Brevet FR2936393A1 — publié le 20100326

Dispositif de refroidissement par carburant d'un système électrique [0001] L'invention porte sur le refroidissement des systèmes électriques d'un véhicule présentant au moins un moteur thermique. [0002] Elle s'inscrit, dans son application préférentielle, dans le domaine technique des véhicules hybrides et plus spécifiquement du refroidissement de leurs systèmes électriques de puissance, comme l'onduleur ou la machine électrique d'un véhicule hybride par exemple équipé d'un train arrière à motorisation électrique. [0003] Les véhicules dits hybrides mettent généralement en jeu deux modes de tractions, respectivement thermique et électrique, pouvant être combinés de façon à améliorer le rendement global du véhicule. La partie électrique du système peut mettre en jeu des niveaux de puissance important. Ces niveaux de puissance peuvent justifier l'emploi d'un système de refroidissement pour maintenir l'électronique de puissance à un niveau de température compatible de leur bon fonctionnement. [0004] L'architecture des véhicules automobiles communément employée regroupe les systèmes de traction dans la partie du véhicule située à l'avant. Cependant, selon certaines configurations de véhicules hybrides, une part de l'électronique, voire des machines électriques, peuvent être situés en dehors de la zone avant du véhicule. Les appareillages peuvent ainsi être déportés en partie arrière, par exemple et de façon non limitative autour du train arrière du véhicule, ou sous les sièges arrière. On trouve ce type d'architecture décrite notamment dans le brevet EP0504166. [0005] Plus généralement, tout véhicule peut présenter des systèmes électriques devant être refroidis, défavorablement implantés, loin des circuits de refroidissement préexistants ou de toute entrée d'air. [0006] Le refroidissement de ces éléments est alors problématique. En effet, deux grandes familles de moyen de refroidissement peuvent être employées, soit un échangeur à air, qui utilise l'air ambiant pour évacuer l'énergie thermique, soit un échangeur à liquide, qui utilise un liquide caloporteur pour évacuer l'énergie thermique. Cependant, dans le cas d'une intégration en position arrière, le refroidissement par air est compliqué car il est problématique d'organiser une circulation d'air pouvant demander des systèmes encombrants comme des ventilateurs ou des écopes spécifiques. Le refroidissement par un échangeur à liquide pose également de grands problèmes d'intégration, dans la mesure où elle nécessite a priori l'implantation une boucle de fluide caloporteur entre les systèmes à refroidir et l'avant du véhicule, où il sera possible de ménager un échangeur air/liquide spécifique pour le refroidissement du liquide caloporteur ou de relier la boucle de fluide caloporteur à un circuit calorifère existant, par exemple le circuit de refroidissement du moteur thermique du véhicule. En d'autre termes, si on veut utiliser la boucle de refroidissement du moteur thermique généralement situé à l'avant, cela nécessite d'installer une nouvelle tuyauterie pour faire circuler du liquide de refroidissement qui transitera de l'avant vers l'arrière du véhicule, puis retournera vers l'avant. [0007] Les architectures ainsi envisagées sont complexes à mettre en oeuvre et 10 intrusives sur l'architecture globale des véhicules. Elles posent en outre des problèmes d'intégration, de masse, et de coût. [0008] L'invention vise à proposer une solution à ces problèmes en s'appuyant sur l'architecture existante dans le véhicule pour assurer un refroidissement par échangeur à liquide des systèmes électriques, en particulier s'ils sont éloignés de l'avant ou du moteur 15 thermique du véhicule. [0009] L'invention porte donc sur un véhicule comportant un circuit pour l'alimentation en carburant d'un moteur thermique et un système électrique, caractérisé en ce que le circuit comporte une branche traversant un échangeur de refroidissement du système électrique, le carburant étant utilisé comme fluide caloporteur dans ledit échangeur. 20 [0010] Ainsi, la solution proposée consiste essentiellement en l'utilisation du carburant destiné à l'alimentation d'un moteur thermique du véhicule comme fluide caloporteur de l'échangeur à liquide pour le refroidissement des systèmes situés loin du moteur thermique et des divers circuits de refroidissement préexistants, et cela grâce à une branche ménagée en dérivation du circuit de carburant du moteur thermique. 25 [0011] De préférence, le circuit comporte en outre une vanne trois voies assurant la répartition du flux de carburant entre la branche traversant l'échangeur et le reste du circuit. Cette vanne va ainsi permettre de réguler le débit de carburant dans l'échangeur, en fonction de la quantité de calories à extraire pour le refroidissement du système électrique. De plus, lorsqu'aucun refroidissement du système électrique n'est nécessaire, 30 la circulation du carburant dans la branche portant l'échangeur peut être arrêtée, ce qui permet de limiter les pertes de charges associée et donc la consommation de la pompe faisant circuler le carburant dans le circuit. [0012] De préférence, la branche portant l'échangeur assure le retour du carburant vers le réservoir de carburant du circuit. En effet, le carburant de la branche pouvant être trop chaud pour alimenter le moteur, mieux vaut le renvoyer vers le réservoir. [0013] De préférence, le circuit comporte une branche de retcur du moteur thermique vers le réservoir, caractérisé en ce que la branche portant l'échangeur est en dérivation de la branche de retour. On s'assure ainsi que la fonction de refroidissement du système électrique ne va pas compromettre l'alimentation en carburant du moteur thermique du véhicule. [0014] De préférence, le circuit comporte en outre un moyen de refroidissement du carburant. Ce type de dispositif, pouvant être un échangeur à air ou un échangeur liquide, permet de garantir une température du carburant compatible de ses usages : son stockage dans le réservoir, l'alimentation du moteur à combustion, et le refroidissement du système électrique. [0015] De préférence, le système électrique comporte un ou plusieurs éléments du type : machine électrique de traction, onduleur, convertisseur DC/DC, ou actionneur électrique. Ces éléments peuvent être des éléments de forte puissance, qu'il convient de refroidir efficacement. Notamment, ils sont présents dans certaines architectures de véhicules hybrides, qui constituent une application privilégiée pour l'invention. [0016] De préférence, le système électrique est disposé dans une zone éloignée du moteur thermique. L'invention prend alors tout son sens. En effet, il existe généralement autour d'un moteur thermique un ensemble de dispositifs de refroidissement, à air ou liquide. Leur disposition est souvent facilitée par leur implantation en partie avant du véhicule. Pour refroidir un dispositif électrique éloigné du moteur, l'invention permet d'utiliser le circuit de carburant qui est proche de toute zone du véhicule, le réservoir ayant généralement une position centrale à centrale-arrière dans le véhicule. [0017] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence à la figure unique représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0018] La figure 1 présente schématiquement un dispositif corforme à l'invention dans l'environnement d'un véhicule hybride. [0019] Le véhicule ainsi représenté comporte un système thermique de traction 1 comportant un moteur à combustion interne 1, ainsi qu'un système de propulsion électrique comportant une machine électrique 2 et un onduleur 3. [0020] L'alimentation en carburant du moteur thermique 1 est assurée par un circuit comportant un réservoir à carburant 4, une branche 5 d'alimentation du moteur à combustion, et une branche 6 de retour du carburant vers le réservoir. Une pompe 7 assure la circulation du carburant dans le circuit. [0021] Selon l'invention dans la variante ici représentée, une branche 8 assure la circulation d'une part du carburant vers l'onduleur 3 et la machine électrique 2. Ces deux éléments nécessitant un refroidissement, la branche 8 se divise en deux sous-branches 81 et 82 permettant respectivement l'alimentation d'échangeurs liquides, non représentés ici mais pouvant prendre communément la forme de serpentins, échangeurs qui assurent le refroidissement respectif de l'onduleur et de la machine électrique. [0022] Le carburant circulant dans la branche 8, après avoir traversé les échangeurs thermiques, est renvoyé vers le réservoir 4. [0023] Afin d'assurer la répartition des flux de carburant entre la branche 8 et le retour direct vers le réservoir de carburant, une vanne trois voies 9 est disposée dans la branche 6. La quantité de carburant nécessaire au refroidissement de l'onduleur 3 et de la machine électrique 2 est ainsi envoyée dans la branche 8. Lorsqu'aucun refroidissement du système électrique n'est nécessaire, la vanne 9 ferme la branche 8, réduisant ainsi les pertes de charge dans le circuit, afin de limiter la puissance consommée par la pompe 7. [0024] Dans une autre variante non représentée, la vanne trois voies 9 peut être remplacée par deux vannes respectivement sur la branche 8 et sur le circuit 6 en aval du point de dérivation de la branche 8, voire par une unique vanne dans la branche 8 et un dimensionnement adéquat des différentes branches pour assurer une répartition voulue des flux de carburant. [0025] Dans une variante de l'invention non représentée ici, le carburant réchauffé peut être refroidi par un échangeur, par exemple un échangeur air carburant, soit avant d'être retourné dans le réservoir ou avant d'être introduit dans le moteur. Cette dernière solution est par ailleurs préférable du point de vue de l'implantation d'un échangeur air-carburant. [0026] L'exemple ici développé présente le refroidissement d'un onduleur et d'une machine électrique, mais l'invention est cependant utilisable dans le refroidissement de tout organe à refroidir pouvant être situé en partie arrière d'un véhicule, par exemple de façon non limitative un convertisseur électrique DC/DC ou des actionneurs électriques. [0027] Dans l'invention, il a en outre été constaté que l'utilisation du carburant est compatible avec la fonction de fluide caloporteur pour de telles applications, et que la faisabilité d'un tel système ne requiert pas nécessairement d'adaptation lourde des dispositifs actuellement existant dans les circuits de carburant des véhicules automobiles. [0028] Dans une application conforme à l'invention, si on considère comme valeurs typiques une machine électrique associée à son onduleur de 20 kW ayant un rendement à la puissance max de l'ordre de 85%, il faudra que le système de refroidissement puisse dissiper 3000W. [0029] Par ailleurs, il existe aujourd'hui sur les véhicules diesel à moteurs équipés de Common Rail, un échangeur thermique qui permet de refroidir le carburant. Le carburant subit après sa mise en pression une forte élévation de sa température ce qui peut provoquer des phénomènes d'ébullitions néfastes. Un échangeur thermique gazole/air est donc disposé sur le circuit de retour du carburant au réservoir. [0030] En considérant une pompe de carburant classique, ayant un débit de 130 UH, une température maximale d'entrée de 130CC et une différence de température à la sortie de l'ordre de 30`C, le gazole présentant une chaleu r massique d'environ 2000 J/kg.K et une masse volumique de 850 kg / m3, on en déduit que les échangeurs existant sur la ligne permettent de dissiper une puissance de l'ordre de 1840 W. [0031] L'énergie à dissiper dans le cadre de l'invention pourrait donc, selon l'application, être de l'ordre de deux fois l'énergie communément dissipée par un système de refroidissement du gazole. Une simple adaptation du dimensionnement des échangeurs suffit à les rendre compatible de l'invention, dont l'application peut donc se faire sans mettre en jeu de solutions technologiques complexes ou un dimensionnement en rupture avec les technologies automobiles actuelles. [0032] La solution ainsi développée, permet, en s'appuyant sur une architecture de véhicule connue, de répondre de façon simple à la problématique de la gestion thermique des systèmes électriques éloignés des circuits de fluide caloporteurs généralement utilisés dans un véhicule. Elle permet, par rapport à la solution communément envisagée consistant à mettre en place un circuit de liquide de refroidissement dédié ou en dérivation du circuit de refroidissement du moteur thermique, de : simplifier la tuyauterie à mettre en place limiter la masse du système et des fluides caloporteurs à embarquer limiter les coûts, car la boucle de circulation de carburant est déjà existante sur la majorité des véhicules augmenter la robustesse du système grâce à sa simplicité limiter la taille des composants et radiateurs pour le refroidissement grâce au débit de fluide qui circulera dans ces organes situés à l'arrière du véhicule et en conséquence améliorer l'intégration de ces organes et optimiser leurs coûts Revendications: 1. Véhicule comportant un circuit pour l'alimentation en carburant d'un moteur thermique (1) et un système électrique, caractérisé en ce que le circuit comporte une branche (8) traversant un échangeur de refroidissement du système électrique, le carburant étant 5 utilisé comme fluide caloporteur dans ledit échangeur. 2. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit comporte en outre une vanne trois voies (9) assurant la répartition du flux de carburant entre la branche (8) traversant l'échangeur et le reste du circuit. 3. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 10 que la branche (8) portant l'échangeur assure le retour du carburant vers le réservoir (4) de carburant du circuit. 4. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont le circuit comporte une branche de retour (6) du moteur thermique (1) vers le réservoir (4), caractérisé en ce que la branche (8) portant l'échangeur est en dérivation de la 15 branche de retour (6). 5. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précécentes, caractérisé en ce que le circuit comporte en outre un moyen de refroidissement du carburant. 6. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précéclentes, caractérisé en ce que le système électrique comporte un ou plusieurs éléments du type : machine 20 électrique de traction (2), onduleur (3), convertisseur DC/DC, ou actionneur électrique. 7. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précéclentes, caractérisé en ce que le système électrique est disposé dans une zone éloignée du moteur thermique (1). 25