<발명의 명칭: 배터리부와 모터 및 프레임이 일체화된 통합형 편평형차대 >
(Integrated Flatform Chassis Where Battery, Motor and Frame are Integrated Into One)
요 약
본 발명은 종래 전기자동차의 구조용 프레임인 섀시 구조물 기술의 문제점을 해소할 수 있는 방안으로 에너지원인 배터리(cell)와 동력원인 모터가 자동차 섀시 프레임 내부에 수납되고 장착되는 삼위일체형 프레임인 “편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis)”를 제공하는데 그 목적이 있다.
“편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis)”는, 대용량 배터리와 모터를 섀시 내부에 수납함으로써 별도 배터리(cell)와 모터 설치공간을 제거하여, 파워트레인 설치공간을 최적화하고 중량 감축으로 연비향상과 더불어 차량 디자인의 자유도를 더욱 확보할 수 있다.
또한, 대용량의 배터리를 차량의 바닥 부분(Floor Pan)부분에 폭넓게 적재하고 세심관 사이의 빈공간을 활용한 공랭식과 수랭식 혹은 상변화 냉각시스템을 조합하여 섀시 구조물의 열응력(thermal stress)을 높여 배터리와 모터 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
대 표 도 – 도4
명 세 서
청구범위
청구항 1
자동차의 기본 구조물로 차대인 구조용 프레임인 섀시부에 있어서,
섀시부를 구성하는 뼈대인 프레임;
상기 섀시부를 세로로 관통하며 모터부를 격납하는 속이 빈 중공관; 및
복수개의 가로방향 보강용 비드부(bead);
를 포함하여 구성되며,
상기 프레임은 속이 빈(hollow) 관(tube)인 세심관을 수평으로, 3단 이상 다단으로, 그리고 육방격자형으로 집속한 부재를 중간층(core)으로 하고,
상기 중간층의 양면에는 고강도 재료로 된 두 개의 얇은 판재로서 양면에 바깥층(face)을 형성하며,
상기 세심관의 중간층(core)은 상기 바깥층(face)인 상기 판재를 지지하는 필러(filler)로 기능하여,
상기 바깥층을 주름(winkling)이나 좌굴(buckling)에 대해 안정화시키고,
상기 중간층인 속이 빈 상기 세심관 사이 및 상기 세심관과 상기 양면의 바깥층 사이 빈 공간에는 극세심관의 보조 채움관을 삽입하여 빈공간을 더욱 촘촘히 채우며,
상기 판재의 양면 바깥층, 상기 세심관 및 보조 채움관으로 구성되는 상기 중간층의 삼겹구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 2
제1항에 있어서,
상기 모터부를 격납하는 속이 빈 중공관은, 길이방향으로 주름을 갖되, 주름 파형이 정현파의 골(trough)을 양(+)의 영역으로 전환하여 파형 주기가 π 라디안을 가지며, 파형의 각 마루(peak)는 중공관 외벽에 위치하고 파형의 각 골은 중공관 내벽을 형성하는 양정현파(positive sinusoidal) 중공관이며,
외경방향으로 볼록한 형상의 주름을 원주방향으로 36개 가지고, 주름의 마루와 골이 상기 프레임의 세로 길이 방향으로 향하도록 상기 프레임의 중앙부 중심축선상에 세로 방향으로 안치하며,
상기 보강용 비드부는 활꼴의 단면을 가지고, 상기 프레임의 가로방향에 복수 개를 상기 세심관의 상면 및 하면에 상기 세심관과 직교하도록 부가하여 상기 세심관과 함께 중간층을 형성하며,
상기 프레임의 가장자리에는 테두리보를 부가하되,
상기 테두리보는 WF보 단면형상의 구조용 부재(member)로서, 상기 프레임의 양면 바깥층에 접합하여 축방향 외력이나 하중을 지지하고 인장, 비틀림, 굽힘, 압축 등의 전단응력을 증대시키며,
상기 바깥층인 판재는 상기 중간층의 보강용 비드부의 형상에 맞추어 조립되도록 성형하여, 상기 바깥층인 판재가 상기 중간층과 접합함으로써 형성되는 샌드위치 패널(sandwich panel)형상의 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 3
제2 항에 있어서,
상기 프레임의 중간층을 형성하는 상기 복수의 세심관에는 원통형 배터리를 직렬 수납하여 모터와 전장장치를 구동하는 에너지부를 형성하고,
세로축 방향의 상기 프레임 중심축선상의 상기 양정현파 중공관은, 상기 세심관 중간층(core) 두께의 두 배 이상의 직경을 갖되, 자동차 구동원인 직렬 모터를 상기 중공관 내부에 격납하며,
상기 세심관 사이의 공간은 상기 보조 채움관을 채워 공기유동통로(채널)로 하고,
상기 보조채움관을 외부 대기로 열을 방출하는 냉각공기 유관으로 활용하여 상기 바깥층의 방열판 기능과 함께 열교환의 냉각계통을 형성함으로써, 상기 양정현파 중공관에 격납되는 구동원인 상기 모터부와, 상기 세심관 내부에 수납되는 에너지원인 배터리부와, 상기 세심관과 상기 보조채움관, 및 상기 양면 바깥층을 방열판으로 하는 프레임이 하나의 섀시로 통합되는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 4
제2항에 있어서,
중간층인 상기 세심관과 직교하는 상기 활꼴의 단면을 가지는 보강용 비드부는, 상기 중간층(core)을 보강하고 외력을 상기 세심관으로 분산시키는 기능과, 차량 부속장치를 섀시에 장착할 때 핀이나 볼트의 설치장소로서의 기능을 가지며,
상기 보강용 비드부 내부에 4개소의 원통 실린더와 단면방향 3열로 복수개의 비드 너트부를 구비하여, 상기 원통실린더에 중공원형보(hollow cylinder beam)를 삽입하여 지지점을 확보하고, 상기 보강용 비드부를 볼트와 너트로 체결하여 차체(보디)와 부속장치를 접합함으로써 핀이나 볼트의 체결장치가 상기 세심관을 관통하지 않게 하여 구멍이나 노치(notch) 등에서 발생되는 응력집중과 국부응력을 활꼴 형상의 상기 양면 바깥층과 상기 보강용 비드부를 경유하여 상기 프레임 전체면으로 분산시키는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 5
제2항에 있어서,
상기 프레임 가장자리의 테두리보는,
상기 프레임의 양면 바깥층을 상기 테두리보의 양측면 중 내측 한 측면에 삽입하고,
상기 테두리보의 플랜지와 상기 프레임의 경계면을 겹치기 이음이나 필릿용접으로 가장자리를 접합하며,
상기 테두리보의 바깥쪽 다른 한 측면에는, 바퀴 구동축상의 조향과 현가장치 안치부, 펜더부와 바디 지지부, 보닛과 앞범퍼 안치부, 트렁크와 뒷범퍼 안치부 등을 리벳, 볼트, 용접의 방법으로 차체(body)와 접합하며,
상기 테두리보 바깥쪽 상하 플랜지와 웨브 사이의 빈공간은, 하네스 케이블과 배터리 배선 케이블의 덕트와, 배터리와 모터 냉각용 파이트의 덕트를 수납하고, ㄷ자 형상의 채널보(channel beam)를 부가하여 빈공간을 외측면과 격리하여,
상기 테두리보의 플랜지와 웨브, 상기 채널보의 플랜지와 웨브가 결합하여 상자형보(box beam)의 조립보를 형성하는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 6
제3항에 있어서,
상기 세심관에 실장되는 배터리는, 마이너스(-) 전극의 리드선을 구비한 배터리 소켓에 직렬 격납되어 상기 세심관에 수납되고 끝단의 플러스(+) 전극 단자와 함께 상기 세심관 수납용의 배터리모듈을 형성하되,
상기 배터리모듈은 전원회로와 연결되는 배터리 콘센트와 플러스(+) 단자와 마이너스(-) 단자가 요철(凹凸)형으로 체결되고, 전원관리시스템과 성형(star)방식으로 전원에 결선되는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 7
제6항에 있어서,
상기 배터리모듈은 주배전교환시스템(Main Distribution & Switching System, MDSS)에 접속되고,
상기 주배전교환시스템(MDSS)은 N개의 입력과 M개의 출력선이 스위치로 연결되어, N×M개의 스위치 소자인 매트릭스 컨버터회로 기능의 양방향 전력변환(Matrix Switching)기능을 갖는 전력용반도체소자(Power Semiconductor Devices, PSD)로 구성하되,
충전과 방전, 회로차단, 센서신호 감지와, 배터리 방전과 충전 순서지정, 회생제동용 배터리모듈 지정을 모듈별로 분리하여 순서를 할당함으로써 상기 배터리 셀의 충방전 횟수를 줄여 수명을 연장하며, 충전소요시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 8
제 2 항에 있어서,
상기 양정현파중공관에 격납되는 동력원인 직렬모터는, 모터함체 원주면에 외접하는 지름 10mm의 오목 홈과, 상기 양정현파 중공관 내벽의 마루와 골로 형성되는 오목 홈으로 형성되는 36개소의 오목형 요(凹)홈을 구비하여 냉각배관과 코일배선 및 충격절연용 패드를 수납하는 공간으로 활용하되,
6개의 수랭식 냉각시스템 배관파이프와 6개의 공랭식 냉각시스템 공기유관과 12개의 모터 코일가이드부와 12개의 충격절연용패드를 수납하되 탄성중합체인 고무 재질의 진동과 충격흡수 목적의 충격절연용패드는, 수납 홈직경 10mm의 √2배(1.4142) 굵기로, 탄성 압축용량을 확보하고 길이방향으로 잡아당겨 요철홈에 삽입한 후, 다시 풀리게 하여 탄성을 회복시키는 방법으로 상기 모터를 고정하여, 응력집중을 초래하는 볼트나 쐐기없이 상기 모터부를 격납하며, 상기 모터의 회전진동과 바퀴의 구름진동을 상호간 절연(isolation)시켜, 상기 모터와 상기 프레임 구조물의 피로를 감소시키는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 9
제8항에 있어서,
상기 양정현파중공관에 격납되는 동력원인 상기 직렬모터는, 모터 회전축이 바퀴축과 직교방향으로 교차하는 곳에, 상기 프레임의 바깥층과 상기 양정현파중공관을 천공(穿孔)하여, 구동기어 인출구를 전륜, 후륜, 전후륜에 구비하며, 한 개 직렬모터로 전륜, 후륜 혹은 사륜구동을 조합하고,
상기 직렬모터의 구동축에는 비틀림각 방향이 서로 반대인 한 쌍의 헬리컬기어를 조합하여 축방향 하중을 제거하는 더블헬리컬기어(double helical gear)를 장착하여 동력계통(파워트레인)의 구동기어부로 삼으며, 상기 직렬모터의 구동기어부와 차동기어부 중간에는, 더블헬리컬기어와 보조회전축(Aux. shaft)으로 구성되는 정합기어부(matching gear)를 안치하여 상기 직렬모터와 바퀴부를 분리하여, 모터 구동축의 원점(O)을 인상(引上)하고, 일정비율의 감속효과와, 부하 임피던스(Z)를 정합시키는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 10
제 3 항에 있어서,
상기 배터리의 열전달 과정인 전도와 대류를 최대화하기 위해, 상기 배터리를 상기 세심관 전체에 분산 수납하여 열방출 면적을 늘리고, 상기 세심관 사이 공간 및 상기 세심관과 상기 바깥층 사이 공간에, 상기 보조 채움관을 채워 상기 배터리의 열전도와 대류면적을 확대함으로써, 상기 세심관 반경(R)대비 1.62π(5.08)배의 방열면적을 확장하고 외부 대기와 접하는 양면의 바깥층(face)을 방열판으로 활용하며,
상기 세심관 사이공간과 상기 보조 채움관을, 흡기구와 배기구를 갖는 공기 유관(튜브)으로 연결하고, 상기 유관의 축 방향으로 기체를 송풍하는 축류송풍기를 추가하여, 온도 상승시 외부 에너지로 구동하여 외부대기로 열교환하는 배터리 냉각시스템의 공랭식 냉각방식을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 11
제10항에 있어서,
상기 배터리 냉각시스템의 공랭식 냉각방식에 더하여, 상기 배터리를 수납하는 상기 세심관과 상기 보조 채움관 사이 빈 공간에, 냉각제로 물(水)을 투입하는 수랭식 냉각방식, 축열과 방열의 열교환 효과를 더욱 개선하기 위해 파라핀(paraffin) 또는 이온화합물을 주입하는 상변화물질 냉각방식을 더 포함하되, 공랭식 냉각방식을 기본으로 하고, 공랭식 냉각방식과 수랭식 냉각방식의 조합 또는 공랭식 냉각방식과 상변화물질 냉각방식 조합의 하이브리드 냉각방식으로 배터리의 폐열을 외부대기로 배출시키거나 자동차 공조시스템에 재활용하여 냉각효율을 개선하는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 12
제 6 항에 있어서,
세로축 방향 중심축선상의 상기 양정현파중공관 내부에 자동차 구동원인 상기 직렬모터를 격납하지 않고,
상기 세심관(100)을 수평방향으로 3개, 4개, 5개, 4개, 3개를 적층하고, 다수의 보조 채움관을 육방격자형으로 집속하여 19개의 상기 배터리모듈을 추가하여 상기 세심관 내부에 수납되는 에너지원인 배터리부와, 상기 세심관과 상기 보조채움관, 및 상기 양면 바깥층을 방열판으로 하는 프레임이 하나의 섀시로 통합되고, 동력원인 모터부는 섀시 외장형으로 설치되는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
청구항 13
제 2 항에 있어서,
상기 편평형차대의 하부 바닥판(Floor Pan)에 형성되는 세로방향의 양정현파중공관과 가로방향의 상기 보강용비드부와 상기 테두리보로 형성되는 위치와 요철(凹凸)형의 요(凹)공간에 전자기파로 에너지원인 배터리부를 충전하는 차량용 무선충전 집전장치인 수신패드 혹은 카패드(CarPad)의 설치공간을 제공하는 것을 특징으로 하는 통합형 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis).
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