Brevet FR3103623A1 — publié le 20210528

Chargeur pour véhicule électrique ou hybride . L’invention porte sur un sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride, comprenant l’assemblage d’un composant d’électronique de puissance comprenant des éléments chauffants et comprenant une partie centrale avec un volume libre, et d’un carter équipé d’un dispositif de refroidissement comprenant un plot central (13) thermoconducteur s’étendant au sein du volume libre de la partie centrale du composant. Figure 10 Chargeur pour véhicule électrique ou hybride. Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l’électrotechnique et concerne plus précisément un chargeur pour véhicule électrique ou hybride, et plus généralement un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique. Elle concerne aussi un sous-ensemble d’un tel dispositif, comprenant l’assemblage d’un composant sur un carter. Elle concerne aussi un procédé de montage d’un tel dispositif. Etat de la technique antérieure Les systèmes d’électronique de puissance pour véhicule électrique ou hybride comportent des composants devant supporter plusieurs dizaines voire plusieurs centaines d’ampères et nécessitant un refroidissement spécifique. Classiquement les interrupteurs de puissance tels que les transistors IGBT (d’après l’anglais « Insulated 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/m/°C (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. 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. Présentation de l'invention Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant une solution d’électronique de puissance, comme un chargeur, qui refroidit efficacement ses composants d’électronique de puissance, à coût moindre et à encombrement réduit. Pour atteindre cet objectif, l’invention porte sur un sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride, comprenant l’assemblage de : - un composant d’électronique de puissance comprenant des éléments chauffants et comprenant une partie centrale avec un volume libre, - un carter équipé d’un dispositif de refroidissement comprenant un plot central thermoconducteur s’étendant au sein du volume libre de la partie centrale du composant. Le carter peut comprendre un fond comprenant un dispositif de refroidissement par un agencement permettant la circulation d’un fluide de refroidissement, et le plot central peut être lié au fond. Le plot central peut comprendre une section croissante dans la direction s’approchant du fond, notamment le plot central peut présenter une forme conique. Le carter peut comprendre une paroi latérale thermoconductrice liée au fond ou une paroi latérale de simple maintien d’une résine. Les éléments chauffants du composant peuvent être compris dans un boîtier rempli d’une résine thermoconductrice ou d’une huile caloporteuse. Le composant peut comprendre un moyen de maintien agencé dans sa partie centrale pour coopérer avec le plot central du carter. Le carter peut comprendre un fond et le composant peut comprendre un moyen de maintien positionné en appui sur le fond du carter. Le sous-ensemble peut être rempli d’une huile de refroidissement et une paroi du carter et/ou du plot central peut comprendre des ailettes disposées orthogonalement au fond du carter. Le sous-ensemble peut comprendre un film élastomère thermoconducteur disposé entre le composant et le carter, ayant une raideur de compression isostatique inférieure à 10 MPa (MégaPascal). L’invention porte encore sur un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride comprenant au moins un sous-ensemble tel que défini précédemment. Le dispositif à électronique de puissance peut être un chargeur de véhicule électrique ou hybride et il peut comprendre un dispositif de refroidissement comprenant une plaque comprenant des canaux de circulation d’un fluide de refroidissement, et ledit sous-ensemble peut comprendre un fond formé par une partie de la surface de ladite plaque. L’invention porte encore sur un véhicule électrique ou hybride comprenant un dispositif à électronique de puissance tel que défini précédemment. Présentation des figures Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 est une vue schématique de côté en coupe d’un composant selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 2 est une vue schématique de dessus en coupe du composant selon le mode de réalisation de l’invention. La figure 3 est une vue schématique de côté en coupe d’un carter selon le mode de réalisation de l’invention. La figure 4 est une vue schématique de côté en coupe d’un carter selon le mode de réalisation de l’invention. La figure 5 est une vue schématique d’étapes d’un procédé de fabrication d’un sous-ensemble d’un chargeur selon le mode de réalisation de l’invention. La figure 6 est une vue schématique de côté en coupe d’un dispositif selon une première variante du mode de réalisation de l’invention. La figure 7 est une vue schématique de côté en coupe d’un composant selon une deuxième variante du mode de réalisation de l’invention. La figure 8 est une vue schématique de côté en coupe d’un carter selon la deuxième variante du mode de réalisation de l’invention. La figure 9 est une vue schématique de dessus en coupe d’un carter selon la deuxième variante du mode de réalisation de l’invention. La figure 10 est une vue schématique de côté en coupe d’un sous-ensemble composant-carter selon la deuxième variante du mode de réalisation de l’invention. La figure 11 est une vue schématique de dessus en coupe d’un sous-ensemble composant-carter selon la deuxième variante du mode de réalisation de l’invention. La figure 12 illustre un dispositif de refroidissement d’un chargeur selon un mode de réalisation de l’invention. Description détaillée Le mode de réalisation de l’invention porte sur un composant et un carter associé, formant un dispositif de maintien et de refroidissement pour le composant. Cet ensemble forme ainsi un sous-ensemble d’un dispositif final comme un chargeur d’un véhicule électrique. Un tel composant et son carter pourront en variante être intégrés dans d’autres dispositifs qu’un chargeur de batterie, dans d’autres applications. Comme mentionné précédemment, l’invention est particulièrement adaptée aux composants volumineux, comme les filtres et les transformateurs de tension, qui dégagent une puissance intermédiaire et sont actuellement refroidis soit par l’air en convection naturelle dans une espace très confiné, soit par conduction thermique en utilisant une résine de conductivité thermique très faible (de l’ordre de 1 w/m/°C). Dans ces solutions, une partie de la chaleur de ces composants est évacuée de manière acceptable grâce au volume important de ces composants, qui favorise les échanges de chaleur. Les composants volumineux susmentionnés présentent une structure semblable. Ils ont notamment la particularité de comprendre une partie centrale au moins partiellement vide, comprenant un volume libre, par exemple au centre d’un ensemble de bobines. L’invention repose sur une nouvelle architecture d’un tel composant et d’un carter associé, formant avantageusement un dispositif de refroidissement du composant en intégrant un élément de refroidissement qui occupe au moins une partie du volume libre disposé dans la partie centrale du composant. Une solution selon le concept de l’invention va permettre d’améliorer la performance de refroidissement d’un composant par rapport aux solutions existantes, de sorte qu’il sera possible d’augmenter de 20 à 50% la puissance thermique évacuée pour une même température maximale de bobines ou de ferrite, et donc de permettre de réduire le volume et le coût des composants concernés. Nous allons maintenant décrire en détail plusieurs variantes d’un mode de réalisation de l’invention. Par souci de simplicité, les mêmes références seront utilisées sur les différentes variantes de réalisation pour désigner les mêmes éléments ou des éléments semblables. Ainsi, les figures 1 à 5 illustrent un mode de réalisation de l’invention. D’abord, les figures 1 et 2 illustrent schématiquement un composant 20 selon ce mode de réalisation de l’invention, respectivement en coupe de côté et en coupe de dessus. Le composant 20 comprend des bobines 2 enroulées autour d’une ferrite 1. La ferrite 1 forme une portion cylindrique d’axe A20, délimitant un volume central libre dans une partie centrale 7. Les bobines 2 sont alimentées par des courants alternatifs tri-phasiques, par l’intermédiaire de connecteurs 3. Un support 5 est de plus agencé sur un côté de l’ensemble ferrite/bobines. Ce support 5 se présente sous la forme d’une plaque, qui s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe A20 du composant. Le support 5 présente une forme de disque selon le mode de réalisation de l’invention. Il se présente en matériau diélectrique. Trois fils électriques associés à six connecteurs 3 traversent le support, permettant ainsi de connecter les bobines 2 vers l’extérieur du composant 20. Une étanchéité est réalisée au niveau de cette traversée des fils électriques, par exemple par une colle entre les fils et le support. En complément, un trou 6 est prévu dans le support 5, pour introduire une résine ou de l’huile de refroidissement, comme cela sera détaillé par la suite. D’autre part, trois pattes 4a en plastique sont agencées dans la partie centrale 7 du composant 20 pour participer à son maintien. Elles sont d’une part en contact avec la ferrite 1 et d’autre part reliées par un anneau 4c en partie centrale 7 du composant. Les figures 3 et 4 illustrent un carter 17 selon le mode de réalisation, formant une enceinte 9 destinée à recevoir le composant 20 décrit ci-dessus. Cette enceinte 9 est délimitée par une paroi latérale 12 cylindrique d’axe A17 et par un fond 10. Ce fond se présente comme une plaque en forme de disque. Ce carter 17 comprend de plus un dispositif de refroidissement. Pour cela, le fond 10 comprend un agencement pour la circulation d’un fluide 11 de refroidissement, par exemple des canaux de circulation. Avantageusement, le fond 10 forme une partie d’une plaque de refroidissement du chargeur de véhicule. Le carter 17 comprend de plus un plot central 13, qui s’étend depuis le fond 10, de manière centrée sur l’axe A17 du carter 17. Ce plot central 13 est relié au fond 10 et forme un élément froid qui participe au dispositif de refroidissement du composant 20. Selon le mode de réalisation, le plot central 13 est légèrement conique, et présente une base plus large au niveau du fond 10. Cette géométrie favorise l’évacuation de la chaleur du composant 20, dont la quantité de chaleur évacuée vers le plot central 13 augmente quand on s’éloigne du support 5. En variante, toute autre construction du plot central 13 dont la section augmente en s’approchant du fond 10 serait donc possible et avantageuse. Le plot central 13 et la paroi latérale 12 participent à la fonction de refroidissement du composant 20, par conduction de chaleur vers le fond 10, puis par évacuation par le fluide 11 de refroidissement, qui est par exemple de l’eau dans le mode de réalisation. Ainsi, le plot central 13 et la paroi latérale 12 se présentent avantageusement dans un matériau à bonne conduction thermique, par exemple en aluminium. La figure 5 représente les différentes étapes d’un procédé de montage de l’ensemble formé du composant et du carter décrits ci-dessus, formant une partie d’un procédé de fabrication d’un chargeur de véhicule électrique. Dans une première étape a, le composant 20 est approché du carter 17. Dans une deuxième étape b, le composant 20 est descendu vers le carter 17 jusqu’à ce que sa partie centrale 7 vienne sensiblement en vis-à-vis du plot central 13, les deux axes A20 du composant 20 et A17 du carter 17 étant alignés. Dans une troisième étape c, l’anneau central 4c de la partie centrale 7 du composant 20 est translaté le long du plot central 13 jusqu’à arriver en butée, du fait de la forme conique du plot central 13. Dans le même temps, le support 5 du composant 20 vient en butée sur la paroi latérale 12 du carter 17. Dans une quatrième étape d, le composant 20 est fixé de manière stable sur le carter 17. Notamment, son support 5 est fixé de manière étanche sur la paroi latérale 12, par exemple par un collage, ou par vis (non représenté sur figures). L’association du support 5 du composant 20 et des parois de l’enceinte 9 du carter 17 forme un boîtier fermé étanche. En effet, ce boîtier est de préférence étanche lorsqu’il est rempli d’huile. Ce boîtier est donc délimité par deux parois parallèles et opposées, en forme de disque, le support 5 et le fond 10. Ces deux parois 5, 10 sont de plus reliées par la paroi latérale 12. La position du composant 20 est de plus stabilisé et maintenu par la coopération de son anneau central 4c autour du plot central 13. Ce dernier remplit donc une fonction de support du composant 20. Cette construction permet aussi de garantir un bon positionnement centré du plot central 13 dans la partie centrale 7 du composant 20. Dans une dernière étape e, le volume du boîtier comprenant le composant 20 est rempli par une résine, de bonne conductivité. Ce remplissage est effectué par le trou 6 du support 5, qui est ensuite bouché soit par la résine, soit par une colle, ou par tout autre moyen. La résine finit de maintenir la position du composant 20 de manière stable dans son boîtier ainsi formé. Elle participe aussi à l’évacuation de la chaleur générée par le composant par conduction thermique. La paroi latérale 12 est reliée au fond 10 comprenant le fluide 11 de refroidissement, et elle participe aussi à la conduction de la chaleur vers ce fluide 11, et donc à la fonction de refroidissement du composant 20. En résumé, le plot central 13 remplit les deux fonctions suivantes : - il favorise le bon positionnement du composant dans l’enceinte 9 du carter 17. La forme conique du plot central 13 facilite le centrage et le maintien ; - il crée une zone centrale froide qui participe au refroidissement des bobines 2 et de la ferrite 1, et plus généralement de tout élément chauffant, de manière efficace. Dans le mode de réalisation décrit, le plot central 13 facilite la transmission de chaleur vers le fond 10 de l’enceinte grâce à une augmentation progressive de sa section, qui forme une section de passage croissante avantageuse du flux thermique. Naturellement, en variante de réalisation simplifiée non représentée, le plot central pourrait ne remplir que la fonction de refroidissement. La figure 6 représente une variante du mode de réalisation décrit ci-dessus, dans laquelle le carter est simplifié. En effet, pour un composant qui génère peu de chaleur, le carter peut être simplifié en remplaçant la paroi latérale 12 précédente par une simple paroi plastique de faible épaisseur, qui ne remplit pas de fonction de refroidissement, mais seulement de moule lors du remplissage de la résine, selon le procédé décrit précédemment. Les figures 7, 8, 9 illustrent une deuxième variante du mode de réalisation de l’invention, dans laquelle le volume du boîtier n’est plus rempli par une résine mais par une huile de refroidissement, qui va permettre de transmettre la chaleur par convection naturelle. Dans cette deuxième variante, le composant 20 est légèrement modifié par l’ajout de pattes 4b s’étendant depuis la ferrite 1 dans une direction opposée au support 5, de sorte à pouvoir former des butées qui viennent en appui sur le fond 10 du carter, comme représenté après assemblage du sous-ensemble sur la figure 10. De plus, des pattes 4a s’étendent depuis la ferrite 1 dans la partie centrale 7, perpendiculairement à l’axe A20 du composant, sans être reliées à un anneau, contrairement au mode de réalisation décrit précédemment. Le carter 17 diffère du mode de réalisation illustré par les figures 3 et 4 en ce que des ailettes 15 sont formées sur la face intérieure de la paroi transversale 12 du carter 17. Des ailettes 14 sont aussi formées sur la face extérieure du plot central 13. Ces ailettes sont verticales c’est-à-dire s’étendent orthogonalement au fond 10, ou par rapport au fond 10, de l’enceinte 9 de sorte à favoriser la circulation de l’huile par convection naturelle. Naturellement, en variante, une partie seulement de ces ailettes serait possible. Les figures 10 et 11 représentent le sous-ensemble formé par l’assemblage du composant 20 et du carter 17. Cet assemblage est réalisé selon le procédé décrit en référence avec la figure 5, jusqu’au positionnement simultané en butée des pattes 4b sur le fond 10, des pattes 4a sur le plot central 13, et du support 5 sur la paroi latérale 12. Les ailettes 14, 15 favorisent le transfert de chaleur de l’huile vers la paroi latérale 12 et le plot central 13, puis vers le fluide 11 circulant dans le fond 10. En remarque, dans cette réalisation, le trou 6 peut être fermé de manière étanche, comme dans les réalisations précédentes. En variante, le trou 6 peut être relié à un réservoir déformable, à volume variable, qui permet de compenser les variations de pression de l’huile de refroidissement. Les pattes 4a peuvent en outre être collées sur la ferrite 1 et il n’est plus nécessaire d’utiliser l’anneau 4c. Comme explicité précédemment, le sous-ensemble formé par l’assemblage du composant 20 et d’un carter 17 peut appartenir à un dispositif comme un chargeur de véhicule électrique ou hybride, ou à un autre type de dispositif, comme plus généralement un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique. Le carter 17 peut ainsi appartenir à un carter plus important d’un tel dispositif. La figure 12 illustre à titre d’exemple un dispositif de refroidissement utilisé dans un chargeur pour véhicule électrique, comprenant une plaque 21 dans laquelle circule un fluide de refroidissement 11, par exemple de l’eau, un radiateur 22, une pompe 23, et des durites 24. Ce dispositif de refroidissement est prévu pour refroidir les composants électroniques à forte puissance du chargeur, qui génèrent une chaleur importante. L’eau circule dans la plaque 21 qui refroidit ces composants électroniques de forte puissance. Selon un mode de réalisation, l’invention exploite ce dispositif de refroidissement pour refroidir en complément d’autres composants que ceux à forte puissance susmentionnés, par exemple les composants volumineux mentionnés plus haut, de manière indirecte par l’intermédiaire d’une résine ou d’une huile, en contact avec un plot central lié à un fond 10 lui-même lié audit dispositif de refroidissement. Ce fond 10 est avantageusement formé par une partie de la surface de la plaque 21. Le plot central peut venir d’une pièce avec la plaque 21 (et/ou le fond 10), ou peut former une pièce distincte rapportée, fixée sur la plaque 21 par tout moyen. Il en est de même de la paroi latérale 12 susmentionnée, optionnelle. Le composant concerné comprend des éléments chauffants, qui peuvent être des bobines et éventuellement une ferrite. Une partie centrale avec un volume libre est présent au sein de ces éléments chauffants. Selon une variante de réalisation compatible avec les différentes réalisations décrites précédemment, un film élastomère peut être disposé entre le composant 20 et le carter 17, pour absorber les éventuelles vibrations. En effet, de telles vibrations sont possibles dans des bobines par exemple lorsqu’un hachage de courant les parcourt. Un tel film élastomère peut être tel que décrit dans le document FR2996047. Il peut être disposé entre l’ensemble ferrite/bobines et le fond 10 du carter 17. Naturellement, l’invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit. Le boîtier formé autour des éléments chauffants du composant, notamment les bobines 2 et éventuellement une ferrite 1, peut prendre toute autre forme et architecture, pas nécessairement une section circulaire. De même, le plot central peut présenter une autre forme, au niveau de sa section et/ou de sa hauteur par exemple. La partie centrale du composant peut aussi présenter une autre forme. De plus, le composant 20 peut optionnellement comprendre un moyen de maintien dans sa partie centrale, adapté pour coopérer avec le plot central. Ce moyen de maintien peut prendre toute forme autre que les bras et anneaux décrits, et remplir des fonctions diverses, comme un appui vertical ou transversal, formant ainsi un effet de maintien parallèle à l’axe du plot, transversal à cet axe ou de simple centrage. L’invention porte aussi sur un véhicule électrique ou hybride intégrant un dispositif à électronique de puissance, comme un chargeur, comprenant un ensemble composant/carter tel que décrit précédemment. Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comprend l’assemblage de : un composant (20) d’électronique de puissance comprenant des éléments chauffants et comprenant une partie centrale (7) avec un volume libre, un carter (17) équipé d’un dispositif de refroidissement comprenant un plot central (13) thermoconducteur s’étendant au sein du volume libre de la partie centrale (7) du composant (20). Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le carter (17) comprend un fond (10) comprenant un dispositif de refroidissement, par un agencement permettant la circulation d’un fluide (11) de refroidissement, et en ce que le plot central (13) est lié au fond (10). Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le plot central (13) comprend une section croissante dans la direction s’approchant du fond (10), notamment en ce que le plot central (13) présente une forme conique. Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le carter (17) comprend une paroi latérale (12) thermoconductrice liée au fond (10) ou une paroi latérale (12) de simple maintien d’une résine. Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments chauffants du composant (20) sont compris dans un boîtier rempli d’une résine thermoconductrice ou d’une huile caloporteuse. Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant (20) comprend un moyen de maintien (4c) agencé dans sa partie centrale (7) pour coopérer avec le plot central (13) du carter (17). Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter (17) comprend un fond (10) et en ce que le composant (20) comprend un moyen de maintien (4b) positionné en appui sur le fond (10) du carter (17). Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est rempli d’une huile de refroidissement et en ce qu’une paroi du carter et/ou du plot central (13) comprend des ailettes (14, 15) disposées orthogonalement au fond du carter. Sous-ensemble pour un dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un film élastomère thermoconducteur disposé entre le composant (20) et le carter (17), ayant une raideur de compression isostatique inférieure à 10 MPa (MégaPascal). Dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un sous-ensemble selon l’une des revendications précédentes. Dispositif à électronique de puissance d’un véhicule électrique ou hybride selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il est un chargeur de véhicule électrique ou hybride et en ce qu’il comprend un dispositif de refroidissement comprenant une plaque (21) comprenant des canaux de circulation d’un fluide (11) de refroidissement, et en ce que ledit sous-ensemble comprend un fond (10) formé par une partie de la surface de ladite plaque (21). Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif à électronique de puissance selon la revendication 10 ou 11.