Brevet FR3092469A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : Système d'électronique de puissance pour véhicule électrique ou hybride [0001] La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électrotechnique et concerne plus précisément un système (l'électronique de puissance pour véhicule électrique ou hybride. [0002] Les systèmes d'électronique de puissance pour véhicule électrique ou hybride comportent des composants devant supporter plusieurs dizaines d'ampères et nécessitant un refroidissement spécifique. Classiquement les interrupteurs de puissance tels que les transistors IGBT (d'après l'anglais « lnsulated Gate Bipolar Transistor ») bénéficient d'une conduction thermique optimisée en étant en contact thermique direct avec une plaque de refroidissement à eau. Cependant certains composants de gros volume, comme les filtres, les transformateurs de tension ou les inductances, dégageant une puissance thermique moindre que les transistors IGBT, sont généralement refroidis soit par convection naturelle de l'air dans un espace confiné, soit par contact thermique indirect avec une plaque de refroidissement à eau. Dans ce dernier cas, une résine de conductivité thermique très faible de l'ordre de 1W/mrC (Watt par mètre par degré Celsius) entourant ces composants ne permet pas une bonne évacuation de la chaleur par la plaque de refroidissement à eau. Ces composants de gros volume ne peuvent être refroidis de manière optimale sans engendrer des contraintes de température limite supérieure du liquide de refroidissement utilisé, ou de volume minimal de ces composants, ce qui augmente le coût du système d'électronique de puissance qui les utilise. [0003] Le document FR3047109 divulgue un système d'électronique de puissance pour chargeur de véhicule électrique ou hybride, dans lequel le carter d'une inductance baigne dans l'eau d'une plaque à eau utilisée pour le refroidissement d'autres composants. Un joint d'étanchéité doit être comprimé entre une platine de fixation du carter de l'inductance, et la paroi supérieure de la plaque à eau, autour du carter de l'inductance, pour maintenir l'étanchéité du système. Cette solution de refroidissement augmente la conductance thermique entre l'inductance et le liquide de refroidissement, mais présente des risques de fuite du liquide de refroidissement. [0004] Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un système d'électronique de puissance, qui refroidit efficacement ses composants d'électronique de puissance, à coût moindre et à encombrement réduit. [0005] A cette fin, l'invention propose un système d'électronique de puissance pour véhicule 2 électrique ou hybride, comportant : [0006] - un carter métallique comportant un premier logement enfermant au moins un composant d'électronique de puissance, une paroi inférieure dudit premier logement étant refroidie par un liquide de refroidissement à l'extérieur dudit premier logement, ledit liquide de refroidissement circulant dans un circuit de refroidissement s'étendant de façon externe audit carter métallique, [0007] - un deuxième logement, en contact thermique avec ladite paroi inférieure et dans lequel circule ledit liquide de refroidissement, [0008] ledit système étant caractérisé en ce que ledit au moins un composant d'électronique de puissance est immergé dans un liquide diélectrique caloporteur confiné dans ledit premier logement. [0009] Grâce à l'invention, le composant d'électronique de puissance enfermé dans le premier logement bénéficie du liquide de refroidissement utilisé pour des composants de très forte charge thermique, tout en disposant d'une solution autonome de refroidissement à liquide diélectrique. Cc liquide diélectrique est refroidi par le liquide de refroidissement dans le deuxième logement, et ne change pas de phase. La solution proposée par l'invention est donc peu complexe, peu coûteuse et peu encombrante. [0010] Selon une caractéristique avantageuse du système selon l'invention, des parois verticales internes dudit premier logement comportent des conduits de circulation disposés verticalement. [0011] Lesdits conduits sont aptes à favoriser la circulation par convection dudit liquide di- électrique depuis une partie supérieure dudit premier logement vers ladite paroi inférieure. Par rapport à une solution classique de refroidissement par conduction thermique d'une résine à conductivité thermique faible ((le l'ordre de l'unité), le système selon l'invention permet de créer une circulation active et naturelle du liquide diélectrique en contact direct avec le composant d'électronique de puissance à refroidir. De plus le coefficient d'échange thermique entre le liquide de refroidissement et ce composant est bien plus important qu'une circulation d'air à l'intérieur du premier logement. Le transport de calories par cette circulation active et naturelle de liquide diélectrique réduit de façon notable la résistance thermique globale entre le composant d'électronique de puissance et le liquide de refroidissement circulant dans le deuxième logement. La température du composant à refroidir est ainsi réduite, ainsi que la compacité du système, par rapport à l'art antérieur. [0012] Avantageusement, ledit premier logement, ledit deuxième logement et lesdits conduits sont réalisés dans une pièce monobloc obtenue par moulage dudit carter métallique. Cette fabrication du carter métallique permet d'augmenter la conductance thermique entre les deux logements, réduit les coûts de l'ensemble et les risques de fuite de liquide diélectrique. De plus cette pièce monobloc massive permet de limiter 3 les problèmes vibratoires dus aux courants hachés pouvant traverser le composant d'électronique de puissance. [0013] Avantageusement, lesdits conduits sont formés par des tunnels dans lesdites parois verticales dudit carter métallique, reliant une partie supérieure dudit logement à une partie inférieure dudit logement. Cette réalisation des conduits favorise la circulation du liquide diélectrique grâce aux différences de température dans les conduits et dans le premier logement. [0014] Alternativement, lesdits conduits sont des rainures verticales formées dans lesdites parois verticales dudit carter métallique. Cette réalisation des conduits est plus simple que celle sous forme de tunnels. [0015] Avantageusement, ledit premier logement comporte un réservoir à volume variable. Cette caractéristique permet de garder l'enceinte du premier logement à la pression atmosphérique. Sans cette caractéristique, la pression duc aux variations de volume du liquide diélectrique sous l'effet de la température peut monter à 1,3 bars, cc qui nécessite de renforcer l'étanchéité et la robustesse du carter métallique. [0016] Préférentiellement, ledit liquide de refroidissement est de l'eau glycol& et ledit liquide diélectrique caloporteur est de l'huile ou un autre liquide diélectrique à basse viscosité et forte variation de densité. Ces liquides ont l'avantage d'être peu coûteux et bon conducteurs thermiques. [0017] Avantageusement, le système d'électronique de puissance selon l'invention comporte des interrupteurs de puissance disposés sur une portion d'une paroi supérieure dudit deuxième logement, ledit deuxième logement s'étendant sous ledit premier logement et latéralement au-delà dudit premier logement, de sorte à ce que sa paroi supérieure définisse une plate-forme refroidie par ledit liquide de refroidissement et sur laquelle sont disposés lesdits interrupteurs de puissance. Cette intégration des interrupteurs de puissance dans le système d'électronique de puissance selon l'invention permet de réduire son encombrement. [0018] Avantageusement encore, une couche élastomère thermo-conductrice est disposée entre ladite paroi inférieure et ledit composant d'électronique de puissance, et/ou une pièce en plastique déformable est solidarisée audit composant d'électronique de puissance et audit carter métallique. Ces caractéristiques permettent de limiter les vibrations du composant d'électronique de puissance lorsqu'il est parcouru par des courants hachés. [0019] Préférentiellement, ledit premier logement comporte au moins un bobinage entourant un corps ferromagnétique. Ainsi les composants de gros volume du véhicule électrique ou hybride, tels que son transformateur d'isolement, sont efficacement refroidis. [0020] Alternativement, ledit premier logement comporte des plaques verticales sur lesquelles sont disposées des composants d'électronique de puissance, lesdites plaques séparant électromagnétiquement différents groupes de composants électroniques. Ces composants sont par exemple des capacités. Un tel agencement permet également une maintenance facilitée du système d'électronique de puissance selon l'invention. [0021] Préférentiellement, ledit circuit de refroidissement du système d'électronique de puissance selon l'invention comporte au moins une pompe, et un radiateur disposé à l'avant du véhicule. Autrement dit on utilise le circuit de refroidissement général du véhicule, ou une boucle de celui-ci. [0022] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réa- lisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles : [0023] [fig.1] représente un système d'électronique de puissance selon l'invention, dans cc mode de réalisation préféré, [0024] [fig.2] représente une vue en coupe horizontale du système d'électronique de puissance selon une variante de réalisation de cc mode de réalisation préféré, [0025] [fig.3] représente un système d'électronique de puissance selon l'invention, dans une autre variante de ce mode de réalisation préféré, [0026] [fig.4] représente une vue en coupe horizontale du système d'électronique de puissance dans encore une autre variante de réalisation, [0027] [fig.5] représente un circuit de refroidissement utilisé dans le système d'électronique de puissance selon l'invention, dans ce mode de réalisation préféré, [0028] [fig.6] représente une disposition de composants d'électronique de puissance dans une variante de ce mode de réalisation préféré de l'invention. [0029] Selon un mode préféré de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le système SYS d'électronique de puissance selon l'invention comporte un carter en aluminium CA, destiné à accueillir différents composants d'électronique de puissance d'un véhicule électrique ou hybride, tels qu'un transformateur d'un convertisseur courant-continu-courant continu, et des transistors de puissance de type IGBT ou MOSFET (d'après l'anglais «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor»). [0030] Le carter en aluminium CA comporte un premier logement LOGI enfermant une in- ductance IND formée d'un corps ferromagnétique CFM autour duquel est bobiné un bobinage WIN. Le courant haché parcourant cette inductance IND est amené par un bomier de connexion étanche non représenté, intégré par exemple au couvercle COUV du carter en aluminium CA, fermant le premier logement LOGI dans sa partie su- péricure de manière également étanche. Le carter en aluminium CA étant disposé selon une direction verticale V dans ce mode de réalisation de l'invention, le couvercle COUV est situé sur la partie supérieure du carter en aluminium CA, les notions « supérieures » et « inférieures » dans cette demande faisant référence à la position selon cette direction verticale V. [0031] L'inductance IND étant soumise à des vibrations du fait du hachage du courant la parcourant, une couche ou film élastomère thermo-conductrice CTE est insérée entre le corps ferromagnétique CFM et une paroi inférieure PAT du premier logement LOGI. Ce film élastomère est par exemple celui utilisé dans le document FR2996047. En variante l'inductance IND n'est pas soumise à un courant haché ou à des vibrations nécessitant un tel film élastomère. [0032] La paroi inférieure PAT du premier logement LOG1 est refroidie par l'eau glycolée WAT contenue dans un deuxième logement LOG2 du carter d'aluminium CA. Ce deuxième logement LOG2 est situé sous le premier logement LOGI et s'étend latéralement au-delà du premier logement LOG], de manière à former une plateforme dont la paroi supérieure P52 est refroidie par l'eau glycolée WAT contenue dans ce deuxième logement LOG2. [0033] Ce deuxième logement LOG2 fait partie d'un circuit de refroidissement CR re- présenté en figure 5. Ainsi l'eau glycolée WAT circule grâce à une pompe P. dans un réseau de canaux CWG thermo-conducteurs disposés dans le deuxième logement L002. Cette eau glycolée WAT est refroidie lors de son passage dans le radiateur R du véhicule, situé à l'avant de celui-ci. [0034] Sur la plate-forme réalisée par l'extension latérale du deuxième logement LOG2 dans le carter en aluminium CA, sont disposés des interrupteurs de puissance IP de type IGBT ou MOSFET. ils sont intégrés sur un support SUP thermo-conducteur, par exemple en cuivre, le support SUP étant lui-même collé à la paroi supérieure PS2 du deuxième logement LOG2. Les interrupteurs de puissance IP sont donc refroidis par l'air libre qui les entoure et par cette extension latérale du carter en aluminium CA qui fait office de plaque d'eau classiquement utilisée pour refroidir ce type de composants d'électronique de puissance. [0035] L'évacuation de la chaleur dissipée par l'inductance IND dans le premier logement LOGI se fait en partie par conduction de cette chaleur à travers la paroi inférieure PAT du premier logement LOGI, vers l'eau glycolée WAT plus froide, qui évacue cette chaleur dans le circuit de refroidissement CR. [0036] Afin d'améliorer l'évacuation de cette chaleur dissipée depuis l'inductance IND vers la paroi inférieure PAT, l'inductance IND est immergée dans un liquide diélectrique caloporteur OIL de type huile. En variante un liquide à basse viscosité et forte variation de densité de type Novec 3MC) est utilisé. Ce type de liquide est plus cher mais permet 6 d'obtenir une vitesse plus importante de l'écoulement créé par la différence de densité. [0037] Le liquide diélectrique caloporteur OIL est en contact direct avec l'inductance IND. Il circule dans le premier logement LOGI sans pompe électrique niais grâce à la différence de densité créée par la différence de température entre r inductance IND et l'eau glycolée WAT contenue dans le deuxième logement LOG2. [0038] Des conduits de circulation CC sont creusés dans les parois internes verticales PVI du carter en aluminium CA, et permettent le passage du liquide diélectrique caloporteur OIL depuis une partie supérieure PSL du premier logement LOGI vers une partie inférieure PIE du premier logement LOGI. Ces canaux latéraux disposés verticalement sont par exemple au nombre de cinq et sont disposés angulairemcnt et régulièrement autour de r inductance IND. [0039] Il est à noter que le diamètre et le nombre de passages d'huile réalisés dans les parois PVI du carter en aluminium CA sont à adapter en fonction de la puissance thermique générée par le composant d'électronique de puissance à refroidir présent dans le premier logement LOGI. Le diamètre de ces conduits est typiquement dans une fourchette de lmm (millimètre) à lOrnm selon la puissance thermique à évacuer. Le diamètre doit être d'autant plus important que le liquide diélectrique utilisé est visqueux. [0040] L'inductance IND à refroidir chauffe le liquide diélectrique caloporteur OIL et diminue ainsi la densité du liquide diélectrique OIL, qui monte alors dans le premier logement LOGI et entre dans les conduits de circulation CC dans la partie supérieure PSL du premier logement LOGI. Dans ces conduits de circulation CC le liquide diélectrique OIL est refroidi ce qui augmente sa densité. Devenue plus lourd, il descend alors dans les conduits de circulation CC vers la partie inférieure PIL du premier logement LOGI. Cette circulation, représentée par les flèches pleines sur la ligure 1, est réalisée sans pompe. Elle est fiable et ne nécessite pas de consommation d'énergie. [0041] Afin de compenser la variation du volume du liquide diélectrique OIL selon ses va- riations de température, un réservoir défonnable RES est en communication avec le premier logement LOGI par un conduit et se déforme pour stocker ou restituer le liquide diélecliique OIL depuis/au premier logement LOGI. Ce réservoir RES est disposé dans un évidement EV du carter en aluminium CA et est raccordé de manière étanche au premier logement LOGI. Ce réservoir RES permet de maintenir une pression atmosphère dans le premier logement LOGI. [0042] En variante de réalisation, les conduits de circulation du liquide diélectrique ca- loporteur OIL sont formés par des rainures verticales RV sur les parois verticales internes PVI du premier logement LOGI, comme représenté sur la figure 2. [0043] La figure 3 représente encore une autre variante de réalisation, dans laquelle une pièce plastique défonnable PPD est solidarisée d'une part au carter métallique CA, par 7 exemple par des vis, et à l'inductance IND d'autre part, par exemple par des vis. Cette pièce plastique PPD bloque l' inductance solidement dans le sens vertical et le sens horizontal, et absorbe les vibrations de l'inductance lorsqu'elle est parcourue par un courant haché. Le film élastomère CTE n est plus nécessaire. Il peut cependant être utilisé en combinaison avec cette pièce plastique PPD pour améliorer encore l'absorption des vibrations. [0044] La figure 4 montre une coupe horizontale du système d'électronique de puissance selon l'invention, dans encore une autre variante de réalisation de ce mode de réalisation préféré. Dans cette variante de réalisation, les conduits de circulation de l'huile sont réalisés par des rainures RV comme sur la figure 2. Le composant d'électronique de puissance IND à refroidir dans cette variante de réalisation, est un transformateur dont le corps ferromagnétique CFM est annulaire, les bobinages WIN du transformateur étant bobinés autour de ce corps ferromagnétique annulaire CFM en passant à l'intérieur du corps ferromagnétique annulaire CFM. Une pièce plastique deformable PPD absorbe les vibrations du transformateur en étant logée dans le corps annulaire CFM. Elle prend ici la forme d'une étoile à trois branches dont les pointes mettent le corps annulaire CFM sous contrainte et le maintiennent au carter d'aluminium par des vis situés sous la pièce plastique deformable PPD. [0045] La figure 6 représente le premier logement LOGI dans encore une autre variante de réalisation du mode de réalisation préféré décrit dans cette demande. Dans cette variante, le premier logement LOGI est parallélépipédique et comporte plusieurs plaques verticales PLA sur lesquelles sont fixés des composants d'électronique de puissance COP, tels que des capacités ou super-capacités. Des composants COP peuvent également être fixés directement sur les parois verticales PVI du premier logement LOGI. Les plaques PLA sont par exemple des plaques pleines en métal ou des grilles métalliques et séparent différents groupes de composants COP selon leurs caractéristiques d'émission électromagnétique. Cette disposition permet de supprimer ou limiter les rayonnements électromagnétiques entre les différents groupes de composants COP. [0046] 11 est à noter que d'autres variantes de ce mode de réalisation préféré sont bien sûr possible. Par exemple le carter CA est en variante réalisé en fonte, ce qui permet au système selon l'invention d'être assez massif pour ne pas nécessiter de film élastomère ou de pièce plastique pour limiter les vibrations du composant inductif IND, le carter ne subissant alors pas de vibrations. Dans une autre variante le carter CA est réalisé en plusieurs morceaux rassemblés par vissage, notamment les premier logements LOGI et LOG2 sont par exemple deux pièces distinctes solidarisées l'une à l'autre. Dans encore une autre variante le deuxième logement CWG ne comporte pas de canaux CWG mais directement un réservoir d'eau glycolée. Un autre liquide de refroi- 8 disscment que l'eau glycoléc est bien entendu utilisable pour refroidir l'électronique de puissance disposée sur la plate-forme du carter CA, par exemple de l'eau non glycoléc. 9