Brevet FR3096525A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : Module de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride [0001] La présente invention concerne un module de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride. Ce module comprend : un convertisseur de tension convertissant l'énergie électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique embarquée sur le véhicule, une machine électrique de propulsion, et un système de réduction permettant d'adapter la vitesse de rotation de la machine électrique de propulsion à la vitesse requise pour le véhicule. [0002] La présente invention a pour objet de fournir un module de propulsion de véhicule électrique ou hybride dont la machine électrique de propulsion et le convertisseur de tension soient refroidis dc façon efficace, sans pour autant générer trop d'encombrement. [0003] L'invention répond à cc besoin, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'un module de propulsion d'un véhicule hybride ou électrique, comprenant : [0004] - une machine électrique de propulsion ayant un rotor et un stator, [0005] - un convertisseur de tension permettant d'alimenter électriquement le stator à partir de l'énergie électrique fournie par une unité dc stockage d'énergie électrique, et [0006] - un système dc réduction recevant le couple fourni par le rotor, [0007] le module comprenant une première partie de boîtier recevant la machine électrique de propulsion et le convertisseur de tension, et une deuxième partie de boîtier recevant le système de réduction et contenant de l'huile, [0008] le module comprenant encore : [0009] - un circuit de refroidissement de la machine électrique dc propulsion et du convertisseur dc tension, ce circuit étant disposé hors de la deuxième partie de boîtier, et [0010] - une portion de dissipation additionnelle, notamment une portion en forme de serpentin, dans le circuit dc refroidissement et/ou un radiateur porté par le module, pour dissiper tout ou partie dc la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement. [0011] Selon l'invention, on améliore ainsi la dissipation de chaleur dans la première partie de boîtier sans qu'un échangeur de chaleur ne soit utilisé pour transférer de la chaleur de la première partie de boîtier vers l'huile dans la deuxième partie de boîtier. Le système de réduction comprend par exemple plusieurs pignons et l'huile permet de lubrifier ces pignons. [0012] Le liquide circulant dans le circuit de refroidissement est par exemple de l'eau, 2 comme de l'eau glycolée. [0013] Tout ou partie de la surface extérieure de la deuxième partie de boîtier peut porter des reliefs de refroidissement permettant de dissiper vers l'extérieur du module la chaleur existant dans cette deuxième partie de boîtier. L'équipement de la deuxième partie de boîtier en reliefs de refroidissement permet d'augmenter la surface d'échange du module avec et donc la dissipation de chaleur vers l'extérieur du module, améliorant ainsi le refroidissement par l'air. La deuxième partie de boîtier joue ainsi, seule ou en combinaison avec d'autres parties, le rôle de radiateur. [0014] Toujours dans ce cas, des reliefs de refroidissement peuvent également être portés par la surface extérieure de la première partie de boîtier. Toute la surface extérieure de la première partie de boîtier porte par exemple des reliefs de refroidissement et toute la surface extérieure de la deuxième partie de boîtier porte par exemple d'autres reliefs de refroidissements. Qu'ils soient portés par la première ou par la deuxième partie de boîtier, les reliefs de refroidissement peuvent être des ailettes. Ces ailettes peuvent être disposées selon des rangées, et un pas, constant ou non, peut exister entre deux rangées adjacentes. Ces rangées peuvent ou non toutes présenter la même orientation. Le cas échéant, de mêmes ailettes peuvent s'étendre d'une part sur la première partie de boîtier et d'autre part sur la deuxième partie de boîtier. [0015] Les reliefs de refroidissement peuvent être réalisés d'une seule pièce avec la partie de boîtier portant ces derniers. En variante, ces reliefs de refroidissement sont rapportés sur cette partie de boîtier. [0016] Selon une variante du cas qui vient d'être décrit, la surface extérieure de la deuxième partie de boîtier peut être dépourvue de reliefs de refroidissement. Dans un tel cas, des reliefs de refroidissement peuvent néanmoins être portés par la surface extérieure de la première partie de boîtier. Toute la surface extérieure de la première partie de boîtier porte par exemple des reliefs de refroidissement. Ces reliefs de refroidissement peuvent être des ailettes. Ces ailettes peuvent être disposées selon des rangées, et un pas, constant ou non, peut exister entre deux rangées adjacentes. Ces rangées peuvent ou non toutes présenter la même orientation. [0017] Toujours selon cette variante, les reliefs de refroidissement peuvent être réalisés d'une seule pièce avec la première partie de boîtier. En variante, ces reliefs de refroidissement sont rapportés sur cette première partie de boîtier. [0018] Dans tout ce qui précède, chaque partie de boîtier précitée peut être monobloc ou être formée par l'assemblage de sous-parties de boîtiers. [0019] La deuxième partie de boîtier est par exemple partiellement remplie d'huile. [0020] Une paroi étanche est par exemple ménagée entre la première et la deuxième partie de boîtier. Dans tout ce qui précède, le circuit de refroidissement peut comprendre une portion de dissipation additionnelle, notamment en forme de serpentin, de la chaleur 3 récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement. Cette portion en de dissipation additionnelle peut être disposée à l'extérieur de la première partie de boîtier ou à l'intérieur de la première partie de boîtier. [0021] En variante de la présence d'une portion de dissipation additionnelle dans le circuit de refroidissement, le module peut comprendre un radiateur permettant une dissipation additionnelle de la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement. Ce radiateur peut être disposé à l'extérieur du module et peut ou non être directement au contact du circuit de refroidissement. Le radiateur est porté par le module, étant par exemple solidaire de la première partie de boîtier, étant par exemple vissé à l'intérieur ou l'extérieur de la première partie de boîtier. [0022] Dans une variante, la portion de dissipation additionnelle et le radiateur peuvent être simultanément présents. [0023] Le module selon l'invention peut comprendre une pompe montée dans le circuit de refroidissement, pour favoriser la circulation du liquide dans ce circuit de refroidissement. Cette pompe, en favorisant la circulation du liquide dans le circuit de refroidissement, peut ainsi assurer un refroidissement homogène du convertisseur de tension et de la machine électrique par le liquide. [0024] Lorsqu'une telle pompe est présente, un système de commande de cette pompe peut également être présent, et cc système de commande peut être monté en tout ou partie sur la carte électronique du convertisseur de tension. On ajoute ainsi une autre fonctionnalité à cette carte électronique, permettant de réduire l'encombrement associé au module. [0025] En combinaison ou indépendamment de la pompe précitée, le module selon l'invention peut comprendre un ventilateur permettant de favoriser la circulation de l'air extérieur au module sur le radiateur. Ce ventilateur peut être entraîné par un moteur électrique dédié à ce ventilateur. Lorsqu'un tel ventilateur est présent, un système de commande de ce ventilateur peut être présent, et ce système de commande peut être monté en tout ou partie sur la carte électronique du convertisseur de tension. [0026] Lorsque des reliefs de refroidissement, par exemple des ailettes, sont portés par la surface extérieure de la première partie de boîtier comme mentionné ci-dessus, le ventilateur peut par ailleurs être positionné par rapport à la première partie de boîtier de manière à favoriser la circulation d'air sur ces reliefs de refroidissement. [0027] En variante de la présence d'une pompe et d'un ventilateur comme mentionné ci- dessus, le module peut comprendre une pompe montée dans le circuit de refroidissement et un ventilateur, la pompe permettant : [0028] - de favoriser la circulation du liquide dans ce circuit de refroidissement, et [0029] - d'entraîner le ventilateur, de manière à ce que le ventilateur favorise la circulation de l'air sur le radiateur, et le cas échéant favorise une circulation d'air sur des reliefs de refroidissement portés par la première partie de boîtier. Dans cc dernier exemple, le moteur électrique de la pompe est également utilisé pour entraîner le ventilateur, permettant ainsi de réduire les coûts. Comme déjà mentionné, le système de commande de cette pompe peut être monté en tout ou partie sur la carte électronique du convertisseur de tension. [0030] Dans tout ce qui précède, le module peut comprendre un capteur de température du liquide circulant dans le circuit de refroidissement, et l'électronique de cc capteur peut être montée sur la carte électronique du convertisseur de tension. Là encore, l'ajout d'une fonctionnalité à la carte électronique peut permettre de réduire l'encombrement associé au module. En variante, l'électronique du capteur peut être déportée par rapport à la carte électronique du convertisseur de tension et reliée à cette dernière par des câbles. [0031] Dans tout ce qui précède, le circuit de refroidissement peut n'être directement au contact que du stator de la machine électrique de propulsion, et non de son rotor, ou n'être directement au contact que du rotor de la machine électrique de propulsion, et non de son stator. [0032] En variante, dans tout ce qui précède, le circuit de refroidissement peut comprendre une première branche directement au contact du stator et une deuxième branche, parallèle à la première branche, et directement au contact du rotor. Selon cette variante, le circuit de refroidissement vient ainsi directement au contact du stator via sa première branche et également directement au contact du rotor via sa deuxième branche. [0033] Dans tout ce qui précède, le circuit de refroidissement peut être exclusivement ménagé à l'intérieur du module. [0034] Dans tout ce qui précède, le module peut comprendre uniquement trois interfaces avec l'extérieur, à savoir une première interface pour l'alimentation en énergie électrique du module depuis l'unité de stockage d'énergie électrique, une deuxième interface pour la transmission du couple généré par le module, et une troisième interface pour l'échange d'informations pour commander le module. Dans tout ce qui précède, la première partie de boîtier et la deuxième partie de boîtier peuvent être rigidement fixées entre elles, par exemple par l'intermédiaire de vis. [0035] Le module peut être fixé au reste du véhicule, par exemple à son châssis et/ou à ses roues par des vis. [0036] Dans tout ce qui précède, la machine électrique de propulsion peut être une machine synchrone ou une machine asynchrone. Lorsqu'il s'agit d'une machine synchrone, elle peut être à rotor bobiné ou à rotor à aimants permanents. La puissance nominale fournie par la machine électrique de propulsion peut être comprise entre 10 et 35 kW, par exemple de l'ordre de 15 kW, pour une tension nominale d'alimentation de 48V. Dans le cas d'une machine électrique adaptée à une alimentation en haute tension, la puissance nominale fournie par cette machine électrique peut être de quelques centaines de kW, par exemple de 400kW. [0037] Le système de réduction peut comprendre plusieurs pignons, par exemple 2 pignons ou plus. Le système de réduction peut définir un unique rapport, la valeur de cet unique rapport étant par exemple comprise entre 2 et 50. En variante, le système de réduction peut être configure pour définir deux ou trois rapports distincts. [0038] Le convertisseur de tension peut être un onduleur/redresseur, mettant par exemple en oeuvre des transistors à effet de champ, comme des transistors MOSFET, ou des IGBT. Dans le cas d'une tension d'alimentation de valeur nominale de 48V, on privilégiera par exemple des transistors MOSFET et dans le cas d'une tension d'alimentation correspondant à la haute tension, on privilégiera par exemple des IGBT. [0039] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses objets, un ensemble comprenant : [0040] - le module tel que défini ci-dessus, et [0041] - une unité de stockage d'énergie électrique, notamment une unité de stockage d'énergie électrique fournissant une tension nominale comprise entre 36V et 56V, par exemple de 48V. [0042] Le module précité peut être particulièrement adapté à une unité de stockage d'énergie électrique fournissant une tension nominale comprise entre 36V et 56V, par exemple de 48V, la chaleur dégagée dans la machine électrique de propulsion et dans le convertisseur de tension pouvant alors être dissipée vers l'extérieur du module à l'aide du liquide circulant dans le circuit de refroidissement et de l'huile, et le cas échéant via les reliefs de refroidissement précités. Dans des variantes, l'unité de stockage d'énergie électrique peut fournir une tension nominale plus élevée, par exemple jusqu'à une valeur de 400V. [0043] Un tel ensemble peut encore comprendre au moins une roue de véhicule, à laquelle est couplé le module de manière à ce que le couple généré par le module soit appliqué à la roue pour entraîner cette roue. Le module peut être soit directement couplé à la roue, soit être monté sur un différentiel de train avant ou sur un différentiel de train arrière de véhicule. Le cas échéant, plusieurs modules similaires peuvent être embarqués sur le véhicule. [0044] D'autres applications du module selon l'invention sont possibles. [0045] L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci et à l'aide du dessin ci-dessous sur lequel : [0046] [fig.1] représente un module selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, et [0047] [fig.2] représente un exemple spécifique de composants du module de la figure 1. [0048] On a représenté de façon schématique en référence à la figure 1 un module 1 selon un 6 exemple [0049] de mise en oeuvre de l'invention. Cc module 1 sert à la propulsion d'un véhicule électrique ou [0050] hybride. Ce module 1 comprend ici une machine électrique de propulsion 2 ayant un rotor et [0051] un stator, un convertisseur de tension 3 permettant d'alimenter électriquement le stator à partir [0052] de l'énergie électrique fournie par une unité de stockage d'énergie électrique, et un système de [0053] réduction 5 recevant le couple fourni par le rotor en vue de propulser le véhicule. Un exemple [0054] de structure de la machine électrique de propulsion 2, de convertisseur de tension 3 et de [0055] système de réduction 5 est représenté sur la figure 2, le convertisseur de tension 3 étant [0056] représenté à distance de la machine électrique et du système de réduction 5 pour la clarté du [0057] dessin. [0058] Dans l'exemple considéré, la machine électrique de propulsion 2 peut être une machine [0059] synchrone à rotor à aimants permanents, fournissant une puissance nominale comprise entre [0060] 10 kW et 35 kW. Le stator de cette machine synchrone peut comprendre un en- roulement [0061] électrique formé par des conducteurs bobinés sur la carcasse du stator ou par des épingles [0062] reliées entre elles. L'enroulement électrique de stator est par exemple un enroulement triphasé [0063] ou un enroulement formé par deux enroulements triphasés ou autre. [0064] Dans l'exemple considéré, le convertisseur de tension 3 est un onduleur/redresseur permettant [0065] de convertir la tension continue de l'unité de stockage d'énergie électrique en une tension [0066] alternative pour alimenter électriquement le stator de la machine électrique de propulsion 2 [0067] dans un mode de propulsion du véhicule, et permettant de redresser la tension al- ternative [0068] induite aux bornes du stator de la machine électrique de propulsion 2 dans un mode 7 régénératif. [0069] Le convertisseur de tension 3 met par exemple en oeuvre plusieurs bras de com- mutation, chaque [0070] bras comprenant des interrupteurs commandables, par exemple des transistors à effet de champ [0071] ou des transistors IGBT. [0072] Le convertisseur de tension 3 reçoit ou applique selon le mode propulsion ou ré- génératif une [0073] tension à une unité de stockage d'énergie électrique qui a par exemple une tension nominale [0074] comprise entre 36V cr 56V, par exemple une tension nominale de 48V. [0075] Le système de réduction 5 comprend dans l'exemple décrit plusieurs pignons engrenant pour transmettre le couple fourni par la machine électrique 2 vers une ou plusieurs roues du véhicule. Les pignons du système de réduction 5 sont par exemple configurés pour qu'un unique rapport soit possible, ou en variante pour que deux rapports distincts ou trois rapports distincts soient possibles. [0076] Dans l'exemple considéré, le module 1 est implanté sur un train dc véhicule, s'agissant du train avant ou du train arrière du véhicule, comme représenté sur la figure 1. Cc module 1 est par exemple vissé sur ce train ou lié à travers des silcnt blocs sur cc train. Dans cette implantation, le couple en sortie du système de réduction 5 est réparti entre les différentes roues 35 de ce train par un différentiel. [0077] On va maintenant décrire plus en détail le module 1 en référence à la figure 1. Ce module 1 comprend une première partie de boîtier 10 recevant la machine électrique de propulsion 2 et le convertisseur de tension 3. Cette première partie de boîtier 10 peut être monobloc ou être formée par l'assemblage de sous-parties de boîtier entre elles. Le module 1 comprend également une deuxième partie de boîtier 11 recevant le système de réduction 5 et remplie partiellement d'huile. La première partie de boîtier 10 et la deuxième partie de boîtier 11 sont ici rigidement fixées, par exemple via des vis. Une paroi d'étanchéité est ici ménagée entre la première partie de boîtier 10 et la deuxième partie de boîtier 11. [0078] Le module comprend un circuit de refroidissement 15 qui permet la circulation d'un liquide, qui est ici de l'eau glycolée, pour refroidir la machine électrique de propulsion 2 et le convertisseur de tension 3 en prélevant des calories à ces derniers. [0079] Dans l'exemple décrit, on constate que des reliefs de refroidissement 32 sont portés par la surface extérieure de la première partie de boîtier 10. Ces reliefs de refroidissement sont par exemple des ailettes réalisées d'une seule pièce avec la première partie de boîtier 10. Ces reliefs de refroidissement 32 permettent d'augmenter la surface extérieure de la première partie de boîtier 10, et favorisent ainsi la dissipation 8 vers l'extérieur du module 1 au niveau de la première partie de boîtier 10 de la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement 15. [0080] Dans l'exemple considéré, aucun relief de refroidissement n'est porté par la surface de la deuxième partie de boîtier 11. [0081] On constate encore sur la figure 1 que le circuit de refroidissement 15 peut comprendre une pompe 27. Cette pompe est par exemple à entraînement électrique. Le système de commande de cette pompe 27 est par exemple porté par la carte électronique du convertisseur de tension 3. Cette pompe 27 force la circulation de liquide dans le circuit de refroidissement 15. [0082] On constate encore, sur la figure 1 que le circuit de refroidissement 15 comprend une portion en forme de serpentin 16 permettant une dissipation additionnelle de la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement 15. Cette portion en serpentin est ici disposée à l'extérieur de la première partie de boîtier 10. [0083] Dans l'exemple considéré, un ventilateur 18 est prévu. Il possède un moteur électrique dédié et il ne participe pas au guidage d'air sur les ailettes 32. Dans une variante non représentée, le ventilateur 18 est entraîné par le moteur électrique de la pompe 27 et il est disposé de manière à guider l'air sur les ailettes 32 portées par la surface de la première partie de boîtier 10, de manière à favoriser encore le refroidissement du liquide circulant dans le circuit de refroidissement 15. [0084] Dans d'autres variantes, un radiateur non représenté peut être prévu. Ce radiateur, porté par le module 1, par exemple par la première partie de boîtier 10 et/ou par la deuxième partie de boîtier 11, peut recevoir de la chaleur du liquide parcourant le circuit de refroidissement 15. [0085] Dans l'exemple considéré, le circuit de refroidissement 15 ne s'étend pas dans la deuxième partie de boîtier 11. Aucun échangeur de chaleur n'est prévu, et la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement 15 n'est pas transmise à l'huile présente dans la deuxième partie de boîtier 11. Dans l'exemple représenté, la dissipation de la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement 15 se fait exclusivement au niveau de la première partie de boîtier, par exemple via les ailettes 32, la portion en forme de serpentin 16 et le radiateur lorsqu'il est présent. [0086] Dans tout ce qui précède, le circuit de refroidissement 15 peut encore comprendre un capteur 28 de température du liquide circulant dans le circuit de refroidissement. L'électronique du capteur 28 peut être montée sur la carte électronique du convertisseur de tension. [0087] L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. 9 REVENDICATIONS[Revendication I] Module ( I) de propulsion d'un véhicule hybride ou électrique, comprenant : - une machine électrique de propulsion (2) ayant un rotor et un stator, - un convertisseur de tension (3) permettant d'alimenter électriquement le stator à partir de l'énergie électrique fournie par une unité de stockage d'énergie électrique, et - un système de réduction (5) recevant le couple fourni par le rotor, le module comprenant une première partie de boîtier (10) recevant la machine électrique de propulsion (2) et le convertisseur de tension (3), et une deuxième partie de boîtier (11) recevant le système de réduction (5) et contenant de l'huile, le module (1) comprenant encore : - un circuit de refroidissement (15) de la machine électrique de propulsion (2) et du convertisseur de tension (3), disposé hors de la deuxième partie de boîtier (11), et - une portion de dissipation additionnelle dans le circuit de refroidissement (15), notamment une portion en forme de serpentin (16), et/ou un radiateur porté par le module, pour dissiper tout ou partie de la chaleur récupérée par le liquide circulant dans le circuit de refroidissement (15). [Revendication 2] Module selon la revendication 1, la surface extérieure de la deuxième partie de boîtier étant dépourvue de reliefs de refroidissement [Revendication 3] Module selon la revendication 1 ou 2, comprenant une pompe (17) montée dans le circuit de refroidissement (15), pour favoriser la circulation de liquide dans le circuit de refroidissement. [Revendication 4] Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ventilateur (18) permettant de favoriser la circulation de l'air extérieur sur le radiateur, et le cas échéant de favoriser une circulation d'air sur des reliefs de refroidissement (32) portés par la première partie de boîtier (10). [Revendication 5] Module selon la revendication 1 ou 2, comprenant une pompe (17) montée dans le circuit de refroidissement (15) et un ventilateur (18), la pompe permettant : - de favoriser la circulation du liquide dans ce circuit de refroidissement (15), et - d'entraîner le ventilateur (18), de manière à ce que le ventilateur 10 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] favorise la circulation de l'air extérieur sur le radiateur, et le cas échéant favorise une circulation d'air sur des reliefs de refroidissement (32) portés par la première partie de boîtier (10). Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant uniquement trois interfaces vers l'extérieur, à savoir une première interface pour l'alimentation en énergie électrique du module (1) depuis l'unité de stockage d'énergie électrique, une deuxième interface pour la transmission du couple généré par la machine électrique de propulsion (3), et une troisième interface pour l'échange d'informations pour commander le module (1). Ensemble comprenant : - le module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et - une unité de stockage d'énergie, notamment une unité de stockage d'énergie électrique fournissant une tension nominale comprise entre 36V et 56V, par exemple de 48V. Ensemble selon la revendication précédente, comprenant encore une roue (35) à laquelle est couplé le module (1) de manière à ce que le couple généré par le module soit appliqué à la roue pour entraîner cette roue