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Dispositif de régulation de température d’une pluralité d’éléments électriques et/ou électroniques La présente invention se rapporte au domaine des systèmes électroniques et porte plus particulièrement sur des moyens de traitement thermique associés à plusieurs composants électriques et/ou électroniques formant partie de ces systèmes électroniques.
Un système électronique susceptible d’être concerné par la présente invention peut aussi bien consister en un serveur informatique qu’en une batterie électrique, notamment une batterie de véhicule automobile.
Afin d’assurer le fonctionnement d’un système électronique, par exemple une batterie électrique dont la fonction est notamment de fournir la puissance électrique nécessaire pour mettre en œuvre une propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, un dispositif de stockage électrique formant un composant électrique et/ou électronique du système électronique est configuré pour pouvoir emmagasiner de l’énergie électrique, par exemple lors du rechargement du système électronique lorsque celui-ci est éteint et branché, et fournir de l’énergie électrique lors du fonctionnement du système électronique.
De tels dispositifs de stockage électrique sont susceptibles de dégager la chaleur lors de leur fonctionnement. Ainsi, il est connu d’utiliser des moyens de régulation thermique aptes à refroidir le dispositif de stockage électrique lorsque celui-ci atteint une température trop élevée. Il est plus particulièrement connu de prévoir des moyens de régulation thermiques qui entourent le dispositif de stockage électrique, ou qui sont plaqués contre ce dispositif de stockage électrique. En d’autres termes, les moyens de régulation thermique sont disposés au voisinage du dispositif de stockage électrique, le plus proche possible de ce dernier, afin de s’assurer que des calories dégagées par le dispositif de stockage électrique peuvent être captées par les moyens de régulation thermique.
Des jeux de fabrication et de montage des moyens de régulation thermique peuvent impliquer la présence d’air entre ces derniers et le dispositif de stockage électrique de sorte que les performances d’échange thermique sont diminuées.
L’invention vise ainsi à proposer une solution permettant de répondre à ce problème technique. Par ailleurs, l’invention vise également à tenir compte d’un besoin identifié selon lequel, afin d’assurer un fonctionnement optimal du système électronique, ce dernier doit présenter une température supérieure à un seuil de température minimal, notamment au démarrage du système électronique.
L’invention vise aussi à assurer un traitement thermique homogène pour des dispositifs comportant une pluralité d’éléments électriques et/ou électroniques, afin que les éléments électriques et/ou électroniques constitutifs du dispositif présentent un faible écart de température entre eux.
La présente invention s’inscrit dans ce triple contexte en proposant un dispositif de régulation de température d’une pluralité d’éléments électriques et/ou électroniques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement, le dispositif comprenant : une pluralité de structures, chacune des structures étant définie par une paroi interne définissant un logement configuré pour recevoir au moins partiellement un élément électrique et/ou électronique et une paroi externe séparées de la paroi interne par un espace, caractérisé en ce que chaque structure comprend au moins un premier moyen de traitement thermique configuré pour être en contact avec l’élément électrique et/ou électronique destiné à être agencé dans le logement et au moins un deuxième moyen de traitement thermique, distinct de l’au moins un premier moyen de traitement thermique, configuré pour être en contact avec l’élément électrique et/ou électronique destiné à être agencé dans le logement, l’au moins un premier moyen de traitement thermique et l’au moins un deuxième moyen de traitement thermique étant agencés au sein de l’espace de la structure et une première plaque de distribution raccordée à la pluralité de structures et adaptée à faire circuler un fluide dans l’au moins un premier moyen de traitement thermique.
Le premier moyen de traitement thermique et le deuxième moyen de traitement thermique peuvent ainsi réguler la température de l’élément électrique et/ou électronique.
La paroi interne et la paroi externe de la structure, qui permet de protéger et le cas échéant d’isoler électriquement l’élément électrique et/ou électronique, sont suffisamment espacées l’une par rapport à l’autre afin que le premier moyen de traitement thermique et le deuxième moyen de traitement thermique puissent y être au moins partiellement mis en place. L’un et l’autre des moyens de traitement thermique permettent de participer à l’augmentation ou à la diminution de la température de l’élément électrique et/ou électronique en fonction du moyen de traitement thermique activé. L’élément électrique et/ou électronique est donc maintenu à une température adéquate à son bon fonctionnement.
Plus particulièrement, dans le cas où le système électronique est une batterie électrique, par exemple de véhicule automobile, la présente invention propose un élément électrique et/ou électronique sous forme de dispositif de stockage électrique pour un système électronique sous forme de batterie, le dispositif de stockage électrique comprenant au moins un cœur de stockage électrique configuré pour fournir de l’énergie électrique à la batterie, et une structure logeant le cœur de stockage électrique, la structure étant définie par une paroi interne et une paroi externe séparées entre elles par un espace, caractérisé en ce que le système de stockage électrique comprend au moins un premier moyen de traitement thermique et au moins un deuxième moyen de traitement thermique agencés au sein de l’espace de la structure et aptes à réguler la température du cœur de stockage électrique.
Le premier moyen de traitement thermique et le deuxième moyen de traitement thermique peuvent ainsi réguler la température du cœur de stockage électrique afin que cette dernière soit comprise dans une fourchette de températures permettant d’assurer le fonctionnement optimal du dispositif de stockage électrique, ce qui entraîne, notamment dans un cas d’application à une batterie de véhicule électrique ou hybride, une amélioration de la puissance de fonctionnement, de la capacité de recharge et de l’autonomie de batterie.
Le cœur de stockage électrique permet d’accumuler l’énergie reçue, par exemple lors d’un chargement électrique de l’élément électrique ou électronique. Le cœur de stockage électrique peut ainsi par exemple correspondre à une cellule de batterie électrique rechargeable. Par la suite, lorsque l’élément électrique ou électronique est en fonctionnement, le cœur de stockage électrique transmet l’énergie électrique accumulée au moteur électrique afin de participer au fonctionnement de l’élément électrique ou électronique.
La structure accueillant au moins partiellement le dispositif de stockage électrique dans le logement défini par la paroi interne permet notamment de protéger le cœur de stockage électrique et d’isoler électriquement celui-ci. La structure peut être de forme diverse, dès lors que la forme de la structure épouse au moins partiellement le cœur de stockage électrique. La paroi interne est orientée vers le cœur de stockage électrique tandis que la paroi externe est orientée vers un environnement extérieur au dispositif de stockage électrique.
La première plaque de distribution permet d’assurer une distribution d’un fluide à tous les au moins un premier moyen de traitement thermique pour permettre une température homogène entre les au moins un premier moyen de traitement thermique.
Système électrique pour la conversion de la tension continue et pour la charge des batteries d'un véhicule. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des systèmes électriques destinés à être utilisés dans un véhicule électrique (EV) ou un véhicule électrique hybride (HEV).
La présente invention concerne en particulier un système électrique configuré pour charger et décharger deux batteries du véhicule, dans lequel l'une des batteries a une tension nominale plus élevée que l'autre.
De manière connue, un véhicule électrique ou un véhicule automobile hybride comprend un système de motorisation électrique, alimenté par une batterie d'alimentation haute tension (HT) via un réseau électrique haute tension embarqué, et une pluralité d'équipements électriques auxiliaires alimentés par une batterie d'alimentation basse tension (BT) via un réseau électrique basse tension embarqué. Ainsi, la batterie haute tension assure une alimentation électrique du système de motorisation électrique permettant la propulsion du véhicule. La batterie basse tension alimente les équipements électriques auxiliaires, tels qu'une unité de contrôle électronique (ECU) embarquée, un moteur de lève-vitre, un système multimédia, etc. La batterie haute tension fournit typiquement une tension comprise entre 100 V et 900 V, de préférence entre 400 V et 600 V, tandis que la batterie basse tension fournit typiquement une tension de l'ordre de 12 V, 24 V ou 48 V.
En général, le système électrique d'un véhicule électrique/hybride comprend deux convertisseurs de puissance pour servir d'interface entre différentes sources d'énergie et pour charger les batteries haute tension et basse tension. Les deux convertisseurs de puissance comprennent un chargeur électrique embarqué (OBC) et un convertisseur CC-CC. L'OBC est utilisé pour collecter une tension alternative (AC) à partir d'un réseau électrique externe (par exemple, un réseau AC domestique) et pour la convertir en une tension continue (DC) élevée afin de charger la batterie haute tension. D'autre part, le convertisseur CC-CC, également considéré comme une alimentation auxiliaire (APM), est configuré pour convertir une haute tension provenant de la batterie haute tension en une basse tension afin d'alimenter des accessoires de faible puissance et la batterie basse tension du véhicule.
En général, l'OBC et le convertisseur DC-DC du système électrique sont montés dans le véhicule comme deux dispositifs complètement indépendants, et ont chacun un boîtier individuel et un système de refroidissement individuel. Néanmoins, il existe une demande croissante pour une conception compacte du système électrique, par exemple en réduisant le volume et le poids du système électrique monté dans le véhicule, en réduisant le nombre de composants du système électrique. À cette fin, plusieurs solutions sont alors proposées sur le marché récent.
L'une des solutions consiste à installer les convertisseurs indépendants OBC et DC-DC dans un même boîtier, ce qui leur permet d'utiliser le même système de refroidissement et même les mêmes filtres de compatibilité électromagnétique (CEM). Toutefois, le volume et le poids d'un tel système électrique, ainsi que le nombre de composants (par exemple, les semi-conducteurs, les éléments magnétiques, les interconnexions et les cartes de circuits imprimés (PCB)) doivent encore être réduits.
D'autres solutions connues peuvent permettre au système électrique de comporter moins de composants. Cependant, de tels systèmes électriques présentent des inconvénients importants tels que des ondulations dans le courant à fournir aux batteries, une dissipation de puissance, un manque d'isolation galvanique entre certains composants du système électrique, un manque de modularité en termes de conception de la structure du système électrique, etc.
Dans ce contexte, l'objectif principal de la présente invention est de fournir un système électrique configuré pour charger et décharger une batterie haute tension et une batterie basse tension d'un véhicule tout en surmontant au moins une partie des inconvénients susmentionnés.
La présente invention concerne un système électrique d'un véhicule électrique ou d'un véhicule électrique hybride, le système électrique étant connecté à un convertisseur de correction du facteur de puissance (PFC) et configuré pour charger et décharger une première batterie et une seconde batterie du véhicule ; la première batterie ayant une tension nominale plus élevée que la seconde batterie ; le système électrique comprenant :
un transformateur comprenant des enroulements primaires, des premiers enroulements secondaires et des enroulements tertiaires ; le transformateur étant un transformateur multiphase ;
un circuit primaire LLC comprenant un premier pont en H multiphasé pour commander les enroulements primaires ; le circuit primaire LLC étant connecté au convertisseur PFC ;
une partie HVDC couplée au circuit primaire LLC, aux premiers enroulements secondaires et à la première batterie, de manière à permettre l'échange d'énergie avec la première batterie ; la partie HVDC comprenant un second pont en H multiphasé configuré pour commander les premiers enroulements secondaires ;
une partie LVDC couplée aux enroulements tertiaires du transformateur et à la seconde batterie de façon à permettre un échange d'énergie avec la seconde batterie ; la partie LVDC comprenant un redresseur configuré pour commander les enroulements tertiaires du transformateur.
Par conséquent, la présente invention fournit un système électrique modulaire configuré pour charger et décharger une batterie haute tension et une batterie basse tension d'un véhicule.
Selon un mode de réalisation, le système électrique comprend un premier circuit résonnant qui comprend des condensateurs de résonance, des premières inductances de magnétisation et des premières inductances résonnantes couplées aux enroulements primaires du transformateur ; les condensateurs de résonance étant connectés entre le premier pont en H multiphasé et les inductances résonnantes ; les condensateurs de résonance et les inductances résonnantes sont en série avec les enroulements primaires ; le premier circuit résonnant étant un circuit résonnant multiphasé.
L’ensemble 10 est dimensionné radialement de sorte qu’il subsiste un jeu radial 15 entre l’ensemble 10 et l’alésage 12 du carter, l’ensemble 10 étant ainsi monté axialement libre. L’ensemble 10 n’est donc pas emmanché à force dans l’alésage 12 du carter.
Le moteur 2 comprend un moyen de retenue 16 fixé sur le carter 4 et faisant saillie radialement vers l’intérieur par rapport à l’alésage 12 du carter. Le moyen de retenue 16 se présente ici sous la forme d’un anneau de retenue ou circlip. En variante, le moyen de retenue 16 pourrait être formé monobloc avec le carter 4, et par exemple formé par un épaulement de ce dernier.
Le moteur 2 comprend un ressort 18 interposé axialement entre l’ensemble 10 et le moyen de retenue 16. Le ressort 18 est en contact avec le moyen de retenue 16 d’une part, et l’ensemble 10 de brosse de mise à la terre d’autre part. Dans l’exemple de réalisation illustré, le ressort 18 est un ressort hélicoïdal présentant des spires à section rectangulaire. Alternativement, il est possible de prévoir des spires présentant d’autres section, par exemple carré ou circulaire. Alternativement, le ressort pourrait être formé par un empilement de rondelles coniques Belleville.
Lors du fonctionnement du moteur 2, l’ensemble 10 de brosse de mise à la terre est en contact avec l’arbre 6 et vient en contact avec une face frontale 20 du palier 8 de sorte que les charges électriques s’accumulant sur l’arbre 4 pendant le fonctionnement du moteur 2 sont dissipées. Les charges sont transférées depuis l’arbre 6 vers la plaque de montage 28 et le support 24 de l’ensemble 10 de brosse de mise à la terre, puis de l’ensemble 10 vers le ressort 18, puis du ressort 18 vers le moyen et retenue 16 et enfin du moyen de retenue 16 vers l’alésage 12 du carter.
Comme illustré plus visiblement à la , l’ensemble 10 de brosse de mise à la terre présente une forme générale annulaire. L’ensemble 10 comprend une brosse 22 de mise à la terre comprenant un support 24 et des fibres conductrices 26, ainsi qu’une plaque de montage 28, le support 24 logeant les fibres conductrices 26.
La brosse 22 comprend une pluralité de fibres individuelles conductrices 26 destinées à venir autour de l’arbre 6 du moteur 2. Les fibres conductrices 26 sont par exemple réalisées en carbone, acier inoxydable, plastique conducteurs, tels que des fibres acryliques ou en nylon. La pluralité de fibres conductrices 26 se présente sous la forme d’un anneau ouvert. Dans l’exemple illustré, les fibres conductrices 26 sont pliées autour d’un fil de liaison 30. L’extrémité distale libre des fibres conductrices 26 est destinée à venir en contact radial avec la surface cylindrique externe 14 de l’arbre 6.
Pour assurer le montage et la retenue des fibres conductrices 26, le support 24 comprend une portion de montage 32, un premier rebord latéral 34 prolongeant la portion de montage 32 d’une part et un deuxième rebord latéral 36 prolongeant la portion de montage 32 d’autre part.
La plaque de montage 28 présente une forme annulaire. La plaque de montage 28 s’étend sensiblement radialement. La plaque de montage 28 comprend une portion radiale 38 annulaire s’étendant radialement en saillie vers l’extérieur par rapport à la portion de montage 32 du support 24. La portion radiale 38 comprend deux faces frontales 40, 42 opposées délimitant son épaisseur axiale. L’extrémité libre 44 de la portion radiale 38 définit le diamètre extérieur de l’ensemble 10 de brosse de mise à la terre. L’extrémité libre 44 de la portion radiale 38 est le bord de grand diamètre de la portion radiale 38. Le jeu radial 15 ( ) subsiste entre l’extrémité libre 44 de la portion radiale 38 et l’alésage 12 du carter.
Dans l’exemple de réalisation illustré, la plaque de montage 28 est réalisée en une seule pièce avec le support 24. La plaque de montage 28 est donc solidaire du support 24. Le premier rebord latéral 34 prolonge un bord de petit diamètre de la portion radiale 38. Le premier rebord latéral 34 est replié et vient en appui contre la portion radiale 38 pour former un pli et obtenir localement une épaisseur double de matière. Le premier rebord latéral 34 vient en appui contre la face frontale 42 de la portion radiale 38.
La portion de montage 32 prolonge le premier rebord latéral 34 axialement du côté opposé à la portion radiale 38. La portion de montage 32 prolonge un bord de grand diamètre du premier rebord latéral 34. La portion de montage 32 s’étend ici axialement. Alternativement, la portion de montage 32 pourrait s’étendre obliquement.
Le deuxième rebord latéral 36 prolonge radialement vers l’intérieur la portion de montage 32. Le deuxième rebord latéral 36 prolonge la portion de montage 32 du côté opposé au premier rebord latéral 34.
La portion de montage 32 et les premier et deuxième rebords latéraux 34, 36 sont de forme annulaire et délimitent un canal ouvert radialement du côté intérieur et à l’intérieur duquel est située une extrémité des fibres conductrices 26. Les premier et deuxième rebords latéraux 34, 36 enserrent axialement les fibres conductrices 26. Les fibres conductrices 26 sont axialement en appui de part et d’autre contre les premier et deuxième rebords latéraux 34, 36.
Dans l’exemple de réalisation illustré, les fibres conductrices 26 viennent radialement en appui contre la portion de montage 32, les premier et deuxième rebords latéraux 34, 36 s’étendant obliquement vers l’intérieur à partir de la portion de montage 32. En variante, les premier et deuxième rebords latéraux 34, 36 pourraient s’étendre radialement.
La portion radiale 38, le premier rebord latéral 34, la portion de montage 32 et le deuxième rebord latéral 36 sont réalisés monoblocs, par exemple réalisés par découpe et par emboutissage d’un matériau électriquement conducteur, tel que par exemple de l’aluminium, acier inoxydable, bronze, cuivre ou autre matériau.
La face frontale 40 de la portion radiale 38 vient en appui axial contre la face frontale 20 du palier 8 ( ). La face frontale 42 vient en appui axial contre le ressort 18. Le ressort 18 forme un moyen de précontrainte axiale de l’ensemble 10 contre le palier 8. De préférence, le ressort 18 exerce sur le moyen de retenue 16 un effort de précontrainte axiale supérieur au couple de frottement exercé par les fibres conductrices 26 sur l’arbre 6.
Par exemple, comme illustré sur les figures 12, 13, 15, 16, les entrefers 61 sont tous situés à proximité de la deuxième demi-noyau 5b, ou avantageusement, sont respectivement très proches du bas de la deuxième sous-manche 51b, 52b, 53b. Les premières sous-limites 51a, 52a, 53a présentent chacune une longueur très supérieure à celle de la deuxième sous-limite 51b, 52b, 53b correspondante. En revanche, selon d'autres exemples illustrés aux figures 14 et 17, la lame d'air 61 du membre médian 52 est située à proximité de la première demi-noyau 5a (ou avantageusement, est très proche du bas du premier sous-manche 52a) tandis que les lames d'air 61 des membres (51 ou 53) adjacents au membre médian 52 sont situées à proximité de la deuxième demi-noyau 5b. En variante, les lames d'air 61 sont toutes situées à proximité de la première demi-noyau 5a, ou avantageusement, sont respectivement très proches du bas du premier sous-manche 51a, 52a, 53a. En variante, l'entrefer 61 du membre médian 52 est situé à proximité de la deuxième demi-noyau 5b (ou avantageusement, est très proche du bas du deuxième sous-manche 52b) tandis que les entrefers 61 des membres (51 ou 53) adjacents au membre médian 52 sont situés à proximité de la deuxième demi-noyau 5b.
Les figures 13 à 17 illustrent respectivement une des cinq options de câblage pour câbler sur le noyau magnétique 5 les enroulements du transformateur 20. Dans chacune des cinq options de câblage, un des enroulements primaires P1 à P3, un des premiers enroulements secondaires S1 à S3, et un des enroulements tertiaires (T1a-T1b, T2a-T2b, T3a-T3b, ou T1 à T3) sont enroulés autour d'une des branches 51 à 53 du noyau magnétique 5.
Les symboles " x " et " ● " des figures 13 à 17 indiquent deux sens de câblage opposés. Plus précisément, le symbole "x" indique qu'un fil de l'un des enroulements du transformateur 20 entre vers le noyau magnétique 5, par exemple selon une première direction 71 de la face avant 55 vers la face arrière du noyau magnétique 5. Le symbole "●" indique qu'un fil d'un des enroulements du transformateur 20 sort du noyau magnétique 5, par exemple selon une deuxième direction opposée à la première direction 71 et de la face arrière vers la face avant 55 du noyau magnétique 5.
La illustre une première option de câblage selon l'invention.
De préférence, les enroulements primaires P1, P2, P3 et les premiers enroulements secondaires S1, S2, S3 sont des fils de Litz. Un fil de Litz est un conducteur électrique constitué de fils simples torsadés. Les fils de Litz des enroulements primaires P1, P2, P3 et des premiers enroulements secondaires S1, S2, S3 sont constitués de connexions en série entre plusieurs spires. De plus, pour chacune des branches du noyau magnétique 5, le premier enroulement secondaire correspondant (P1, P2 ou P3) est pris en sandwich entre deux jeux de spires de l'enroulement tertiaire du transformateur 20. Par exemple, le premier enroulement secondaire S1 est pris en sandwich entre deux ensembles de tours T1a, T1b de l'enroulement tertiaire T1a-T1b, dans lequel les deux ensembles de tours T1a, T1b sont les deux enroulements auxiliaires T1a, T1b de l'enroulement tertiaire T1a-T1b.
Les enroulements tertiaires du transformateur 20 sont de préférence des conducteurs plats. Avantageusement, afin de répartir un courant élevé requis par les enroulements tertiaires, chacun desdits enroulements tertiaires comprend des conducteurs plats en parallèle. En d'autres termes, les enroulements tertiaires sont respectivement agencés en comprenant des spires connectées en parallèle.