Brevet FR2835392A1 — publié le 20030801

CONVERTISSEUR STATIQUE D'ENERGIE POUR L'ALIMENTATION D'UNE MACHINE ELECTRIQUE DANS UN VEHICLE L'invention concerne le domaine des véhicules électriques ou hybrides. Ces véhicules comprennent au moins une machine électrique et éventuellement un moteur thermique à essence. Les constructeurs automobile s'intéressent de plus en plus à ce type de véhicule. En effet, ces véhicules permettent de réduire les émissions de polluants dans l'atmosphère tout en présentant des performances comparables ou supérieures à celles des véhicules classiques. Cependant, ces véhicules restent d'un coût relativement élevé, ce qui les classe parmi les véhicules de luxe et freine considérablement leur développement. Dans ce type de véhicule, chaque machine électrique est alimentée par une électronique de puissance comportant un convertisseur statique d'énergie (onduleur ou hacheur), ce convertisseur étant destiné à transformer le courant continu fourni par une batterie ou un condensateur de filtrage en un courant adapté à la machine électrique en fonction des besoins de la chaîne de traction. L'inconvénient de ces convertisseurs statiques d'énergie est qu'ils comprennent des semi-conducteurs et en particulier des puces en silicium dont le coût est important. L'invention a pour but de limiter les coûts des convertisseurs utilisés dans les véhicules électriques ou hybrides, en réduisant les coûts des puces en silicium utilisées. A cet effet, l'invention propose un convertisseur statique d'énergie pour l'alimentation d'une machine électrique dans un véhicule, comprenant au moins un composant en silicium associé à un système de refroidissement à liquide, caractérisé en ce que le système de refroidissement est apte à être connecté à un circuit échangeur de la climatisation du véhicule dont le liquide frigorigène circule alors également dans le système de refroidissement du ou des composant (s) en silicium. En améliorant le refroidissement du convertisseur statique d'énergie, l'invention permet de réduire les dimensions des composants en silicium. En effet, le dimensionnement des composants en silicium et donc leur coût dépend notamment de la capacité du dispositif de refroidissement qui leur est associé à évacuer la puissance qu'ils dissipent. Or, dans les convertisseurs de l'art antérieur, l'évacuation de la puissance dissipée par les composants de silicium était effectuée grâce à un circuit de refroidissement à échangeur avec l'air ambiant. La température du liquide de refroidissement dans ce type de circuit peut atteindre 60 C. Dans le convertisseur de l'invention, le fait d'utiliser le liquide de refroidissement de la climatisation permet de garantir une température de liquide plus basse que dans les systèmes de refroidissement des convertisseurs de l'art antérieur, donc une évacuation de la chaleur à plus basse température. La chaleur étant mieux évacuée, les dimensions des composants en silicium peuvent être réduites par rapport aux composants de l'art antérieur. Ceci a pour effet de réduire considérablement le coût des convertisseurs statiques. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un composant en silicium d'un convertisseur statique d'énergie et du système de refroidissement qui lui est associé, - la figure 2 est un schéma illustrant le fonctionnement d'un système de refroidissement d'un convertisseur statique d'énergie selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un schéma illustrant le fonctionnement d'un système de refroidissement d'un convertisseur statique d'énergie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un composant en silicium 1 d'un convertisseur statique d'énergie associé à son système de refroidissement 20 dans un véhicule électrique ou hybride. Le système de refroidissement 20 comprend une embase en céramique 2 supportant le composant en silicium 1 et destinée à isoler électriquement ledit composant. L'embase en céramique 2 est montée sur une embase 3 en cuivre ou en Alsic. Cette embase 3 est en contact avec une plaque 5 de refroidissement à liquide. Un joint 4 sous la forme d'une couche fine de graisse chargée avec du métal a été inséré entre l'embase en cuivre 3 et la plaque 5 pour améliorer la transmission thermique entre ces deux éléments. La plaque de refroidissement à liquide 5 comprend des conduits 10 s'étendant dans son épaisseur et dans lesquels circule un liquide de refroidissement. La chaleur dissipée par le composant en silicium 1 est évacuée par le liquide de refroidissement via les différents éléments interposés entre le composant 1 et la plaque 5 La température du composant en silicium 1 dépend de la puissance qu'il dissipe, de la résistance thermique des éléments du système de refroidissement 20 et de la température du liquide circulant dans les conduits 10 de la plaque 5. En outre, la résistance thermique des éléments du système de refroidissement 20 dépend de la surface de contact entre le composant 1 et l'embase en céramique 2. Plus cette surface de contact est importante, plus la résistance thermique du système de refroidissement est faible et mieux la chaleur dissipée par le composant 1 est évacuée. Pour les puissances considérées, les composants utilisés dans les convertisseurs d'énergie sont par exemple des transistors IGBT. On estime généralement que la température de ces composants ne doit pas dépasser 125 C, car sinon leurs performances se trouvent dégradées La différence de température entre le composant 1 et le liquide de refroidissement est donnée par : TszlzclM/M-r/l/=Rt/xPdxPsipée où Tsilicium est la température du composant, Tliquide est la température du liquide de refroidissement, Rth est la résistance thermique du système de refroidissement, Pdissipée est la puissance dissipée par le composant On constate que si on abaisse la température Tliquide du liquide de refroidissement, on augmente la différence de température Tsiliciuni-Tliqiiide (Tsilicium étant limitée typiquement à 125 C). Pour une même puissance dissipée par le composant 1, la résistance thermique Rth peut donc être augmentée, ce qui revient par exemple à diminuer la surface du composant en silicium 1 en contact avec l'embase en céramique 2 et donc son coût. La figure 2 illustre le fonctionnement d'un système de refroidissement 20 d'un convertisseur statique d'énergie selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, les conduits de refroidissement 10 de la plaque 5 sont connectés de manière permanente au circuit échangeur 100 d'un dispositif de climatisation 110 du véhicule. Le liquide frigorigène circulant dans le circuit échangeur 100 a typiquement une température de l'ordre de 5 à 10 C et circule donc également en permanence dans les conduits 10 de la plaque 5. Le système de refroidissement 20 comprend en outre des moyens 8 pour mesurer la température du liquide frigorigène circulant dans les conduits 10 et des moyens pour comparer la température mesurée à une température de référence Tréf. Le système de refroidissement comprend un dispositif de commande 6, apte en fonction de cette comparaison à commander le fonctionnement du compresseur de la climatisation 110. Le dispositif de commande 6 permet avantageusement de ne pas faire fonctionner le compresseur de la climatisation en permanence pour limiter la consommation d'énergie du véhicule. Selon une première variante de système de refroidissement, le circuit 100 de refroidissement de la plaque 5 est connecté en série avec l'évaporateur du circuit de climatisation du véhicule (c'est à dire le dispositif d'échange de chaleur avec l'air de l'habitacle) Dans cette variante, le flux de liquide frigorigène circule donc successivement dans l'évaporateur et dans la plaque 5 Selon une deuxième variante possible de ce système de refroidissement, le circuit 100 est connecté sur le circuit de climatisation, en parallèle de l'évaporateur. Dans cette variante, la plaque 5 et l'évaporateur sont refroidis par des flux distincts de liquide frigorigène Cette variante est particulièrement intéressante car elle permet de commander de manière indépendante le refroidissement de l'habitacle et le refroidissement du convertisseur statique d'énergie. La figure 3 illustre le fonctionnement d'un système de refroidissement 20 d'un convertisseur statique d'énergie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention Dans ce mode de réalisation, les conduits de refroidissement 10 de la plaque 5 sont aptes à être connectés sélectivement au circuit 100 échangeur de la climatisation 110 ou à un circuit de refroidissement 200 à échangeur 210 avec l'air ambiant par des moyens de commutation 7 De tels moyens de commutation peuvent par exemple être constitués de valves. Ces moyens de commutation 7 sont commandés par un dispositif de commande 9. Le dispositif de commande 9 comprend des moyens 8 pour mesurer la température du liquide du circuit 200 et des moyens pour comparer la température mesurée à une température de référence Tréf En fonction de cette comparaison, les moyens de commande 9 agissent sur les moyens de commutation 7 pour connecter les conduits de refroidissement 10 au circuit 100 de la climatisation ou au circuit 200 de l'échangeur avec l'air ambiant Ainsi, lorsque la température du liquide dans le circuit 200 est supérieure à la température de référence Tréf, le dispositif de commande 9 connecte les conduits de refroidissement 10 au circuit 100 de la climatisation. Lorsque la température du liquide dans le circuit 200 est inférieure à la température de référence Tréf, le dispositif de commande 9 connecte les conduits de refroidissement 10 au circuit 200 à échangeur 210 avec l'air ambiant Le dispositif de commande 9 permet, lorsque la température ambiante est suffisamment basse de refroidir les convertisseurs d'énergie par des moyens classiques de refroidissement utilisant l'air ambiant Par temps chaud, ou lorsque la puissance dissipée dans le convertisseur devient trop importante, le dispositif de commande utilise le circuit d'échange de la climatisation pour refroidir le convertisseur de manière à éviter une élévation de température trop importante des composants en silicium. De même que dans le système de refroidissement de la figure 2, le circuit 100 de la plaque 5 de refroidissement à liquide peut être connecté en série ou en parallèle avec l'évaporateur du circuit de climatisation destiné au refroidissement de l'habitacle du véhicule. Dans les systèmes de refroidissement des figures 2 et 3, on prévoit que, dans le cas où l'utilisateur du véhicule a choisi de faire fonctionner la climatisation pour refroidir l'habitacle du véhicule, les moyens de commande ne peuvent pas stopper le fonctionnement du compresseur On prévoit également que, dans le cas où le refroidissement du convertisseur statique d'énergie nécessite le fonctionnement du compresseur et que l'utilisateur choisit de stopper le refroidissement de l'habitacle du véhicule, le fonctionnement du compresseur est néanmoins maintenu. L'avantage de l'invention est qu'elle permet de limiter la température du liquide de refroidissement du convertisseur à une température maximale Tréf. Le refroidissement des composants en silicium du convertisseur s'en trouve amélioré par rapport aux convertisseurs de l'art antérieur. Il est par conséquent possible de diminuer la taille des composants en silicium utilisés pour diminuer le coût des convertisseurs dans les véhicules électriques ou hybrides. REVENDICATIONS 1. Convertisseur statique d'énergie pour l'alimentation d'une machine électrique dans un véhicule, comprenant au moins un composant en silicium (1) associé à un système de refroidissement (20) à liquide, caractérisé en ce que le système de refroidissement est apte à être connecté à un circuit échangeur (100) de la climatisation (110) du véhicule dont le liquide frigorigène circule alors également dans le système de refroidissement du ou des composant (s) en silicium (1) 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (9) aptes à connecter sélectivement le système de refroidissement (20) du ou des composant (s) en silicium (1) au circuit échangeur (100) de la climatisation ou à un circuit de refroidissement (200) à échangeur avec l'air ambiant. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des moyens (8) pour mesurer la température du liquide circulant dans le circuit de refroidissement (200) à échangeur avec l'air ambiant et des moyens pour comparer la température mesurée avec une température de référence 4. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système de refroidissement du ou des composant (s) en silicium (1) est connecté en série avec l'évaporateur de la climatisation. 5. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système de refroidissement du ou des composant (s) en silicium (1) est connecté en parallèle de l'évaporateur de la climatisation. 6. Procédé de refroidissement d'un convertisseur statique d'énergie pour l'alimentation d'une machine électrique dans un véhicule, du type comprenant au moins un composant en silicium (1) associé à un système de refroidissement (20) à liquide selon lequel on connecte de manière permanente ou temporaire le système de refroidissement (20) à liquide du ou des composant (s) en silicium (1) à un circuit échangeur (100) de la climatisation (110) du véhicule de sorte que le liquide frigorigène de la climatisation circule également dans le système de refroidissement (20) du ou des composant (s) en silicium. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes selon lesquelles - on mesure la température du liquide circulant dans un circuit de refroidissement (200) à échangeur avec l'air ambiant, - on compare la température mesurée à une température de référence, - en fonction de cette comparaison, on connecte le système de refroidissement (20) du ou des composant (s) en silicium (1) au circuit échangeur (100) de la climatisation ou au circuit de refroidissement (200) à échangeur avec l'air ambiant. 8. Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur statique d'énergie pour l'alimentation d'une machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5