Brevet FR2833803A1 — publié le 20030620

Circuit électronique de puissance et système de motorisation hybride pour véhicule automobile pourvu d'un tel circuit électronique de puissance. La présente invention concerne un circuit électronique de puissance et, en particulier, un circuit électronique de puissance destiné à l'alimentation en énergie électrique d'un moteur électrique de véhicule automobile hybride. Elle concerne également un système de motorisation hybride pour véhicule automobile pourvu d'un tel circuit électronique de puissance. Dans les véhicules automobiles hybrides, c'est-à-dire les véhicules automobiles dont le système de motorisation comporte un moteur électrique et un moteur thermique à combustion interne, les organes mécaniques, électriques et électroniques sont classiquement montés avec un niveau d'intégration relativement faible. En d'autres termes, ces différents organes sont respectivement agencés sous la forme de modules fonctionnels unitaires et sont pourvus de circuits de refroidissement et de lubrification indépendants. Les câbles, les conduites ainsi que les différents organes nécessaires à la distribution des fluides de refroidissement et de lubrification pour chacun de ces organes entraînent un surcoût non négligeable. En outre, le volume total de ces organes mécaniques, électriques et électroniques est relativement important. Dans le but de réduire la compacité de l'ensemble de ces organes, et réduire les coûts, il a été proposé d'intégrer le moteur électrique et la chaîne cinématique de transmission au sein d'un même module associé à un même circuit de lubrification et à un même circuit de refroidissement. Selon ce type d'agencement, le fluide de lubrification est constitué par de l'huile, le fluide de refroidissement étant constitué d'eau, éventuellement associée à des adjuvants appropriés. Comme on le conçoit, cette technique est relativement avantageuse, dans la mesure où elle permet de réduire le coût et l'encombrement général du moteur et du mécanisme de transmission qui lui est associé. En outre, elle est relativement efficace, dans la mesure où l'utilisation d'un liquide de refroidissement et d'un liquide de lubrification distincts permet d'utiliser des liquides présentant des propriétés les rendant efficaces pour assurer leurs fonctions respectives. En ce qui concerne les composants électroniques de puissance assurant l'alimentation du moteur électrique, ceux-ci restent intégrés dans un module distinct et sont, en général, refroidis au moyen d'un liquide de refroidissement à base d'eau. On pourra, à cet égard, se référer au brevet US 5 309 319, qui décrit un système de refroidissement de composants électroniques de puissance, selon lequel les composants, qui sont montés sur un support, sont plongés dans un bain de liquide de refroidissement dans lequel sont créés des jets dirigés directement sur chaque puce du module électronique. Comme on le conçoit, cette technique présente un inconvénient majeur, dans la mesure où le fluide de refroidissement utilisé doit présenter de très bonnes propriétés diélectriques afin d'éviter tout court-circuit entre les jonctions des composants qui sont généralement portées à un potentiel élevé. On pourra également se référer au brevet US 6 000 908, qui décrit une autre technique de refroidissement de composants électroniques de puissance, selon laquelle les composants électroniques de puissance sont montés sur la surface extérieure d'une paroi externe d'un support à double parois, et selon laquelle la paroi interne est pourvue d'un ensemble de buses projetant des jets de liquide de refroidissement vers la surface intérieure de la paroi externe du support. Après avoir été projeté contre la paroi externe, le liquide de refroidissement est évacué en circulant entre l'espace délimité entre les parois interne et externe. Selon les techniques de refroidissement décrites dans ces deux documents, les jets de liquide de refroidissement sont engendrés dans un volume empli de liquide de refroidissement et sont donc constitués par des jets immergés, ce qui réduit considérablement leur efficacité. Aussi, le but de l'invention est de pallier cet inconvénient et de fournir un circuit électronique de puissance permettant d'améliorer les échanges thermiques entre le liquide de refroidissement et la plaque de support des composants. Un autre but de l'invention est de fournir un circuit électronique de puissance permettant d'augmenter l'intégration des organes mécaniques, électriques et électroniques entrant dans la constitution d'un véhicule automobile hybride. Selon l'invention, il est donc proposé un circuit électronique de puissance comprenant un ensemble de composants électroniques de puissance et une plaque de support en matériau conducteur de la chaleur, les composants étant montés sur l'une des grandes faces mutuellement opposées de la plaque de support. Selon un aspect de ce circuit électronique, il comporte en outre un carter étanche dans lequel est placé l'ensemble constitué par la plaque et les composants électroniques et des moyens de projection d'un liquide de refroidissement des composants contre l'autre grande face de la plaque. Selon une autre caractéristique de ce circuit, les moyens de projection comportent une tête de projection raccordée à une source de liquide de refroidissement sous pression portant une ensemble de buses s'étendant en saillie en direction de la plaque, à partir d'une face d'extrémité de la tête tournée vers la plaque. Selon un mode de réalisation particulier, chaque buse comporte une portion amont et une portion avale, en considérant le sens de projection du liquide de refroidissement, la portion aval comportant un rétrécissement de section. Selon un autre mode de réalisation, éventuellement cumulable avec le mode de réalisation précédemment évoqué, la grande face de la plaque de support sur laquelle sont fixés les composants et la grande face contre laquelle est projeté le liquide de refroidissement constituent respectivement une face supérieure et une face inférieure de la plaque de support, et en ce que la face d'extrémité de la tête est formée par en ensemble d'au moins un pan incliné délimitant une surface de récupération et d'évacuation du liquide de refroidissement. Par exemple, la tête a une forme générale de prisme et comporte deux pans inclinés ou une forme générale de pyramide. L'invention propose également un système de motorisation hybride pour véhicule automobile, comprenant, d'une part, un moteur thermique à combustion interne pourvu d'un circuit de refroidissement par circulation d'un liquide de refroidissement et, d'autre part, un moteur électrique, un ensemble de circuits électroniques de puissance associés au moteur électrique et un mécanisme de transmission monté sur un arbre de sortie du moteur électrique et lubrifié au moyen d'une huile de lubrification. Selon un aspect de ce système de motorisation hybride, l'ensemble de circuits électroniques de puissance comprend un ensemble de circuits électroniques de puissance tels que définis cidessus, le liquide de refroidissement des composants électroniques de puissance étant constitué par l'huile de lubrification du mécanisme de transmission. Selon une caractéristique de ce système, l'ensemble constitué par le moteur électrique, les composants électroniques de puissance et le mécanisme de transmission est disposé dans une enceinte étanche pourvue d'un circuit de distribution d'huile équipé d'une pompe assurant la distribution de l'huile à travers le moteur électrique, les composants électroniques de puissance, et le mécanisme de transmission. Avantageusement, le circuit de distribution d'huile est pourvu d'un échangeur thermique assurant un échange de calories entre le circuit de distribution d'huile et un circuit de refroidissement du moteur thermique dans lequel circule le liquide de refroidissement. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit de refroidissement du moteur comporte un circuit primaire de refroidissement proprement dit du moteur et un circuit secondaire de refroidissement de l'huile. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un circuit électronique de puissance conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail du circuit électronique de la figure 1, montrant l'agencement des buses de pulvérisation du liquide de refroidissement ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une partie du circuit de la figure 1, montrant la tête de projection ; - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation de la tête de pulvérisation d'un circuit électronique de puissance conforme à l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique d'un système de motorisation hybride pour véhicule automobile ; et - la figure 6 illustre une variante de réalisation du circuit de refroidissement du moteur thermique du système de motorisation de la figure 5. Sur la figure 1, on a représenté un circuit électronique de puissance conforme à l'invention, désigné par la référence numérique générale 10. Il est destiné à constituer une source d'alimentation pour un moteur électrique de véhicule automobile hybride. Sur cette figure, le circuit électronique est représenté dans une position supposée horizontale. Comme on le voit sur cette figure, le circuit électronique 10 comporte un ensemble de composants électroniques de puissance 12, de type classique, montés sur la face supérieure d'une plaque de support 14 réalisée en un matériau conducteur de la chaleur et un carter 16, réalisé par exemple par association de deux demi-boîtiers, dans lequel est disposé l'ensemble constitué par la plaque de support 14 et les composants 12 qu'elle porte. Les deux demi-boîtiers entrant dans la constitution du carter 16 sont solidarisés de manière à constituer un ensemble étanche. La plaque de support 14 délimite, dans le carter 16, une première chambre 18, dans laquelle sont placés les composants électroniques 12, et une deuxième chambre 20 dans laquelle circule un flux de liquide de refroidissement, comme représenté par les flèches F, servant à évacuer les calories dégagées par les composants 12 au cours de leur fonctionnement. On voit en effet sur la figure 1 que le dispositif 10 est pourvu d'une tête 22 de pulvérisation délivrant des flux de liquide de refroidissement vers la face inférieure de la plaque de support 14. Cette tête 22 a une structure creuse et communique avec un circuit 24 d'alimentation en liquide de refroidissement sous pression et d'évacuation du liquide, partiellement représenté sur la figure 1, par l'intermédiaire d'une conduite d'admission et d'une conduite d'évacuation. La face d'extrémité 26 de la tête, c'est-à-dire la face tournée vers la surface inférieure de la plaque de support 14, est pourvue d'un ensemble de buses, telles que 28, tournées vers la plaque de support 14. Ainsi, en fonctionnement, les buses, alimentées par le circuit d'alimentation 24, délivrent des jets de liquide de refroidissement, ces jets étant projetés contre la face inférieure de la plaque 14. Après avoir frappé le support, le flux de liquide de refroidissement est récupéré par la face d'extrémité 26 de la tête et est guidé vers la conduite d'évacuation pour être refroidi. Comme on le voit sur la figure 1, dans le but d'éviter que les jets ne soient générés dans une zone immergée, les buses s'étendent en saillie au-delà de la face d'extrémité 26 de la tête 22. Les jets sont donc délivrés, en sortie des buses, dans une zone située au-dessus d'une zone le long de laquelle s'écoule le liquide de refroidissement. Comme visible sur la figure 2, de préférence, pour accélérer la vitesse du liquide de refroidissement en sortie de buse, tout en limitant la perte de charge dans cette dernière, on agence chaque buse sous la forme d'une première portion 30 de section relativement importante, et d'une deuxième portion 32, s'étendant respectivement en amont et en aval, la portion aval 32 étant pourvue d'un rétrécissement de section. En variante, dans le but de générer les flux de liquide de refroidissement dans une zone émergée, la face d'extrémité 26 de la tête 22 est réalisée sous la forme d'un ensemble d'au moins un pan incliné apte à récupérer et à évacuer le liquide de refroidissement. Comme visible sur les figures 1 à 3, ces modes de réalisation peuvent cependant être considérés simultanément. En d'autres termes, il est possible de prévoir des buses d'injection en saillie au-delà d'une face d'extrémité 26 inclinée. Par exemple, comme visible sur la figure 3, la tête 22 peut être réalisée sous la forme d'un prisme. Ainsi, dans ce cas, la face d'extrémité 26 comporte deux pans inclinés, 34 et 36, le cas échéant pourvus de canaux, tels que 38, destinés à récupérer et à guider le liquide de refroidissement vers le circuit d'alimentation et d'évacuation 24. En se référant à la figure 4, la face d'extrémité 26 de la tête d'injection 22 peut être pourvue de quatre pans inclinés, et présenter ainsi une forme de pyramide. On voit enfin sur la figure 1, que la tête repose sur le fond du carter 16 par l'intermédiaire de cales, telles que 41. Le circuit électronique qui vient d'être décrit, qui utilise une tête d'injection pour distribuer des jets de liquide de refroidissement contre la face inférieure d'une plaque de support supportant des composants électroniques et ce, dans une zone émergée, permet un échange calorifique relativement efficace entre la plaque de support et le liquide de refroidissement. Dès lors, en se référant à la figure 5, les améliorations procurées par la tête d'injection, en termes de transfert de calories, permettent d'utiliser un liquide de refroidissement de moins bonne qualité que l'eau. Ainsi, lorsqu'un tel circuit électronique de puissance est utilisé pour l'alimentation d'un moteur électrique de véhicule automobile, il est possible d'utiliser, comme liquide de refroidissement, l'huile de lubrification utilisée pour la lubrification du mécanisme de transmission associé au moteur électrique. On a représenté sur la figure 5 un système de motorisation hybride pour véhicule automobile, agencé selon ce principe. Comme on le voit sur cette figure 5, le système de motorisation comporte essentiellement, d'une part, un moteur thermique 40 muni d'un circuit 42 de refroidissement par eau équipé d'un radiateur avec son ventilateur 44, d'un thermostat 46, d'un radiateur 48 de chauffage (aérotherme) et d'une pompe à eau 49 et, d'autre part, un moteur électrique 50 qui est associé à un circuit électronique de puissance 52 d'alimentation réalisé conformément à la description faite précédemment en référence aux figures 1 à 4, et qui entraîne en rotation un arbre moteur 56, lequel est associé à un mécanisme de transmission 58 assurant un entraînement des roues du véhicule automobile. Comme on le voit sur cette figure, dans l'exemple de réalisation représenté, l'ensemble constitué par le moteur électrique, le circuit électronique de puissance 52 et le mécanisme de transmission 58, est disposé dans un enceinte étanche 60 munie d'un bac d'huile de lubrification et de refroidissement et d'un circuit fermé de distribution d'huile pourvu d'une pompe 64 assurant un prélèvement continu de l'huile dans le bac 62 et une distribution de l'huile à travers le moteur électrique 50, les circuits électriques de puissance 52 et le mécanisme de transmission 58, et à travers un étage de filtrage 68 et un échangeur de chaleur 70 en relation d'échange thermique avec le circuit 42 de refroidissement du moteur thermique 40. On utilise ainsi l'huile de lubrification, qui est utilisée notamment pour lubrifier le mécanisme de transmission 58, pour le refroidissement des composants électroniques du circuit 52 électronique de puissance, les calories ainsi récupérées par l'huile étant évacuées en utilisant le circuit de refroidissement du moteur thermique 40 du système de motorisation. En se référant enfin à la figure 6, sur laquelle seule une partie du système de motorisation a été représentée, le système étant par ailleurs identique à celui représenté sur la figure 5, dans le cas où l'on souhaite maintenir la température de l'huile à un niveau relativement bas, on agence le circuit de refroidissement 42 du moteur thermique sous la forme d'un circuit primaire 72 de refroidissement équipé, comme indiqué précédemment, d'un radiateur équipé de son ventilateur 74, d'un thermostat 76, d'un radiateur 78 de chauffage (aérotherme) et d'une pompe à eau 80, et d'un circuit secondaire 82 de refroidissement en relation d'échange thermique avec l'échangeur de chaleur 70 (figure 5) et pourvu d'une pompe à eau 84 spécifique. Ainsi, selon cette variante, une partie du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement du moteur est refroidie à une température inférieure à celle circulant dans le reste du circuit et est utilisée pour le refroidissement de l'huile servant au refroidissement des composants électroniques de puissance d'alimentation du moteur électrique. Comme on le conçoit, l'agencement qui vient d'être décrit permet d'augmenter considérablement la compacité du système de motorisation hybride et de diminuer également les coûts de réalisation, dans la mesure où l'utilisation d'un mécanisme de refroidissement spécifique de performances accrues permet d'utiliser comme liquide de refroidissement l'huile de lubrification utilisée pour lubrifier les chaînes cinématiques du mécanisme d'entraînement. REVENDICATIONS 1. Circuit électronique de puissance comprenant un ensemble de composants électroniques de puissance (12) et une plaque de support (14) en matériau conducteur de la chaleur, les composants étant montés sur l'une des grandes faces mutuellement opposées de la plaque de support, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un carter (16) étanche dans lequel est placé l'ensemble constitué par la plaque et les composants électroniques et des moyens (22,28) de projection d'un liquide de refroidissement des composants contre l'autre grande face de la plaque. 2. Circuit électronique de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de projection comportent une tête de projection (22) raccordée à une source de liquide de refroidissement sous pression portant une ensemble de buses (28) s'étendant en saillie en direction de la plaque, à partir d'une face d'extrémité de la tête tournée vers la plaque. 3. Circuit électronique de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque buse comporte une portion amont (30) et une portion aval (32), en considérant le sens de projection du liquide de refroidissement, la portion aval (32) comportant un rétrécissement de section. 4. Circuit électronique de puissance selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la grande face de la plaque de support sur laquelle sont fixés les composants et la grande face contre laquelle est projeté le liquide de refroidissement constituent respectivement une face supérieure et une face inférieure de la plaque de support, et en ce que la face d'extrémité (26) de la tête est formée par un ensemble d'au moins un pan incliné délimitant une surface de récupération et d'évacuation du liquide de refroidissement. 5. Circuit électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tête (22) a une forme générale de prisme et comporte deux pans inclinés (34,36). 6. Circuit électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tête a une forme générale de pyramide. 7. Système de motorisation hybride pour véhicule automobile, comprenant, d'une part, un moteur thermique (40) à combustion interne pourvu d'un circuit de refroidissement (42) par circulation d'un liquide de refroidissement et, d'autre part, un moteur électrique (50), un ensemble de circuits électroniques de puissance associés au moteur électrique et un mécanisme de transmission (58) monté sur un arbre de sortie du moteur électrique et lubrifié au moyen d'une huile de lubrification, caractérisé en ce que l'ensemble de circuits électroniques de puissance comporte un ensemble de circuits électroniques de puissance (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et en ce que le liquide de refroidissement des composants électroniques de puissance est constitué par l'huile de lubrification du mécanisme de transmission. 8. Système de motorisation hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par le moteur électrique (50), les circuits électroniques de puissance (52) et le mécanisme de transmission (58) est disposé dans une enceinte étanche (60) pourvue d'un circuit de distribution d'huile équipé d'une pompe (64) assurant la distribution de l'huile à travers le moteur électrique, les composants électroniques de puissance, et le mécanisme de transmission. 9. Système de motorisation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de distribution d'huile est pourvu d'un échangeur thermique (70) assurant un échange de calories entre le circuit de distribution d'huile et un circuit de refroidissement du moteur thermique dans lequel circule le liquide de refroidissement. 10. Système de motorisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement du moteur comporte un circuit primaire (72) de refroidissement proprement dit du moteur et un circuit secondaire (82) de refroidissement de l'huile.