Brevet FR3132188A1 — publié le 20230728

Appareil de chauffage électrique de fluide L’invention concerne un appareil de chauffage électrique de fluide, notamment pour un véhicule tel qu’un véhicule automobile, comprenant : - une pluralité d’éléments électriques chauffants (4) agencés pour chauffer le fluide, - un dispositif de pilotage (8) agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des éléments électriques chauffants (4), puis la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des autres éléments électriques chauffants, de sorte que le pilotage à l’aide de signaux PWM ne s’applique qu’à un seul des éléments électriques chauffants à la fois. Figure pour l’abrégé : Figure 2 Appareil de chauffage électrique de fluide La présente invention concerne un appareil de chauffage électrique de fluide, notamment pour un véhicule. Le véhicule peut être de type terrestre, maritime ou aérien. Le véhicule peut être un véhicule automobile. Il pourra s’agir notamment d’un véhicule électrique ou hybride. La présente invention se rapporte notamment aux domaines de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation de l’habitacle du véhicule et/ou de thermo-régulation d’une batterie. Il est connu d’assurer le chauffage de l’air destiné au traitement thermique de l’habitacle d’un véhicule par échange de chaleur entre un flux d’air et un liquide caloporteur, par le biais d’un échangeur thermique. Dans le cas des véhicules hybrides ou électriques, on connait des appareils de chauffage électrique qui forment une source de calories et dans lesquels on fait circuler un courant électrique pour faire monter en température des éléments électriques chauffants mis au contact du liquide caloporteur. Il s’effectue alors un échange de calories entre les éléments électriques chauffants et le liquide caloporteur qui chauffe à son tour avant de chauffer l’habitacle grâce à l’échangeur. Il est connu de piloter la puissance électrique des éléments électriques chauffants à l’aide de plusieurs signaux PWM (le terme PWM désigne, en anglais, Pulse-Width Modulation ou en français Modulation de largeur d'impulsion ) simultanément dont les impulsions PWM respectives sont décalées les unes par rapport aux autres. La présente invention vise à améliorer les appareils de chauffage précités. L’invention a ainsi pour objet un appareil de chauffage électrique de fluide, notamment pour un véhicule tel qu’un véhicule automobile, comprenant : une pluralité d’éléments électriques chauffants agencés pour chauffer le fluide, un dispositif de pilotage agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des éléments électriques chauffants, puis la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des autres éléments électriques chauffants, de sorte que le pilotage à l’aide de signaux PWM ne s’applique qu’à un seul des éléments électriques chauffants à la fois. L’invention permet ainsi de piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique successivement dans les éléments électriques chauffants. Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif de pilotage comporte une pluralité d’interrupteurs électroniques, notamment sous la forme de transistors IGBT (IGBT désignant Insulated Gate Bipolar Transistor en anglais, ou en français Transistor bipolaire à grille isolée ), chaque interrupteur électronique étant associé à l’un des éléments électriques chauffants et agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée à cet élément chauffant. L’invention permet ainsi de faire fonctionner un seul des interrupteurs à la fois, pour piloter la puissance électrique avec des signaux PWM. Les autres interrupteurs ne sont pas sollicités en PWM pendant ce temps, et sont par exemple soit dans un état ouvert, soit dans un état fermé. Par exemple, en fonction de la puissance électrique requise sur les éléments électriques chauffants, l’un seulement des interrupteurs IGBT est en fonctionnement PWM et les autres interrupteurs IGBT sont tous ouverts. Dans un autre mode de fonctionnement, l’un seulement des interrupteurs IGBT est en fonctionnement PWM et certains des autres interrupteurs IGBT sont ouverts et certains sont fermés. Lorsque l’interrupteur est ouvert, l’élément chauffant associé ne voit aucune puissance électrique. Lorsque l’interrupteur est fermé, l’élément chauffant associé voit une puissance électrique prédéterminée. L’invention permet de ne solliciter qu’un seul interrupteur à la fois pour le pilotage en PWM, au lieu par exemple de tous les solliciter en même temps, ce qui permet d’augmenter la durée de vie des interrupteurs. La sollicitation des interrupteurs se fait tour à tour. De plus, les interrupteurs sont actionnés moins souvent entre état fermé et état ouvert, ce qui génère moins de perturbations et permet un meilleur gain en comptabilité électromagnétique (CEM). Selon l’un des aspects de l’invention, lorsque l’interrupteur est dans l’état fermé, l’élément chauffant associé reçoit une puissance électrique prédéterminée comprise entre 1 kW et 3 kW, ou encore entre 3 kW et 5kW. Selon l’un des aspects de l’invention, l’appareil de chauffage reçoit une puissance électrique allant jusqu’à 15 kW. Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif de pilotage est agencé pour utiliser tous les interrupteurs en PWM, l’un après l’autre. L’invention est avantageuse dans le sens où elle permet de solliciter les interrupteurs de manière similaire de sorte que ces interrupteurs présentent une durée de vie similaire. On évite par exemple que l’un des interrupteurs ne soit excessivement sollicités par rapport aux autres, ce qui pourrait faire que cet interrupteur soit hors service prématurément. Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif de pilotage est agencé pour piloter les interrupteurs pour atteindre une valeur de puissance électrique totale appliquée à l’ensemble des éléments chauffants, avec la mise en fonctionnement de l’un des interrupteurs en mode PWM sur un premier intervalle de temps, et la mise des autres interrupteurs soit dans un état ouvert, soit dans un état fermé sur ce premier intervalle de temps. Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif de pilotage est agencé pour permettre que, sur un deuxième intervalle de temps qui suit immédiatement le premier intervalle, l’interrupteur qui était en mode PWM sur le premier intervalle passe dans un état ouvert ou fermé, et l’un des autres interrupteurs qui était dans l’état ouvert ou fermé sur le premier intervalle, passe en mode PWM. Ainsi la puissance électrique totale de l’appareil de chauffage est la somme de la puissance obtenue par modulation en PWM sur l’un des éléments chauffants et de la puissance sur le ou les autres éléments chauffants mis dans l’état fermé. Selon l’un des aspects de l’invention, l’appareil comporte trois éléments électriques chauffants, et le dispositif de pilotage est agencé pour : sur un premier intervalle, piloter l’un des trois interrupteurs en mode PWM et mettre l’un des deux autres interrupteurs dans l’état ouvert et l’autre des deux interrupteurs dans l’état fermé, au début d’un deuxième intervalle qui suit immédiatement le premier intervalle, basculer l’interrupteur qui était dans l’état fermé sur le premier intervalle vers le mode PWM, basculer l’interrupteur qui était en mode PWM sur le premier intervalle vers l’état ouvert, et basculer l’interrupteur qui était sur l’état ouvert sur le premier intervalle vers l’état fermé, au début d’un troisième intervalle qui suit immédiatement le deuxième intervalle, basculer l’interrupteur qui était dans l’état fermé sur le deuxième intervalle vers le mode PWM, basculer l’interrupteur qui était en mode PWM sur le deuxième intervalle vers l’état ouvert, et basculer l’interrupteur qui était dans l’état ouvert sur le deuxième intervalle vers l’état fermé. Selon l’un des aspects de l’invention, les trois intervalles sont égaux en durée. Cette durée est par exemple de 100 ou 500 millisecondes. Selon l’un des aspects de l’invention, sur chaque intervalle en mode PWM, le dispositif de pilotage détermine le rapport cyclique du PWM à appliquer pour atteindre la valeur de puissance électrique requise sur l’élément chauffant associé. Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif de pilotage est agencé pour générer, dans chaque intervalle en mode PWM, une série d’au moins 5, par exemple 9 ou 10, impulsions. Ainsi, après un train d’impulsions, par exemple de 9 ou 10 impulsions, le mode PWM est utilisé pour un autre interrupteur électronique. Par exemple, la durée du premier intervalle est égale à 9 ou 10 fois la période des impulsions PWM. Le nombre d’impulsions par intervalle peut bien entendu être différent, par exemple plus grand que 10. Selon l’un des aspects de l’invention, le fluide qui est contenu dans l’appareil de chauffage est un fluide caloporteur, par exemple un mélange eau et glycol ou de l’huile, ce fluide caloporteur étant destiné à passer dans un échangeur de chaleur distinct de l’appareil de chauffage, cet échangeur de chaleur faisant notamment partie d’un ensemble de climatisation d’un habitacle de véhicule. Selon l’un des aspects de l’invention, chaque élément électrique chauffant comprend une résistance électrique, notamment configurée en forme de spirale. Selon l’un des aspects de l’invention, l’appareil comprend un boîtier dans lequel sont logés les éléments électriques chauffants. L’invention a encore pour objet un ensemble de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation de l’habitacle du véhicule et/ou de thermo-régulation d’une batterie du véhicule, cet ensemble comportant l’appareil de chauffage tel que précité. L’invention a encore pour objet un procédé de chauffage électrique de fluide, notamment pour un véhicule tel qu’un véhicule automobile, comprenant les étapes suivantes : fournir une pluralité d’éléments électriques chauffants agencés pour chauffer le fluide, piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des éléments électriques chauffants, puis la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des autres éléments électriques chauffants, de sorte que le pilotage à l’aide de signaux PWM ne s’applique qu’à un seul des éléments électriques chauffants à la fois. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : – la illustre, schématiquement et partiellement, en coupe, un appareil de chauffage selon un exemple de réalisation de l’invention ; - la illustre, schématiquement et partiellement, le dispositif de pilotage et les interrupteurs de l’appareil de la , - la illustre, schématiquement, les impulsions de pilotage sur l’appareil de la . On a représenté sur la un appareil de chauffage 1 qui sert au chauffage d’un liquide caloporteur, par exemple un mélange eau et glycol ou de l’huile. Cet appareil 1 comprend un boîtier 2 de circulation du fluide et, dans ce boîtier 2, trois éléments chauffants 4 dont deux seulement sont représentés sur la . Cet appareil 1 comporte encore un couvercle 6 portant les éléments chauffants 4, et un dispositif de pilotage 8 de la puissance électrique appliquée aux éléments chauffants 4. Le boîtier 2 loge une première chambre 21 de circulation du fluide, laquelle est agencée pour recevoir les éléments électriques chauffants 4 de manière à ce que le fluide en circulation dans le boîtier 2 soit mis au contact des éléments électriques chauffants 4. Le boîtier 2 loge également une deuxième chambre 22 dans laquelle est logée le dispositif de pilotage 8. Le boîtier 2 loge une troisième chambre 23 qui est séparée de la première chambre 21 au moyen du couvercle 6. Le boîtier 2 est formé, dans l’exemple décrit, par moulage d’aluminium et/ou alliage d’aluminium. Pour assurer la circulation du fluide dans la chambre 21, le boîtier 2 comprend au moins une première tubulure d’entrée (non représentée) et au moins une deuxième tubulure 25 de sortie en communication avec ladite chambre 21. La tubulure d’entrée et la tubulure de sortie 25 sont disposées d’un même côté du boîtier 2, ici au niveau d’un fond 26 du boîtier 2. La tubulure de sortie 25 débouche directement dans la chambre 21 à travers une première lumière 29. La tubulure d’entrée débouche dans la chambre 21 par une deuxième lumière formée à une extrémité de ladite chambre, à l’opposé du fond 26. La tubulure d’entrée comprend un canal (non représenté) longeant longitudinalement la chambre 21 et débouchant dans ladite chambre. Chaque élément électrique chauffant 4 comprend une résistance blindée 41 disposée en spirale ainsi qu’au moins un terminal de connexion 42 destiné à relier ladite résistance à une source d’alimentation en courant. Les éléments électriques chauffants 4 s’étendent longitudinalement dans le boîtier 2. Le couvercle 6 comprend des ouvertures 61 dans lesquelles les éléments électriques chauffants 4 sont montés de telle manière que, pour chacun desdits éléments électriques, la résistance 41 s’étende dans la première chambre 21 et les terminaux 42 s’étendent à travers le couvercle 6 et débouchent dans la troisième chambre 23. La liaison entre le couvercle 6 et les terminaux 42 est étanche. La deuxième chambre 22 est située au-dessus de la première chambre 21, le long de celle-ci, et est obturé au moyen d’un capot supérieur 3. La deuxième chambre 22 comprend des projections verticales 31 ainsi qu’une plateforme 32 formées sur une paroi de séparation 10 entre la deuxième chambre 22 et la première chambre 21. L’appareil de chauffage 1 comprend en outre au moins un capteur de température 33 destiné à donner une information relative à la température du fluide et/ du ou des éléments électriques chauffants 4. Une carte électronique 35 est placée adjacente à la chambre 22. Le dispositif de pilotage 8 est agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des éléments électriques chauffants 4, puis la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des autres éléments électriques chauffants 4, de sorte que le pilotage à l’aide de signaux PWM ne s’applique qu’à un seul des éléments électriques chauffants 4 à la fois. L’invention permet ainsi de piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique successivement dans les éléments électriques chauffants 4. Comme illustré sur la , le dispositif de pilotage 8 comporte trois d’interrupteurs électroniques 36, sous la forme de transistors IGBT (IGBT désignant Insulated Gate Bipolar Transistor en anglais, ou en français Transistor bipolaire à grille isolée ) pour piloter la puissance électrique sur chaque élément chauffant 4. Chaque interrupteur électronique 36 est associé à l’un des éléments électriques chauffants 4 et agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée à cet élément chauffant 4. Il est prévu trois autres transistors IGBT 37, différents des transistors 36, qui assurent une fonction de sécurité, par exemple en cas de surcharge de courant électrique ou de détection de surchauffe, et n’assurent pas une fonction de pilotage à l’instar des transistors 36. Chaque élément chauffant 4 est ainsi en série, à l’une de ses bornes, avec un transistor IGBT 36 et, à l’autre de ses bornes, avec un transistor IGBT 37, formant ainsi une branche 38. Dans l’exemple décrit, l’appareil 1 comprend trois branches 38 en parallèle. Les éléments chauffants 4, et donc les branches 38 respectives, sont connectés à des bornes négatives 50 et positives 51 d’une source électrique, par exemple une batterie du véhicule, pour délivrer une haute tension aux bornes des éléments chauffants 4, cette haute tension étant par exemple de 200 à 1000 volts. L’invention prévoit de faire fonctionner un seul des interrupteurs 36 à la fois, pour piloter la puissance électrique avec des signaux PWM. Les autres interrupteurs 36 ne sont pas sollicités en PWM pendant ce temps, et sont par exemple soit dans un état ouvert, soit dans un état fermé. Par exemple, en fonction de la puissance électrique requise sur les éléments électriques chauffants 4, l’un seulement des interrupteurs IGBT 36 est en fonctionnement PWM, le deuxième interrupteur IGBT 36 est ouvert et le troisième interrupteur 36 est fermé. Lorsque l’interrupteur 36 est ouvert, l’élément chauffant 4 associé ne voit aucune puissance électrique. Lorsque l’interrupteur 36 est fermé, l’élément chauffant 4 associé voit une puissance électrique prédéterminée. L’invention permet de ne solliciter qu’un seul interrupteur 36 à la fois pour le pilotage en PWM, au lieu par exemple de tous les solliciter en même temps, ce qui permet d’augmenter la durée de vie des interrupteurs. La sollicitation des interrupteurs se fait tour à tour. Lorsque l’interrupteur 36 est dans l’état fermé, l’élément chauffant 4 associé reçoit une puissance électrique prédéterminée comprise entre 1 kW et 3 kW, ou encore entre 3 kW et 5 kW. Le dispositif de pilotage 8 est agencé pour utiliser tous les interrupteurs 36 en PWM, l’un après l’autre. Ce dispositif de pilotage 8 comprend en outre un microcontrôleur 39 agencé pour délivrer aux interrupteurs IGBT 36 des signaux PWM pour piloter la puissance électrique appliquée à chaque élément chauffant 4. Les transistors IGBT 36 et le microcontrôleur 39 peuvent être montés sur la carte électronique 35. Comme on peut le voir sur la qui illustre l’évolution dans le temps de signaux de pilotage des transistors IGBT 36, le dispositif de pilotage 8 est agencé pour : sur un premier intervalle I1, piloter l’un des trois interrupteurs 36 en mode PWM (graphe C2) et mettre l’un des deux autres interrupteurs 36 dans l’état ouvert (graphe C3 qui montre le signal à zéro) et l’autre des deux interrupteurs 36 dans l’état fermé (graphe C1 qui montre le signal à 1), au début d’un deuxième intervalle I2 qui suit immédiatement le premier intervalle I1, basculer l’interrupteur 36 qui était dans l’état fermé sur le premier intervalle I1 vers le mode PWM (graphe C1) , basculer l’interrupteur 36 qui était en mode PWM sur le premier intervalle I1 vers l’état ouvert (graphe C2), et basculer l’interrupteur 36 qui était sur l’état ouvert sur le premier intervalle I1 vers l’état fermé (graphe C3), au début d’un troisième intervalle I3 qui suit immédiatement le deuxième intervalle I2, basculer l’interrupteur 36 qui était dans l’état fermé sur le deuxième intervalle I2 vers le mode PWM (graphe C3), basculer l’interrupteur 36 qui était en mode PWM sur le deuxième intervalle I2 vers l’état ouvert (graphe C1), et basculer l’interrupteur 36 qui était dans l’état ouvert sur le deuxième intervalle I2 vers l’état fermé (graphe C2). Le dispositif de pilotage 8 est agencé pour répéter ces étapes le nombre de fois nécessaire. Les trois intervalles I1, I2 et I3 sont égaux en durée. Cette durée est par exemple de 100 à 500 millisecondes. Sur chaque intervalle en mode PWM, le dispositif de pilotage 8 détermine le rapport cyclique du PWM à appliquer pour atteindre la valeur de puissance électrique requise sur l’élément chauffant associé 4. Le dispositif de pilotage 8 est agencé pour générer, dans chaque intervalle I1, I2 et I3 en mode PWM, une série d’au moins de 9 ou 10 impulsions. Par exemple, la durée de chaque intervalle I1, I2 et I3 est égale à 9 ou 10 fois la période des impulsions PWM. Le fluide caloporteur est destiné à passer dans un échangeur de chaleur distinct de l’appareil de chauffage, cet échangeur de chaleur faisant notamment partie d’un ensemble de climatisation d’un habitacle de véhicule. Appareil (1) de chauffage électrique de fluide, notamment pour un véhicule tel qu’un véhicule automobile, comprenant : une pluralité d’éléments électriques chauffants (4) agencés pour chauffer le fluide, un dispositif de pilotage (8) agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des éléments électriques chauffants (4), puis la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des autres éléments électriques chauffants, de sorte que le pilotage à l’aide de signaux PWM ne s’applique qu’à un seul des éléments électriques chauffants à la fois. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de pilotage (8) comporte une pluralité d’interrupteurs électroniques (36), notamment sous la forme de transistors IGBT, chaque interrupteur électronique étant associé à l’un des éléments électriques chauffants (4) et agencé pour piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée à cet élément chauffant. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel lorsque l’un des interrupteur (36) est dans l’état fermé, l’élément chauffant associé reçoit une puissance électrique prédéterminée comprise entre 1 kW et 3 kW, ou encore entre 3 kW et 5 kW. Appareil selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel le dispositif de pilotage (8) est agencé pour piloter les interrupteurs (36) pour atteindre une valeur souhaitée de puissance électrique totale appliquée à l’ensemble des éléments chauffants (4), avec la mise en fonctionnement de l’un des interrupteurs (36) en mode PWM sur un premier intervalle de temps (I1), et la mise des autres interrupteurs (36) soit dans un état ouvert, soit dans un état fermé sur ce premier intervalle de temps. Appareil selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de pilotage (8) est agencé pour permettre que, sur un deuxième intervalle de temps (I2) qui suit immédiatement le premier intervalle (I1), l’interrupteur qui était en mode PWM sur le premier intervalle passe dans un état ouvert ou fermé, et l’un des autres interrupteurs (36) qui était dans l’état ouvert ou fermé sur le premier intervalle, passe en mode PWM. Appareil selon l’une des revendications 4 et 5, comportant trois éléments électriques chauffants (4), dans lequel le dispositif de pilotage est agencé pour : sur un premier intervalle (I1), piloter l’un des trois interrupteurs en mode PWM et mettre l’un des deux autres interrupteurs dans l’état ouvert et l’autre des deux interrupteurs dans l’état fermé, au début d’un deuxième intervalle (I2) qui suit immédiatement le premier intervalle, basculer l’interrupteur qui était dans l’état fermé sur le premier intervalle vers le mode PWM, basculer l’interrupteur qui était en mode PWM sur le premier intervalle vers l’état ouvert, et basculer l’interrupteur qui était sur l’état ouvert sur le premier intervalle vers l’état fermé, au début d’un troisième intervalle (I3) qui suit immédiatement le deuxième intervalle, basculer l’interrupteur qui était dans l’état fermé sur le deuxième intervalle vers le mode PWM, basculer l’interrupteur qui était en mode PWM sur le deuxième intervalle vers l’état ouvert, et basculer l’interrupteur qui était dans l’état ouvert sur le deuxième intervalle vers l’état fermé. Appareil de chauffage selon l’une des revendications précédentes, le fluide qui est contenu dans l’appareil de chauffage étant un fluide caloporteur, ce fluide caloporteur étant destiné à passer dans un échangeur de chaleur distinct de l’appareil de chauffage, cet échangeur de chaleur faisant notamment partie d’un ensemble de climatisation d’un habitacle de véhicule. Appareil de chauffage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque élément électrique chauffant (4) comprend une résistance électrique, notamment configurée en forme de spirale. Ensemble de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation de l’habitacle du véhicule et/ou de thermo-régulation d’une batterie du véhicule, cet ensemble comportant l’appareil de chauffage selon l’une des revendications précédentes. Procédé de chauffage électrique de fluide, notamment pour un véhicule tel qu’un véhicule automobile, comprenant les étapes suivantes : fournir une pluralité d’éléments électriques chauffants (4) agencés pour chauffer le fluide, piloter, à l’aide de signaux PWM, la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des éléments électriques chauffants, puis la puissance électrique appliquée sur l’un seulement des autres éléments électriques chauffants, de sorte que le pilotage à l’aide de signaux PWM ne s’applique qu’à un seul des éléments électriques chauffants à la fois.