Brevet FR2972086A1 — publié le 20120831

VEHICULE MUNI D'UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'UNE MACHINE ELECTRIQUE UTILISE COMME SYSTEME DE CHAUFFAGE [01] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION s [02] L'invention concerne un véhicule possédant, d'une part, une machine électrique, et, d'autre part, un système de chauffage de l'habitacle et/ou de certains composants du véhicule. L'invention a pour objectif d'utiliser la chaleur dégagée par la machine électrique afin de réchauffer l'habitacle et/ou les composants du véhicule, que la machine électrique tourne ou non. io [03] ETAT DE LA TECHNIQUE [04] Un nombre croissant de véhicules possèdent désormais une ou plusieurs batteries d'accumulateurs électriques et une machine électrique apte à fonctionner en moteur électrique apte à réaliser la traction du véhicule, en alternateur, en alternateur réversible pour le démarrage d'un moteur ls thermique... En outre, ces véhicules possèdent généralement un système de chauffage pour l'habitacle et/ou pour certains composants du véhicule, par exemple des batteries. Ces batteries présentent des performances limitées à basse température et il est connu d'utiliser un système de chauffage permettant d'améliorer la disponibilité et le rendement de ces batteries. 20 [05] Le fait d'utiliser un système de refroidissement de la machine électrique pour assister les systèmes de chauffages du véhicule est connu. Cependant ces dispositifs ne sont plus efficaces lorsque la machine électrique est à l'arrêt. Par ailleurs, ces dispositifs ne permettent pas d'obtenir une température suffisante pour remplacer complètement un 25 dispositif de chauffage. [6] OBJET DE L'INVENTION [7] L'invention propose une machine électrique permettant de chauffer un fluide caloporteur autrement utilisé pour le refroidissement de la machine électrique et de se substituer en tout ou partie aux dispositifs 30 classiques de chauffage puisque le réchauffement du fluide caloporteur est également efficace lorsque la machine électrique ne tourne pas. [08] La mise en oeuvre de cette invention amenant un meilleur rendement de température que les dispositifs connus, l'invention permet d'utiliser moins de carburant usuellement nécessaire pour mettre en marche un dispositif de chauffage classique. s [09] A cet effet, l'invention concerne un véhicule comprenant : une machine électrique comprenant : un circuit de puissance et de commande, un stator présentant un ou plusieurs enroulements alimentés par le circuit de puissance et de commande, un rotor, un système de refroidissement par un fluide caloporteur adapté à réchauffer un habitacle et/ou certains composants io du véhicule, une batterie apte à alimenté le circuit de puissance et de commande, ladite machine comportant des moyens de couplage thermique par conduction avec le système de refroidissement. [10] Le dispositif est caractérisé en ce que le circuit de puissance et de commande comprend des moyens pour maximiser les pertes fer et les pertes ls joules de la machine électrique dans les phases pour lesquelles le rotor est mobile ou immobile. [11] Selon une mise en oeuvre, le circuit de puissance et de commande comprend des moyens pour limiter les pertes fer et les pertes joules au seuil de tolérance de ladite machine électrique. 20 [012] Selon une mise en oeuvre, le système de commande comporte des moyens d'appliquer un profile de courants déterminé aux enroulements de la machine électrique maximisant les pertes fer et les pertes joules de ladite machine électrique, dans les phases pour lesquelles le rotor est mobile ou immobile et comprend des moyens pour limiter les pertes fer et les pertes 25 joules au seuil de tolérance de ladite machine. [013] Selon une mise en oeuvre, le circuit de puissance et de commande génère une fréquence de commutation supérieure à 12kHz. Une fréquence de commutation supérieure à 12kHz présente l'avantage de limiter les perturbations audibles. 30 [014] Selon une mise en oeuvre, le fluide caloporteur comporte des microparticules magnétiques. [15] Selon une mise en oeuvre, la machine électrique comportent des moyens de réchauffement du fluide caloporteur, lesdits moyens de réchauffement comportant au moins une bobine ou un réseau d'inductances connectées, d'une part, à la machine électrique, et, d'autre part, à un point s commun du dispositif électrique. [16] Selon une mise en oeuvre, la ou les bobines sont disposées autour d'un tube contenant le fluide caloporteur. [17] Selon une mise en oeuvre, la ou les inductances sont placées en nappe, et sur la surface extérieure, d'un tube contenant le fluide caloporteur. io [018] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : ls [020] Figure 1 : une représentation schématique d'un véhicule mettant en oeuvre l'invention ; [21] Figure 2 : un premier mode de réalisation d'un circuit de puissance et de commande couplé à une machine électrique d'un véhicule selon l'invention, dans un premier état de fonctionnement, représenté par un 20 schéma électrique simplifié maximisant les pertes fer de deux enroulements du stator ; [22] Figure 3 : le premier mode de réalisation de la Figure 2 dans un deuxième état de fonctionnement maximisant les pertes fer des trois enroulements du stator : 25 [023] Figure 4: un deuxième mode de réalisation d'un circuit de puissance et de commande couplé à la machine électrique d'un véhicule selon l'invention intégrant une bobine ou un réseau de bobines de chauffage du fluide caloporteur ; [24] Figure 5: une représentation schématique illustrant un positionnement des bobines à proximité des "chignons". [25] Figure 6 : une représentation schématique des bobines adaptées en nappe et sur la surface extérieure du stator, au plus près des tubes s contenant le fluide caloporteur. [26] Les éléments identiques, similaires ou analogues, conservent les mêmes références d'une Figure à l'autre. [27] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION io [028] La Figure 1 représente un véhicule 10 mettant en oeuvre l'invention. Une machine électrique 11, présente dans le véhicule 10, comporte un stator fixe 12 et un rotor 13. Un système 15 de commande permet d'alimenter un ou plusieurs des enroulements de la machine 11 électrique lui-même alimenté par une batterie 9. En outre, la machine 11 ls électrique comporte un couplage thermique par conduction avec un système 16 de refroidissement par fluide caloporteur. En plus de sa fonction de refroidissement, ledit fluide caloporteur est destiné à réchauffer l'habitacle et/ou certains composants du véhicule 10. Dans cet exemple, le fluide caloporteur réchauffe l'habitacle du véhicule 10 en traversant un échangeur 20 18 air-liquide relié à un dispositif 19 de ventilation. [029] La Figure 2 illustre par un schéma électrique simplifié, le circuit de puissance et de commande 15 couplé à la machine 11 électrique configurée en "étoile". La machine 11 électrique présente, dans cet exemple nullement limitatif, trois enroulements statoriques U, V et W. La tension de commande 25 Vdc est appliquée à un ou plusieurs enroulements via les interrupteurs commandées a, b, c, d, e et f. Un interrupteur g est présent en série avec la machine 11 électrique, plus précisément, cet interrupteur g est disposé en série avec le point commun des trois enroulements de la machine 11 électrique. 30 [030] Dans le cas de la Figure 2, l'interrupteur g est ouvert et la machine 11 électrique est en fonctionnement moteur, les courants de commandes peuvent donc circuler dans un ou plusieurs des enroulements U, V et W et ainsi créer les modes de fonctionnement classiques des machines électriques, à savoir les modes moteur et générateur. En fonction de la position des interrupteurs commandés, un champ magnétique spécifique s attire le rotor 13 de la machine 11 électrique dans une position spécifique. Ainsi, une séquence de commandes différentes permet de faire tourner le rotor 13. Le circuit représentées sur la Figure 2, est illustré dans un premier état lorsque les interrupteurs a et e sont fermés et lorsque le courant parcourt les enroulements V et W du stator. L'invention exploite le circuit de puissance io et de commande pour alimenter la machine 11 électrique de façon à créer des pertes élevées le plus près possible de son système 16 de refroidissement sans chauffer dangereusement les parties sensibles : rotor 13, paliers et aimants. [031] Le circuit de puissance et de commande représenté sur la Figure ls 3, est illustré dans un deuxième état où l'interrupteur g est fermé et où le rotor 13 de la machine 11 électrique est immobile. Contrairement au fonctionnement classique des machines électriques, la Figure 3 montre une possibilité d'application des courants sur les enroulements statoriques afin de provoquer un échauffement de la machine 11 électrique sans pour autant 20 créer de rotation du rotor 13. En effet, les trois enroulements U, V et W sont alimentés puisque les interrupteurs a, b et c sont fermés. Le rotor 13 est fixe puisque les courants appliqués sont égaux dans chaque enroulement. L'invention permet ainsi de générer des pertes fer qui sont retransmises en chaleur par le fluide caloporteur du système 16 de refroidissement. 25 [032] Afin d'accroitre le rendement énergétique du système 16 de refroidissement, plusieurs mises en oeuvre sont proposées, notamment l'utilisation d'un fluide caloporteur contenant des microparticules magnétiques. Ces microparticules viennent bouger sous l'effet du champ magnétique proche des enroulements et ainsi réchauffer le fluide. 30 [033] Afin de limiter les perturbations audibles pouvant résulter du mode de fonctionnement de l'invention, il peut être nécessaire d'imposer une fréquence de commutation du circuit de puissance et de commande 15 de commande supérieure à 12kHz. Pour cette fréquence de commutation les câbles des signaux de commande pourront être blindés afin de limiter les perturbations électromagnétiques. Cette fréquence importante va de paire avec la maximisation des pertes fer. [34] Pour mettre en oeuvre ce mode de fonctionnement, le circuit s magnétique de la machine électrique est déterminé de façon à ce que les aimants ne soient pas démagnétisés à cause de champs inverses trop importants ou à cause d'une température excessive, ceci dans le cas d'une machine à aimants. [35] Parmi les autres possibilités d'augmentation rapide de la io température, la Figure 4 illustre un mode de réalisation dans lequel une ou plusieurs bobines L sont connectées, d'une part, à la machine 11 électrique, et, d'autre part, au point commun du dispositif électrique. Les bobines L sont disposées au plus près du circuit du fluide caloporteur et les bobines L sont avantageusement placées sur des parties ferromagnétiques massives. ls [036] Les Figures 5 et 6 mettent en évidence l'intérêt de cette bobine ou ensemble de bobines L. En effet, lorsque la machine 11 électrique est immobile et que le système maximise les pertes fer avec le dispositif de l'invention, un courant important circule dans l'interrupteur commandé g. Cette mise en oeuvre de l'invention, utilisant une bobine ou un ensemble de 20 bobine, permet à ce courant de réchauffer de façon complémentaire le fluide caloporteur, via les échauffements provoqués par les pertes fer crées dans les parties massives proches des bobines. [37] Dans le cas de la Figure 5, les bobines L sont disposées à proximité des "chignons". Par "chignons", on entend la partie du bobinage de 25 l'enroulement du stator qui dépasse des encoches du stator supportant le bobinage. [38] Dans le cas de la Figure 6, un réseau d'inductances 25 est appliqué en nappe, et sur la surface extérieure, du tube 21 contenant le fluide caloporteur ou sur la surface du stator dans lequel circule le fluide 30 caloporteur. [039] Ces mises en oeuvre améliorent le rendement énergétique du système 16 et permettent de réduire l'encombrement et le coût des éléments du véhicule 10 en supprimant le système de chauffage classique ou en utilisant un système de chauffage avec un plus faible rendement. De plus, les s systèmes de chauffages traditionnels étant alimentés par le carburant, ce dispositif réduit également la consommation du véhicule. REVENDICATIONS1. Véhicule (10) comprenant : - une machine (11) électrique comprenant : - un circuit (15) de puissance et de commande, - un stator (12) présentant un ou plusieurs enroulements (U, V et W) alimentés par le circuit (15) de puissance et de commande et - un rotor (13), io - un système (16) de refroidissement par un fluide caloporteur adapté à réchauffer un habitacle et/ou certains composants du véhicule (10), - une batterie (9) apte à alimenter le circuit (15) de puissance et de commande, - ladite machine (11) comportant des moyens de couplage thermique 15 par conduction avec le système de refroidissement, caractérisé en ce que le circuit (15) de puissance et de commande comprend des moyens pour maximiser les pertes fer et les pertes joules de la machine (11) électrique dans les phases pour lesquelles le rotor (13) est mobile ou immobile. 20 2. Véhicule selon la revendication 1, caractérise en ce que le système de commande comporte des moyens pour limiter les pertes fer et les pertes joules au seuil de tolérance de la machine (11) électrique. 25 3. Véhicule selon la revendication 1 ou 2, caractérise en ce que le système de commande comporte des moyens pour appliquer un profil de courants déterminé aux enroulements de la machine (11) électrique maximisant les pertes fer et les pertes joules de ladite machine (11) électrique, dans les phases pour lesquelles le rotor (13) est mobile ou 30 immobile et comprend des moyens pour limiter les pertes fer et les pertes joules au seuil de tolérance de ladite machine (11). 4. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (15) de puissance et de commande génèreune fréquence de commutation supérieure à 12kHz. 5. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur comporte des microparticules 5 magnétiques. 6. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la machine (11) électrique comportent des moyens de réchauffement du fluide caloporteur, lesdits moyens de réchauffement io comportant au moins une bobine ou un réseau d'inductances connectées, d'une part, à la machine (11) électrique, et, d'autre part, à un point commun du circuit (15) de puissance et de commande. 7. Véhicule selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou les 15 bobines sont disposées autour d'un tube contenant le fluide caloporteur. 8. Machine (11) électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou les inductances sont placées en nappe, et sur la surface extérieure, d'un tube contenant le fluide caloporteur. 20