Analytical Assessment on the Cooling Structure of In-wheel Driving Inverter

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2014 KSAE / 128-01 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 2, pp.1-6 (2014)

인휠 모터 구동용 인버터의 냉각구조에 대한 해석적 평가

김 성 철^*

자동차부품연구원 그린카파워시스템연구본부

Analytical Assessment on the Cooling Structure of In-wheel Driving Inverter

Sung Chul Kim^*

Green Car Power System R&D Division, Korea Automotive Technology Institute, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea

(Received 8 January 2013 / Revised 21 May 2013 / Accepted 2 June 2013)

Abstract : In-wheel driving inverter inside engine room sometimes operates in the harsh environment like high temperature of about 105°C. Especially, the size and power density of the inverter has become smaller and more increased. Thus, it is essential to manage the temperature of the inverter with IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switching devices for performance and endurance, because the temperature can be getting increase. In this paper, we performed the thermal flow analysis of inverter models with wave type and pin fin type cooling channels, and investigated the heat transfer characteristics of the inverter models using cooling water on channels at 8 L/min and 65°C. Also, we compared the thermal performance under various conditions such as coolant flow rate and layered power module structure. Therefore, we determined the feasibility of the initial inverter models and the thermal performance enhancement.

Key words : In-wheel system(인휠 시스템), Inverter(인버터), Power module(파워 모듈), Cooling structure design (냉각구조 설계), Thermal flow analysis(열유동 해석)

1. 서 론¹⁾

오늘날 제한된 석유자원과 지구온난화와 같은 변 화하는 지구환경으로 인하여 자동차 산업에서 새로 운 구동시스템이 요구되고 있으며, 대표적인 예로 는 전력 기반의 전기자동차와 하이브리드 자동차에 적용될 수 있는 독립 구동의 인휠 시스템을 들 수 있 다. 점차 늘어나는 전동화 부품에 의해 차량용 인버 터의 사용량도 증가하고 있으며, 이러한 차량용 인 버터의 경우 산업용 인버터와 달리 자동차의 가혹 한 환경 속에서 높은 신뢰성이 보장 되어야 한다. 또 한 차량이라는 한정된 공간 내에서의 요구되는 연

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

비를 위해 소형화와 경량화를 필요로 하고, 이로 인 하여 인버터는 높은 출력밀도가 요구되어지고 있 다.¹⁾ 인버터는 IGBT 및 다이오드 등으로 구성되어 있는 전력모듈에서 스위칭 손실과 도통손실이 발생 하며 이러한 손실 대부분이 열로 변환된다. 이러한 구성부품의 발열을 효과적으로 냉각시키지 못하는 경우, 인버터의 효율을 떨어뜨리거나 작동을 멈추 는 등 제품의 성능 및 내구성에 영향을 미칠 수 있으 므로 효과적인 냉각설계가 필수적이다.

Lee 등²⁾은 하이브리드 자동차 구동용 40 kW급 인 버터에 대한 CFD 해석을 수행하여 방열목표를 만 족할 수 있는 냉각시스템을 설계하였으며, 내부 유 로에서의 핀휜 높이, 핀휜 형상 그리고 입구 형상 등

김 성 철

에 따른 방열성능 변화를 분석하였다. 이와 같이 인 버터의 방열 설계인자에 따른 열전달 특성 연구는 하우징의 냉각 유로 형상 및 베이스 플레이트의 유 무 등 적용 대상에 따라 다양한 방향으로 진행되고 있다.^3-7) Hamidi 등⁸⁾은 대용량 IGBT 모듈에 대한 온 도 측정 및 열모델링을 수행하였으며, 특히 적층구 조에서의 서멀그리스 층 두께가 모듈 온도에 미치 는 영향을 살펴보았다. 그 외에도 Wang 등⁹⁾은 전기 자동차용 인버터에 에어컨 냉매인 R-134a를 사용하 여 상변화에 의한 냉각 성능향상 정도를 일반적인 수냉식 경우와 비교하여 평가하였다.

본 연구에서는 인휠 모터 구동용 인버터의 수냉 식 냉각구조에 따른 열유동 해석을 수행하여 인버 터의 열전달 특성을 비교 파악하였다. 따라서 설계 된 인버터 냉각구조의 적용가능성을 살펴보았고, 방열성능을 향상시키기 위한 개선방향을 설정하 였다.

2. 수치 해석 2.1 해석 모델

인휠 모터 구동용 인버터는 전력모듈, 하우징, 커 패시터, 제어보드 및 차폐판 등으로 구성되어 있으 며 하우징 내부에 설치된 수냉식 유로를 통해 냉각 된다. 인버터의 방열 및 냉각유로 설계를 위해 사용 된 해석 모델은 Fig. 1(a)와 같이, 전력모듈 (IGBT, 다이오드, PBT 케이스 및 베이스 플레이트)과 하우 징을 포함한 단순모델을 적용하였고, 전력모듈의 적층 구조는 Fig. 1(b)에 도식화하여 나타내었다. 내 부 열전달 특성을 파악하기 위해서는 두 가지의 CFD 프로그램을 사용하였으며, SC/Tetra¹⁰⁾로 반도 체(전력모듈)의 균일 열원을 적용한 인버터 해석을 수행하여 복잡한 곡면 형상인 냉각유로에서의 열 전달계수와 압력강하를 파악하였고, 적층 구조인 전력모듈의 상세 모델링이 가능한 Flotherm^11-13)을 통해 인버터의 전체 열저항과 주요 부품들의 온도 분포를 보다 정확하게 구하고자 하였다. 이를 바 탕으로 생성된 격자는 Fig. 2에 나타내었으며, 물 결타입과 핀휜 타입 모두의 경우 약 900만 개의 비 정렬 격자와 약 350만 개의 정렬 격자가 각각 사용 되었다.

(a) Inverter

(b) Power module

(a) Grid model for SC/Tetra (wave type)

(b) Grid model for Flotherm (wave type)

인휠 모터 구동용 인버터의 냉각구조에 대한 해석적 평가

2.2 경계 조건

인휠 모터 구동용 인버터의 열전달 특성을 알아 보기 위해 대상 차량에서의 인버터가 노출될 수 있 는 가장 가혹한 환경 및 냉각시스템 운전 조건에서 해석을 진행하였다. 8 L/min으로 흐르는 65°C의 냉 각수(물 50%, 에틸렌글리콜 50%)를 적용하였고, 외 기온도는 적용 차량의 엔진룸 최대 온도인 105°C로 설정하였다. 인버터의 구성 부품들에 대한 재질물 성 및 발열량이 각각의 입력 값으로 사용되었으며, 발열량의 경우 Infineon 사에서 제공하는 소자의 발 열 산정 프로그램인 IPOSIM(Infineon Power Simula- tion Program)¹⁴⁾에 의해 연속출력 및 최대출력 조건 에서의 구동용 인버터에 인가되는 전류, 전압, 주파 수 등을 사용하여 계산된 값이 IGBT와 다이오드에 각각 적용되었다. (220 Arms, 240 V, 8 kHz @최대출 력) 이와 같이, 인버터의 열유동 해석에 적용된 경계 조건을 Table 1에 자세히 나타내었다.

Table 1 Boundary condition

Condition Continuous power

Maximum power Coolant inlet

temperature (°C) 65

Coolant flow rate

(L/min) 8*, 12

Ambient

temperature (°C) 105

Heat source (W) IGBT 800, Diode 260

IGBT 1400, Diode 600

* Standard condition

3. 인버터 열유동 해석 결과

3.1 냉각구조에 따른 열전달 특성 비교 물결 타입과 핀휜 타입의 냉각구조에 따른 인버 터의 방열성능을 파악하기 위해 열유동 해석을 통 한 인버터의 구성 부품별 온도를 계산하였으며, Table 2에는 주요 발열부 및 냉각수 출구 온도를 나 타내었다. 연속출력과 최대출력 조건에서 발열이 크게 발생하는 IGBT의 chip 부분에서 가장 높은 온 도를 나타내었으며, 특히 물결 타입 및 핀휜 타입의 최대출력 조건에서 IGBT의 chip 부분이 140.4°C 및 153.9°C로 전력소자의 작동한계 온도인 120°C 보다

Table 2 Temperature values of each part (°C)

Part Continuous power Maximum power Wave type Pin fin type Wave type Pin fin type IGBT

(chip) 106.8 114.3 140.4 153.9

Diode

(chip) 97.2 104.5 131.2 145.0

Coolant

outlet 67.2 67.3 69 69.1

(a) Wave type cooling channel

(b) Pin fin type cooling channel

높게 나타났기 때문에 방열성능이 둘 다 부족함을 알 수 있다. Fig. 3(a), (b)의 냉각유로 내부에서의 유 동 분포에서 알 수 있는 바와 같이, 물결 타입의 2번 채널에서 다소 유량이 많았으나 대체적으로는 유로 별 균일한 유량분배가 이루어지고 있고, 핀휜 타입 인 경우가 유로 단면적이 넓어 유속이 상대적으로 훨씬 느린 것을 볼 수 있다. 또한 Fig. 4는 인버터 주 요 발열부의 위치별 온도분포 결과이며, IGBT 및 다 이오드의 소자 위치에 따른 온도 편차를 알 수 있다.

Sung Chul Kim

(a) Continuous and maximum condition (wave type)

(b) Continuous and maximum condition (pin fin type)

Table 3 Parameter values of each cooling channel type

Item Wave type Pin fin type

Thermal resistance (chip to coolant, °C/W)

0.053 (@continuous)

0.055 (@maximum)

0.063 (@continuous)

0.065 (@maximum) Heat transfer coefficient

(W/m2･K) 2924 2083

Pressure drop (Pa) 5390 823

Heat exchange surface area

(m²) 0.0997 0.158

물결 타입 및 핀휜 타입의 경우, 연속출력에서 약 2.4°C, 1.3°C, 최대출력에서는 약 4°C, 2.8°C의 온도 차이가 각각 존재하였으며, 이는 유로를 따라 흐르 는 냉각수의 온도가 다르고 일부 유량 차에 의하여 발생하는 온도 편차로 허용될 수 있는 수준인 것으 로 판단된다. Table 3에서는 인버터의 냉각구조에 따른 열전달 및 압력강하 특성 결과를 나타내었다.

물결 타입과 비교하여 핀휜 타입의 경우에, 압력강 하가 현저히 감소하고 열교환 표면적이 증가하였으 나, 열전달계수의 저하로 인해 열저항이 약 20% 커 져서 Table 2에 나타난 바와 같이 방열성능이 더 낮

은 것을 알 수 있다.

3.2 설계인자 변경에 따른 영향

물결 타입과 핀휜 타입의 냉각구조에서 냉각수 유량이 8 L/min에서 12 L/min으로 증가시킨 경우와 서멀그리스의 적용 유무에 따른 제거된 모델의 방 열효과를 살펴보았다. Table 4에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 주어진 조건에서 유량증대를 통한 온 도 변화는 약 3°C 내외로 냉각개선 효과가 미비하였 다. 반면 서멀그리스의 모델링 적용 유무에 따른 결 과는 10°C 이상의 온도 감소를 나타내었다. 이는 인 버터의 반도체 접촉부에서의 열전도성을 높이기 위 해 사용되는 서멀그리스의 열저항이 열전달 성능에 적지 않은 중요한 역할을 하며, 또한 서멀그리스 모 델링의 불확실성이 실제의 방열 특성 차이를 크게 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 향후 해석 결과 의 신뢰성을 보다 높이기 위해서는 실험 결과와의 비교검증을 통한 적층구조의 정확한 모델링이 필요 하다. 이 결과를 통하여 초기 모델인 물결 타입 및 핀휜 타입 중 방열성능이 다소 유리한 물결 타입의

Analytical Assessment on the Cooling Structure of In-wheel Driving Inverter

Table 4 Temperature values of each part @maximum condition (°C)

Part 8 L/min 12 L/min 8 L/min

(no thermal grease)

12 L/min (no thermal grease) Wave type Pin fin type Wave type Pin fin type Wave type Pin fin type Wave type Pin fin type IGBT

(chip) 140.4 153.9 137.1 150.6 129.2 142.1 126.3 138.5

Diode

(chip) 131.2 145.0 127.9 141.6 121.0 134.0 116.6 130.7

Coolant outlet 69.0 69.1 67.7 67.7 68.8 69.1 67.6 67.7

경우라도, 냉각시스템 유량이 12 L/min으로 최대이 고 열저항이 최소에 해당되는 서멀그리스 미적용 조건에서 모델의 발열부 IGBT 온도결과가 126.3°C 로 허용온도보다 높은 이유로, 유로 및 냉각휜 등 냉 각구조의 설계 개선을 통한 방열성능 향상이 필요 하다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 인휠 구동용 수냉식 인버터 모델 에 대한 해석을 진행하여 열전달 및 유동 특성을 파 악하였고, 냉각구조에 따른 방열 성능의 영향을 비 교 분석하였다. 이를 통해서 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1) 인휠 구동용 인버터 초기 모델의 연속출력 및 최 대출력 조건에서 열유동 해석을 진행하여, 물결 타입 및 핀휜 타입의 최대출력 조건에서 IGBT의 chip 부분 온도가 약 140.4°C, 153.9°C로 허용한 계인 120°C 보다 높은 것으로 파악되었다.

2) 냉각유로 내부의 유동은 대체적으로 균일한 유 동분배가 이루어졌으며, 온도 분포는 물결 타입 및 핀휜 타입의 경우, 연속출력에서 약 2.4°C, 1.3°C, 최대출력에서는 약 4°C, 2.8°C의 온도 편 차를 나타내어 설계 시 허용할 수 있는 수준임을 알 수 있었다.

3) 주어진 조건에서 유량 증가에 따른 냉각개선 효 과는 미비한 것으로 나타났고, 최대 냉각수 유량 및 서멀그리스가 제거된 조건에서의 물결 타입 및 핀휜 타입 모델은 최고온도가 126.3°C, 138.5°C로 허용 한계보다 높은 이유로, 유로 및 냉각휜 등 냉각구조의 설계 개선을 통한 방열성 능 향상이 필요하였다.

후 기

본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업원천기술 개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 현 대모비스 관계자 여러분께 감사하는 바이다.

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