[논문]HEV용 인버터의 방열을 위한 수냉식 배관구조

김경만; 우병국; 이용화; 강찬호; 전태원; 조관열

doi:10.6113/tkpe.2010.15.1.27

HEV용 인버터의 방열을 위한 수냉식 배관구조
Water Cooling Pipe Structure for Heat-Dissipation of HEV Inverter System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.15 no.1, 2010년, pp.27 - 34

김경만 ((주)이지트로닉스) , 우병국 ((주)이지트로닉스) , 이용화 ((주)동아일렉콤) , 강찬호 ((주)이지트로닉스) , 전태원 (울산대 전기전자정보시스템공학부) , 조관열 (충주대 정보제어공학과)

초록
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하이브리드 전기자동차(HEV)용 인버터의 스위칭 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시키기 위한 수냉식구조를 제안한다. 기존의 볼트형 냉각구조는 강한 수압에서 누수현상이 발생할 수 있으므로 본 논문에서는 이를 방지하기 위해 방열판 내에 파이프 형태의 구조를 적용하였다. 발열원을 기준으로 수로의 이격거리 변화와 여러 형태의 수로에 대해 방열현상을 시뮬레이션으로 해석하고, 방열효과가 우수한 2가지 배관구조 모델을 기준으로 방열효과를 비교 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 토대로 2가지 배관구조를 적용한 HEV용 30kW급 인버터를 제작하여 방열효과를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To dissipate the heat generated from the switching devices in the inverter system of HEV, the water cooling structure is proposed. The bolt type cooling structure has a problem such as water leakage for high pressure of water, therefore the proposed cooling structure applied pipe structure in the heat sink. The heat dissipation characteristics for various structures of water channel and distance between heat source and water channel was analyzed through the simulation. heat dissipation effect for two types of water cooling structures was investigated. Based on the simulation results, two types of water cooling system for 30kW inverter system of HEV were manufactured and the heat dissipation effect was verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 30㎾급 HEV용 모터구동을 위한 인버터의 수냉식 방열구조를 제안하였다. 인버터에서 발생하는 최대 손실을 1.
본 논문에서는 HEV용 인버터의 방열을 위한 수냉식 방열 배관 구조를 제안하였다. 시뮬레이션을 통하여 단일 궤환배관을 가진 'U'자형 구조에서 주 궤환배관의 적절한 위치를 선정하고, 2차 궤환배관의 배치를 조절하면서 방열의 특성을 고찰한 결과 시험군Ⅳ-(b)의 2중 궤환배관을 가진 ‘ㅂ’자형 배관구조가 가장 낮은 온도와 균형적인 방열 기능을 가짐을 확인하였다.
본 논문에서는 금속성 방열판 내부를 드릴로 가공하여 파이프 형태가 되도록 설계하였다. 파이프형 수로는 냉각수 고압 순환이 가능하여 방열특성이 우수하고 누수가 없으며, 제작비가 절감되는 장점이 있다.

가설 설정

시험군Ⅰ에서 발열원과 접촉되는 유효배관이 가장 작고 궤환배관이 중심선에서 가장 멀리 배치된 (a)시험 방열특성이 가장 나쁘고, 발열원과 접촉되는 유효 배관이 증가하고 궤환배관이 중심선에서 가까울수록 방열특성이 개선된다. (c)시험은 궤환배관이 발열점 중심을 지나가지만, (d)시험에 비해 접촉유효면적이 작기 때문에 방열특성이 (d)시험보다 약간 나쁘다. 따라서 궤환배관의 위치와 함께 유입배관과 유출배관의 접촉 유효면적에 커져야 방열특성이 좋아진다는 사실을 확인하였다.
3) 측면 가공 시작점을 용접으로 막는다.
배관구조에 대한 방열특성을 해석, 측정하기 위해주 발열원인 IGBT 모듈의 위치를 고정시키고, 발열전력 1.8㎾는 3개의 IGBT 모듈에서 균등하게 발열된다고 가정하여 시뮬레이션 모델을 설정하였다. 실제 인버터 구조물 시험에서도 IGBT 모듈에 1.

제안 방법

시뮬레이션과 동일한 지점에서 온도를 측정하도록 설정하였다. IGBT 모듈의 내부 온도를 측정하기 위해 그림 17과 같이 5V 전원으로 NTC의 전압값을 측정하고, NTC 특성에 의한 누적전압온도 환산표를 참고하여 온도값으로 환산하였다.
냉각기(chiller)의 설정온도는 60℃, NTC의 포화 시 설정온도는 59.9℃로 설정하였고 ‘Labtech LLC-0702’를 통해 냉각수 순환, 유량제어, 온도제어를 하였다.
냉각배관은 그림 4와 같이 냉각수가 3개의 발열점 부근을 흐를 수 있도록 배치하였다. 냉각수가 유입되는 배관은 유입구에서 발열점 IGBT1 방향으로 배치하고, 냉각수가 유출되는 배관은 발열점 IGBT3에서 유출구 방향으로 배치하였으며, 이 두 배관을 궤환배관으로 연결하여 냉각수가 흐를 수 있는 경로를 확보하였다. 이러한 배치구조에서 발열점과 배관들 사이 수평간격과 수직간격에 따른 방열특성을 알아보기 위해 3개의 시험군으로 구분하였다.
다양한 시험군들 중에서 가장 우수한 방열구조를 가지는 시험군Ⅰ의 (d)구조를 기준으로 하여 그림 11과 같이 2중 궤환배관을 추가로 배치하고 방열특성을 확인하였다.
방열에 효과적인 배관위치와 배관구조를 결정하기 위해 ICE-PAK 시뮬레이션 프로그램을 통하여 방열특성을 검토하였다. 또한 방열특성이 우수한 2가지 냉각 구조모델을 실제 인버터에 적용시켜 제작하고, 인버터 스위칭 소자의 발열에 대한 방열판의 냉각특성을 열화상카메라로 계측하여 시뮬레이션 결과와 함께 비교하여 방열효과를 검증하였다.
발열원들을 기준으로 시험군Ⅰ은 궤환배관의 수평위치, 시험군Ⅱ는 유입배관과 유출배관 사이 수평간격, 시험군Ⅲ은 각 배관들의 수직방향 간격을 변화시켜 방열온도를 측정하여 비교, 분석하였다.
발열원으로 IGBT 스위칭 소자에 병렬로 부착된 환류 다이오드를 6개 모두가 직렬이 되도록 결선하고 그림 16과 같이 직류전류원으로 발열전력을 조절하였다. 전체 직렬다이오드의 전압강하가 7.
8㎾로 선정하고, 다양한 방열구조 및 발열점과 배관간격에 따른 방열특성을 고찰하였다. 방열에 효과적인 배관위치와 배관구조를 결정하기 위해 ICE-PAK 시뮬레이션 프로그램을 통하여 방열특성을 검토하였다. 또한 방열특성이 우수한 2가지 냉각 구조모델을 실제 인버터에 적용시켜 제작하고, 인버터 스위칭 소자의 발열에 대한 방열판의 냉각특성을 열화상카메라로 계측하여 시뮬레이션 결과와 함께 비교하여 방열효과를 검증하였다.
4. 냉각시스템 구현과 시험

시뮬레이션 해석에서 우수한 방열특성을 보인 시험 군Ⅰ-(d)의 단일 궤환배관을 가진 U자형 배관구조와 시험군 Ⅳ-(b)의 2중 궤환배관을 가진 ㅂ자형 배관구조를 HEV용 인버터 냉각시스템에 적용하여 시작품을 제작하였다. 파이프형 수로 제작을 위한 공정은 다음과 같다.
시험군Ⅲ에서는 그림 9와 같이 인버터 단면에서 발열원인 IGBT 모듈이 직접 닿는 면에서 방열판내 수직 방향으로 배관을 13㎜, 18㎜ 및 28㎜ 이격시켰을 때 방열특성을 확인하였다.
시험군Ⅳ는 기존 주 궤환배관을 기준으로 그림 12와 같이 Z축 방향으로 30㎜, 60㎜, 90㎜ 간격으로 2차 궤환배관을 배치하여 방열특성을 고찰하였다.
8㎾는 3개의 IGBT 모듈에서 균등하게 발열된다고 가정하여 시뮬레이션 모델을 설정하였다. 실제 인버터 구조물 시험에서도 IGBT 모듈에 1.8㎾에 해당하는 열원을 가해서 방열특성을 확인하여 시뮬레이션 결과와 함께 비교 분석하였다.
냉각수가 유입되는 배관은 유입구에서 발열점 IGBT1 방향으로 배치하고, 냉각수가 유출되는 배관은 발열점 IGBT3에서 유출구 방향으로 배치하였으며, 이 두 배관을 궤환배관으로 연결하여 냉각수가 흐를 수 있는 경로를 확보하였다. 이러한 배치구조에서 발열점과 배관들 사이 수평간격과 수직간격에 따른 방열특성을 알아보기 위해 3개의 시험군으로 구분하였다.
인버터 크기를 고려하여 방열판은 가로 213㎜, 세로 216㎜, 높이 40㎜로 한정하고, 차량의 엔진냉각 시스템과 동일하게 적용하기 위해 파이프의 이음매를 고려하여 직경 16㎜, 단면적 2㎠로 적용하였다.
본 논문에서는 30㎾급 HEV용 모터구동을 위한 인버터의 수냉식 방열구조를 제안하였다. 인버터에서 발생하는 최대 손실을 1.8㎾로 선정하고, 다양한 방열구조 및 발열점과 배관간격에 따른 방열특성을 고찰하였다. 방열에 효과적인 배관위치와 배관구조를 결정하기 위해 ICE-PAK 시뮬레이션 프로그램을 통하여 방열특성을 검토하였다.
발열원으로 IGBT 스위칭 소자에 병렬로 부착된 환류 다이오드를 6개 모두가 직렬이 되도록 결선하고 그림 16과 같이 직류전류원으로 발열전력을 조절하였다. 전체 직렬다이오드의 전압강하가 7.32V일 때 공급전류가 246A가 되도록 하여 1.8㎾의 발열전력을 설정하였다. 냉각기(chiller)의 설정온도는 60℃, NTC의 포화 시 설정온도는 59.

대상 데이터

HEV 차량의 전기동력을 발생하기 위한 모터는 차량용으로 설계 제작된 30㎾ 용량의 3상 영구자석 매입형 동기모터를 사용하였다. 그림 1과 같이 모터구동용 인버터는 모터제어 알고리즘이 탑재된 제어보드, 스위칭 소자들과 이를 구동하기 위한 드라이버 회로, 전류 센서, 슈퍼커패시터 및 스위칭 소자에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 방열부 등으로 구성하였다.
방열특성을 알아보기 위해 온도 측정점은 온도가 가장 높은 위치를 기준으로 그림 3과 같이 발열원 중심점 3개 지점(IGBT1～IGBT3)과 스위칭 소자들 부근 8개 지점(P1～P8)으로 설정하였다.
본 연구에 적용된 인버터 스위칭 소자들은 3상 브리지 구조를 위해 각 상의 상, 하단에 있는 2개의 스위칭 소자가 하나의 모듈로 된 세미크론의 ‘SEMiX 302HD066’을 3개 사용하였다.
시뮬레이션에 적용된 방열판은 순수 알루미늄보다 전도성이 좋고 무게가 가벼운 혼합물 알루미늄으로 밀도가 2700㎏/㎥, 전도도가 500W/m·°K이며, IGBT 모듈의 접합 경계면에서 열전달 상수값이 1W/㎡인 재질의 알루미늄을 사용하였다.

이론/모형

그림 10에서 나타난 바와 같이 발열원과 배관의 수직 간격이 가까울수록 발열특성이 우수함을 알 수 있다. 그러나 발열점과 배관이 가까우면 고압을 견디지 못해 배관이 터져버리는 문제가 있으므로 실제 제작은 (b)의 모델을 적용하였다.

성능/효과

(c)시험은 궤환배관이 발열점 중심을 지나가지만, (d)시험에 비해 접촉유효면적이 작기 때문에 방열특성이 (d)시험보다 약간 나쁘다. 따라서 궤환배관의 위치와 함께 유입배관과 유출배관의 접촉 유효면적에 커져야 방열특성이 좋아진다는 사실을 확인하였다.
따라서 균형적인 방열과 특정부위 중 발생하는 최고온도가 가장 낮은 구조는 2중 궤환배관을 가지는 ‘ㅂ’자형배관구조임을 확인하였다.
그러나 측정값의 패턴과 편차의 크기만 고려하면 비슷한 특성을 보인다. 따라서 실제 제작시험을 통해 제안된 2중 궤환배관을 가진 수냉식 방열구조가 가장 우수한 효과를 가짐을 확인하였다.
시뮬레이션 결과 시험군Ⅳ의 모든 구조가 시험군Ⅰ-(d)보다 온도가 낮아짐을 알 수 있고, 그 중에서 시험 군Ⅳ-(b)의 방열특성이 가장 우수하다. 시험군Ⅰ-(d)의 발열점들 중에서 최고온도와 평균온도가 각각 98.
시뮬레이션을 통하여 단일 궤환배관을 가진 'U'자형 구조에서 주 궤환배관의 적절한 위치를 선정하고, 2차 궤환배관의 배치를 조절하면서 방열의 특성을 고찰한 결과 시험군Ⅳ-(b)의 2중 궤환배관을 가진 ‘ㅂ’자형 배관구조가 가장 낮은 온도와 균형적인 방열 기능을 가짐을 확인하였다.
시험군Ⅰ에서 발열원과 접촉되는 유효배관이 가장 작고 궤환배관이 중심선에서 가장 멀리 배치된 (a)시험 방열특성이 가장 나쁘고, 발열원과 접촉되는 유효 배관이 증가하고 궤환배관이 중심선에서 가까울수록 방열특성이 개선된다. (c)시험은 궤환배관이 발열점 중심을 지나가지만, (d)시험에 비해 접촉유효면적이 작기 때문에 방열특성이 (d)시험보다 약간 나쁘다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수냉식 수로 제작에 많이 사용하는 냉각구조는 어떤 방식인가?	수냉식 수로 제작에 많이 사용하는 냉각구조는 방열판을 상부와 하부로 구분하고, 수로에 해당되는 부분을 각각 깎아낸 후 두 구조물을 맞붙여 볼트로 체결하는 방식이다. 이 구조는 제작이 쉽고 수로의 형태를 자유롭게 제작할 수 있는 장점이 있지만, 수압이 높을 경우 접합면에서 누수발생의 빈도가 높은 단점을 가진다.
	모터구동용 인버터는 무엇으로 구성되어있는가?	HEV 차량의 전기동력을 발생하기 위한 모터는 차량용으로 설계 제작된 30㎾ 용량의 3상 영구자석 매입형 동기모터를 사용하였다. 그림 1과 같이 모터구동용 인버터는 모터제어 알고리즘이 탑재된 제어보드, 스위칭 소자들과 이를 구동하기 위한 드라이버 회로, 전류 센서, 슈퍼커패시터 및 스위칭 소자에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 방열부 등으로 구성하였다.
	수냉식 수로 제작에 많이 사용하는 냉각구조는 방열판을 상부와 하부로 구분하고, 수로에 해당되는 부분을 각각 깎아낸 후 두 구조물을 맞붙여 볼트로 체결하는 방식이다, 이 방식의 장단점은?	수냉식 수로 제작에 많이 사용하는 냉각구조는 방열판을 상부와 하부로 구분하고, 수로에 해당되는 부분을 각각 깎아낸 후 두 구조물을 맞붙여 볼트로 체결하는 방식이다. 이 구조는 제작이 쉽고 수로의 형태를 자유롭게 제작할 수 있는 장점이 있지만, 수압이 높을 경우 접합면에서 누수발생의 빈도가 높은 단점을 가진다.

참고문헌 (4)

N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics : Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, pp. 3-6, 1989.
김유한, 이현동, 유기호, "연료전지차용 100 kW 전기구동시스템 냉각설계기술 개발", 전력전자학회 2008년도 하계학술대회 논문집, pp. 428-430, 2008. 6.
이지명, 이재용, 박래관, 장서건, 최경수, "하이브리드 전기자동차 구동용 전력변환장치", 전력전자학회 논문지, 제13권, 제6호, pp. 420-429, 2008. 12.

원문보기 상세보기
U. Drofenik, G. L. Johan, and W. Kolarb, "Pump Characteristic Based Optimization of Direct Water Cooling System for 110-kW/500-kHz Vienna Rectifier", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 20, No. 3, pp. 704-714, 2005, May.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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