, 파워모듈과 냉각기가 교번하여 적층되도록 마련됨으로써 인버터 부피가 축소한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 외관을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터를 상방에서 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인버터 구조를 측면에서 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인버터 내부 구조를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈의 수를 줄인 인버터 구조를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈 어셈블리의 연결관계를 도시한 단면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 내부 구조를 상방에서 도시한 평면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 시, 파워모듈 어셈블리 내부 모습을 도시한 사시도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 인버터 구조에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 외관을 도시한 사시도이다. 도 1과 같이 인버터는 고전압배터리(미도시)로부터 전달되는 DC전류를 하우징(1) 내부에 구비된 커패시터 측으로 전달하고, 커패시터와 연결된 파워모듈을 통해 DC전류를 3상 AC전류로 변환한 뒤, 출력버스바(50)를 통해 모터(미도시)로 교류전력을 전달하도록 구성된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터를 상방에서 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 하우징(1)의 측면 하방에는 냉각수가 유출입되도록 유입구와 배출구가 형성된다. 이를 통해 커패시터(10) 하방의 냉각을 실시하고, 냉각기에 냉각수를 공급하여 파워모듈의 냉각을 실시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인버터 구조를 측면에서 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인버터 내부 구조를 도시한 사시도이다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, 차량의 인버터 구조는 배터리로부터 DC전류를 공급받는 커패시터(10); 상기 커패시터(10)와 연결되어 DC전류를 3상 AC전류로 변환시키는 다수의 파워모듈(20)과, 상하면에 상기 다수의 파워모듈(20)이 열전달 가능하도록 접촉된 다수의 냉각기(30)가 서로 교번하여 적층된 파워모듈 어셈블리(40); 및 상기 파워모듈들(20)과 연결되어 3상 AC전류를 모터에 출력하는 출력버스바(50);를 포함할 수 있다.

즉, 파워모듈 어셈블리(40)는 다수의 파워모듈(20)과 다수의 냉각기(30)가 서로 교번하면서 적층되도록 마련되는바, 파워모듈(20)이 병렬로 다수 적용되더라도 효과적인 냉각을 실시할 수 있고, 인버터의 부피도 축소할 수 있다.

여기서, 상기 파워모듈 어셈블리(40)는 하우징(1) 내부 일측에 구비되고, 상기 커패시터(10)는 하우징(1) 내부 타측 하방에 구비되며, 상기 출력버스바(50)는 일단이 하우징(1) 내부 타측 상방에 구비되고, 타단이 하우징(1) 외부로 돌출형성되도록 구비된 것을 특징으로 할 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면 인버터 내부 구성을 컴팩트화할 수 있는바, 인버터 부피를 저감할 수 있다.

본 기술에서 상기 파워모듈 어셈블리(40)는, 상기 파워모듈(20)들이 3열로 구분되어 적층되고, 상기 냉각기(30)들이 수평방향으로 다수의 파워모듈(20)들과 접촉되면서 1열로 적층되도록 구성될 수 있다.

즉, 파워모듈(20)들은 3열로 구비되고, 각 열의 파워모듈(20)들이 커패시터(10)로부터 공급된 DC전류를 U,V,W상의 AC전류로 각각 변환하여, 전체적으로는 3상 AC전류를 출력하게 된다.

또한, 냉각기(30)는 3열로 나열된 파워모듈(20)들과는 달리 1열로 적층됨으로써, 최소한의 부품수로 파워모듈(20)의 냉각을 구현할 수 있다. 이를 위해서 다수의 파워모듈(20)들은 수평방향으로 나란히 마련되는 것이 바람직할 것이다.

이해를 돕기 위해 예를 들면 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 파워모듈 어셈블리(40)는 파워모듈(20)이 6행 3열로 총 18개 구성되고, 파워모듈들의 상하면에는 7개의 냉각기(30)가 접촉되도록 마련될 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈의 수를 줄인 인버터 구조를 도시한 사시도이다. 만약, 파워모듈(20)이 6행 3열로 구성되었을 경우에 대응되는 모터 출력이 300kW라 하면, 도 5에 도시된 바와 같이 파워모듈(20)이 4행 3열로 구성되면 200kW의 모터 출력에 대응되는 인버터를 구성할 수 있다. 이때, 파워모듈 어셈블리(40)의 면압을 유지하기 위해 절연재질의 더미(60)를 기존의 파워모듈(20) 자리에 장착한다.

따라서, 본 발명의 인버터는 냉각기 구성을 변화시키지 않으면서도 파워모듈의 개수를 가변하여 다양한 모터 출력에 대응되도록 마련할 수 있는바, 부품 공용화 측면 및 원가 측면에서 인버터 상품성을 개선할 수 있다.

더 구체적으로, 본 발명에서 상기 커패시터(10)에는 세 쌍의 P,N단자(11,13)가 구비되고, 상기 P,N단자(11,13)들은 한 쌍씩 상기 파워모듈(20)들의 3열 중 하나의 열에 적층된 파워모듈들과 DC버스바(21,23)를 매개로 연결될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈 어셈블리의 연결관계를 도시한 단면도이다. 도 4와 도 6을 참조하면, 파워모듈(20)이 6행 3열로 마련된 경우, DC버스바(21,23)는 일단이 커패시터(10)에 형성된 P단자(11)와 N단자(13) 한쌍에 각각 끼워지고, 타단이 6갈래로 분기되어 한 열에 구비된 다수의 파워모듈(20)에 연결된다. 이때, P단자(11)와 연결된 DC버스바(21)는 파워모듈의 플러스(+)단자와 연결되고, N단자(13)와 연결된 DC버스바(23)는 파워모듈의 마이너스(-)단자와 연결됨으로써 파워모듈로 DC전류를 공급한다.

또한, 본 발명에서 상기 출력버스바(50)는 하나의 상마다, 상기 파워모듈(20)들의 3열 중 하나의 열에 적층된 파워모듈(20)들과 AC버스바(25) 및 전류센서(27)를 매개로 연결될 수 있다.

여기서, 상기 전류센서(27)는 파워모듈(20)로부터 출력되는 3상 AC전류값을 측정하고, 제어보드(미도시)가 측정된 3상 AC전류를 긴반으로 파워모듈(20)의 성능을 가변제어하기 위해 마련된다.

여기서, 상기 AC버스바(25)는 2개의 파워모듈(20)을 전류센서(27)의 일단과 연결시키고, 상기 전류센서(27)의 타단은 상기 출력버스바(50)와 연결될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 내부 구조를 상방에서 도시한 평면도이다. 도 4, 6 및 7을 참조하면, 파워모듈(20)이 6행 3열로 마련될 경우, AC버스바(25)는 파워모듈(20) 2개씩과 연결되고, 하나의 열에 파워모듈(20)이 6개이기 때문에, 파워모듈 한 열 당 3개의 병렬형 AC버스바(25)와 전류센서(27)가 연결된다. 따라서, 전체적인 파워모듈 어셈블리(40)에 총 9개의 AC버스바(25)와 전류센서(27)가 연결되며, 3개의 전류센서(27)에서 출력되는 AC전류가 출력버스바(50) 중 하나의 상에 연결되어 한 상을 이룬다. 이에 따라 출력버스바(50)는 U,V,W상의 3상 AC전류를 출력할 수 있게 된다.

만약, 모터 출력에 대응하여 도 5와 같이 파워모듈(20)을 4행 3열로 마련한 경우라면, 파워모듈(20) 하나의 열 당 2개의 병렬형 AC버스바와 전류센서(27)가 연결 구성될 것이다. 이때, 인버터는 부품수가 줄어들 뿐, 내부 형상의 전혀 변화가 없는 바, 모터출력에 따라 대응되는 인버터를 손쉽게 구현할 수 있다.

이 과정에서 DC버스바(21,23)와 AC버스바(25)는 파워모듈(20)에 레이저용접으로 고정되는데, 도 8에 도시된 바와 같이 파워모듈(20) 사이사이에 지그(70)를 삽입하여 DC버스바(21,23)와 AC버스바(25)가 파워모듈(20)에 눌리도록 한 다음, 용접면에 레이저를 가하여 용접을 수행할 수 있다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 시에 파워모듈 어셈블리 내부 모습을 도시한 사시도이다.

여기서, 지그(70)는 수평방향으로 길게 형성되기 때문에 파워모듈(20), DC버스바(21,23) 및 AC버스바(25)를 레이저 용접할 경우, 한 번에 3열의 파워모듈(20) 용접을 실시할 수 있는바, 제작 공정을 간소화할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 도 3 내지 도 4를 참조하면 본 발명에서 상기 파워모듈들(20) 일측에는 게이트보드(80)와 연결되는 다수의 핀(29)들이 형성되고, 상기 핀(29)들은 브라켓(90)에 의해 고정될 수 있다. 즉, 브라켓(90)을 통해 핀들(29)의 위치를 고정하여 게이트보드(80)에 용이하게 조립되도록 유도할 수 있다.

아울러, 본 발명에서 상기 파워모듈 어셈블리(40)는, 상기 냉각기(30)들 중 최상단에 적층된 냉각기의 상면에 접촉된 상면플레이트(41)와, 상기 냉각기들 중 최하단에 적층된 냉각기의 하면에 접촉된 하면플레이트(43)와, 상기 상면플레이트(41)와 하면플레이트(43) 사이를 고정하는 고정부(45)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 상면플레이트(41)와 하면플레이트(43) 사이에 다수의 파워모듈(20)들과 다수의 냉각기(30)가 적층됨으로써, 파워모듈(20) 및 냉각기(30)들이 위치를 이탈하는 현상을 방지할 수 있다.

더 나아가, 상기 하면플레이트(43)에는 상기 파워모듈(20)의 3열에 대응되는 위치에 상방으로 힘을 가하는 판스프링이 구비될 수 있다. 즉, 판스프링이 파워모듈(20)과 냉각기(30) 사이가 서로 밀착되도록 면압을 가하는 역할을 수행한다.

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.

1: 하우징 10: 커패시터
11: P단자 13: N단자
20: 파워모듈 21,23: DC버스바
25: AC버스바 27: 전류센서
29: 핀 30: 냉각기
40: 파워모듈 어셈블리 41: 상면플레이트
43: 하면플레이트 45: 고정부
50: 출력버스바 60: 더미
70: 지그 80: 게이트보드
90: 브라켓

Claims

배터리로부터 DC전류를 공급받는 커패시터;
상기 커패시터와 연결되어 DC전류를 3상 AC전류로 변환시키는 다수의 파워모듈과, 상하면에 상기 다수의 파워모듈이 열전달 가능하도록 접촉된 다수의 냉각기가 서로 교번하여 적층된 파워모듈 어셈블리; 및
상기 파워모듈들과 연결되어 3상 AC전류를 모터에 출력하는 출력버스바;를 포함하며,
상기 파워모듈 어셈블리는,
상기 파워모듈들이 3열로 구분되어 적층되고, 상기 냉각기들이 수평방향으로 다수의 파워모듈들과 접촉되면서 1열로 적층되도록 구성되며,
상기 출력버스바는 하나의 상마다, 상기 파워모듈들의 3열 중 하나의 열에 적층된 파워모듈들과 AC버스바 및 전류센서를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 커패시터에는 세 쌍의 P,N단자가 구비되고,
상기 P,N단자들은 한 쌍씩 상기 파워모듈들의 3열 중 하나의 열에 적층된 파워모듈들과 DC버스바를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 AC버스바는 2개의 파워모듈을 전류센서의 일단과 연결시키고,
상기 전류센서의 타단은 상기 출력버스바와 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 파워모듈들 일측에는 게이트보드와 연결되는 다수의 핀들이 형성되고,
상기 핀들은 브라켓에 의해 고정된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 파워모듈 어셈블리는,
상기 냉각기들 중 최상단에 적층된 냉각기의 상면에 접촉된 상면플레이트와,
상기 냉각기들 중 최하단에 적층된 냉각기의 하면에 접촉된 하면플레이트와,
상기 상면플레이트와 하면플레이트 사이를 고정하는 고정부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.
청구항 7에 있어서,
상기 하면플레이트에는 상기 파워모듈의 3열에 대응되는 위치에 상방으로 힘을 가하는 판스프링이 구비된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 파워모듈 어셈블리는 하우징 내부 일측에 구비되고,
상기 커패시터는 하우징 내부 타측 하방에 구비되며,
상기 출력버스바는 일단이 하우징 내부 타측 상방에 구비되고, 타단이 하우징 외부로 돌출형성되도록 구비된 것을 특징으로 하는 차량의 인버터 구조.