EP3213597A1 - Dispositif de chauffage pour unite de climatisation pour vehicule automobile - Google Patents

Dispositif de chauffage pour unite de climatisation pour vehicule automobile

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Publication number
EP3213597A1
EP3213597A1 EP15778338.2A EP15778338A EP3213597A1 EP 3213597 A1 EP3213597 A1 EP 3213597A1 EP 15778338 A EP15778338 A EP 15778338A EP 3213597 A1 EP3213597 A1 EP 3213597A1
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EP
European Patent Office
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heating device
resistive track
support
bridge
inverter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15778338.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bertrand Puzenat
Laurent Tellier
Didier Barat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Publication of EP3213597A1 publication Critical patent/EP3213597A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings
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    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids

Definitions

  • the present invention relates to a heating device for air conditioning unit. It finds a particular but non-limiting application in motor vehicles.
  • Conventional motor vehicles include a heat engine that delivers a sufficient number of calories to heat water passing through a heater. This heating device cooperates with a water-air heat exchanger which provides heated air to the passenger compartment of the motor vehicle.
  • More and more electric and hybrid motor vehicles are offered by motor vehicle manufacturers seeking to reduce the CO2 consumption rate of said motor vehicles.
  • a disadvantage of these electric and hybrid vehicles is that they can not heat the water passing through a heating device like conventional vehicles because they do not have a heat engine or because the heat engine used for the hybridization does not provide not the number of calories sufficient for the heating of the motor vehicle because its efficiency is very efficient and there is therefore not much heat losses to recover for said heating.
  • the present invention aims to solve the aforementioned drawback.
  • the invention proposes a heating device for an air conditioning unit, according to which the heating device comprises:
  • At least one module provided with a resistive track and a support, said resistive track being adapted to be powered by a current delivered by a DC power source;
  • This DC power source used to supply the motor vehicle's electric motor as a power source for the heater.
  • This DC power source provides a voltage substantially equal to 400 volts which is much higher than the DC power source used in vehicles with 12 volts thermal engine to power the vehicle's onboard network.
  • this high-voltage continuous power source enables the heating device to provide sufficient power to heat a liquid that will allow the heat exchanger of the vehicle to pass through a water-air heat exchanger.
  • an inverter is used which makes it possible to obtain an alternating current at the terminals of the heating device from said continuous supply source. This avoids significant potential differences that may occur between different parts of the resistive track of the module due to the DC current delivered by the DC power source.
  • heating may further comprise one or more additional characteristics from the following: According to a non-limiting embodiment, said resistive track forms track portions contiguous with each other on said support.
  • the inverter comprises a double half-bridge.
  • the double half-bridge is composed of IGBT transistors or MOSFET transistors.
  • each half-bridge comprises two transistors, a transistor of each half-bridge being adapted to be modulated in pulse width at a modulation frequency higher than the operating frequency of said inverter.
  • each half-bridge comprises two transistors, a transistor of each half-bridge being adapted to be driven in a closed state for a time less than or equal to the half-period of operation of said inverter.
  • the support comprises an electrical insulator on which is disposed said resistive track.
  • the heating device comprises two modules each provided with a resistive track and a support.
  • the DC power source is a battery of a motor vehicle.
  • the DC power source provides a voltage of between 250 volts and 450 volts.
  • the support is of cylindrical shape and the resistive track is positioned on the outer surface of said support.
  • the support is of cylindrical shape and the resistive track is positioned on the inner surface of said support.
  • the resistive track is screen printed.
  • the support is made of stainless steel or aluminum.
  • an air conditioning unit for a motor vehicle comprising a heater according to any one of the preceding features.
  • FIG. 1 represents a diagram of a heating device for an air conditioning unit of a motor vehicle, said heating device comprising an inverter and at least one module with a resistive track, according to a non-limiting embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents an exploded perspective view of a heating device of FIG. 1 with additional elements according to one nonlimiting embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates a module of the heating device of FIG. 1 or 2, comprising a resistive track according to a first nonlimiting embodiment
  • FIG. 4 illustrates a module of the heating device of FIG. 1 or 2, comprising a resistive track according to a second nonlimiting embodiment
  • FIG. 5 is a first electrical diagram according to a first non-limiting embodiment of the inverter connected to a resistive track of a module of the heating device of FIG. 1;
  • FIG. 6 is a second electrical diagram according to a first non-limiting embodiment of the inverter connected to a resistive track of a module of the heating device of FIG. 1;
  • Figure 7 is an electrical diagram according to a second non-limiting embodiment of the inverter connected to two resistive tracks of two modules of the heater of Figure 1;
  • FIG. 8 is a first timing diagram illustrating the control of electronic switches of the inverter of FIGS. 5, 6 or 7 according to a first nonlimiting embodiment.
  • FIG. 9 is a second timing diagram which illustrates the control of electronic switches of the inverter of FIGS. 5, 6 or 7 according to a second nonlimiting embodiment.
  • the heating device 10 for a motor vehicle V is illustrated schematically in FIG.
  • motor vehicle we mean any type of motorized vehicle.
  • the heating device 10 is disposed in the engine compartment of the motor vehicle 2.
  • the heating device 10 comprises:
  • At least one module 1 1 provided with a resistive track 1 10 and a support 1 1 1;
  • the heating device 10 is powered by a DC power source 2.
  • the DC power source is a battery Bat of the motor vehicle V.
  • the heater 10 cooperates with a vehicle water-to-air heat exchanger to provide heated air into the passenger compartment of said vehicle.
  • the resistive track 1 10 will indeed heat a liquid L flowing along the walls of the module 1 1. Said liquid L thus heated by the thermal energy released by the track 1 10 will be transported via a set of pipes to a radiator 31 of the water-air exchanger 30 which is located at the vehicle interior.
  • This water-air heat exchanger 30 also comprises an air blower 32 for drawing air through the radiator 30. This air will thus be heated in contact with the radiator 31.
  • FIG. 2 illustrates the heating device 10 according to a non-limiting embodiment in which said heating device 10 comprises two modules 1 1, 12, each module 1 1, 12 respectively comprising a resistive track 1 10, 120 disposed on a support 1 1 1, 121.
  • the heating device further comprises:
  • a printed circuit board 100 (referred to in English as a "Printed Circuit Board” PCB) adapted to receive the inverter 13 and to be connected to a connector 21 of the DC supply source 2;
  • a mechanical liquid separating device 101 which comprises an inlet pipe 102 for receiving said liquid L in the cold state (L1), separating it in two (flows Li a and L1b illustrated), and guiding the two flows Li a and L1 b respectively in the two modules 1 1, 12;
  • the two modules 1 1, 12 are arranged in a housing 103 which rests on a base 105 of the mechanical liquid separating device 101. Furthermore, the PCB plate is inserted into a cavity of said mechanical liquid separator device 101 and a closure cap 106 allows to close said cavity to protect said PCB plate.
  • the modules 1 1, 12 and the inverter 13 of the heating device 10 are described in detail below.
  • the supports 1 1 1, 121 are in aluminum or stainless steel. This makes it possible to have good thermal conduction between the resistive tracks 1 10, 120 and the liquid L, which makes it possible to heat the said liquid L.
  • other metals which are also good thermal conductors can be used.
  • the resistive tracks 1 10, 120 are screen printed. This makes it possible to obtain a small thickness of track, and to obtain a good density of power in little volume.
  • modules are in the form of a tube (as described below), this facilitates the installation of a resistive track for heating water on a curved surface, in contrast to conventional resistors that would be difficult to weld on such a surface.
  • the supports 1 1 1, 121 comprise an electrical insulator (not shown) on which are disposed said resistive tracks 1 10, 120.
  • the electrical insulation is an insulating varnish.
  • the modules 1 1, 12 have a cylindrical shape, as illustrated in FIGS. 1 to 4.
  • a track 1 10, 120 is positioned on the outer surface Se of said support 1 1 1, 121.
  • the liquid L can thus pass inside this cylindrical shape and the resistive track 1 10, 1 20 will thus allow to heat said liquid L which licks the inner wall of the cylinder 1 1, 12.
  • a track 1 10, 120 is positioned on the inner surface Si of said support 1 1 1, 121.
  • a fluid can thus pass outside this cylindrical shape and the resistive track 1 1 0, 120 will thus allow to heat the fluid flowing along the outer wall of the cylinder 1 1, 12.
  • the resistive tracks 1, 10, 120 form each of the track portions 1 1 10-1 1 10 ', 1210-1210' contiguous to one another on each other. their support 1 1 1, 121. This allows to cover optimally the entire surface of the cylinder 1 1, 12 and thus to heat the liquid L homogeneously. This gives a very good performance in terms of temperature obtained from the liquid L relative to the power delivered by a track 1 10, 120.
  • a resistive track 1 10, 120 comprises contiguous segments at right angles.
  • a resistive track 1 10, 120 includes segments joined by an arc.
  • a module January 1, 12 further comprises connectors c1, c2 adapted to connect a resistive track 1 10, 120 to the inverter 13.
  • the inverter 13 is described with reference to FIGS. 1 and 5 to 7.
  • the inverter 13 is connected to the resistive tracks 1 1 1, 121 of the modules 1 1 and 12, and also to a DC power supply 2.
  • This DC power source 2 is thus adapted to deliver a current il which supplies the inverter 13 and consequently the resistive tracks 1 1 1 and 121.
  • the continuous power supply 2 is the battery Bat of the motor vehicle V and in particular that which makes it possible to supply an electric motor of the motor vehicle V.
  • the power source 2 provides a voltage between 250 volts and 450 volts.
  • the low limit of 250 Volts represents the Bat battery when discharged, while the high limit of 450 Volts represents the battery Bat when it is reloaded.
  • the nominal voltage supplied is equal to 400 volts.
  • the DC power source 2 can not be the battery of the 12-volt vehicle used to power the on-board network of the motor vehicle. Indeed, at the same power, the supply current would be too strong, of the order of 100 amperes and require resistive tracks 1 1 1, 121 of too great thickness or would lead to overheating of these tracks with the risk that they do not burn.
  • the resistive tracks 1 1 1 and 121 are electrically connected to the 400 Volts network via the inverter 13. It will be noted that there may be current leakage between the two inner Si and outer surfaces Se of a module January 1, 12 because the liquid L passing through the modules 1 10, 120 may inadvertently be in contact with metal elements of the vehicle and thus with the vehicle body which is connected to the 12V network.
  • a module January 1, 12 comprises a galvanic isolation between the interior and exterior of said support 1 1 1, 121 cylindrical.
  • the resistive track 1 10, 120 travels over a long length of the corresponding module 1 1, 12 with parts 1 1 10, 1210 tracks contiguous with each other on the support 1 1 1, 121 as described above. This gives a maximum power P on a given surface.
  • the resistive track 1 10, 120 Given the high continuous voltage (400 Volts nominal) applied to a resistive track 1 10, 120, there may be significant differences in potential between the proximity areas 1 1 10-1 1 10 ', 1 210-1210' ( illustrated in Figures 3 and 4), of the order of 30 to 50 volts. These large potential differences can result in surface electrochemical migrations (ECM). This phenomenon, which is directly dependent on the high degree of potential (expressed in volts per unit length), is also amplified with humidity, a high temperature and the degree of environmental pollution.
  • ECM surface electrochemical migrations
  • An electrochemical migration MEC is characterized by the movement of metal ions between metal conductors, here the different parts of the resistive track which are close to each other, in order to form what are called dendrites.
  • the formation of dendrites creates a surface current between the zones of proximity, on the surface of the support 1 1 1, 121. This surface current can attack the insulation varnish that can crack and no longer fulfill its insulation function, but also can degrade the resistive tracks 1 10, 120 themselves.
  • the inverter 13 is used which periodically reverses the current flowing along a resistive track so that the average current flowing in a resistive track ( or several resistive tracks) is zero. This prevents metal ions from migrating.
  • the inverter 13 comprises a double half bridge also called H bridge, as shown in Figures 5, 6 and 7.
  • the double half-bridge is composed of electronic switches that are IGBT transistors or MOSFET transistors.
  • a first half-bridge comprises two transistors S1-S4 and a second half-bridge comprises two transistors S2-S3.
  • the double half-bridge makes it possible to drive a load 1 10, 120.
  • Transistors S3 and S4 are connected to 0V, while transistors S1 and S2 are connected to 400 Volts.
  • a driver circuit (called “driver” in English) is used. It is disposed on the printed circuit board 100 seen previously.
  • the four transistors S1 to S4 are discrete components or part of a power module that also integrates the driver circuit.
  • an H-bridge 13 is associated with each track. As illustrated in FIG. 5 and FIG. 6, a first H-bridge is associated with lane 1 10. A second H-bridge (not shown) is associated with lane 120. Thus, each H-bridge allows drive the current it in each resistive track.
  • an H-bridge 13 is associated with the two tracks which are arranged in parallel, as illustrated in FIG. 7.
  • a single H-bridge makes it possible to drive the current there for both tracks.
  • the transistors S1 and S4 are shown in the closed state while the transistors S2 and S3 are in the open state.
  • a transistor, for example S4 (respectively S3), of each half-bridge is modulated in pulse width at a modulation frequency f1 greater than the frequency operating mode f2 of said inverter 13, while the other transistor, for example S1 (respectively S2) is controlled in a closed state (illustrated state "1") for a time equal to the half-operating period T2 (operating period T2 corresponding to the operating frequency f2).
  • the operating frequency f2 is also called the frequency of the inverter.
  • the operating frequency f 2 is equal to 0.2 Hz and the modulation frequency f 1 is equal to 2 Hz, which corresponds to a modulation period T1 equal to 500 ms.
  • the ratio between f1 and f2 is ten.
  • a relatively low modulation frequency f1 is chosen because it allows:
  • a relatively low operating frequency f 2 is chosen because this allows:
  • a transistor, for example S4 (respectively S3) of each half-bridge is driven in a closed state (illustrated state "1") for a time t1 less than or equal to the half-period of operation T2 of said inverter 13, while the other transistor, for example S1 (respectively S2) is driven in a closed state (illustrated state "1") for a time equal to the half-period operating T2.
  • the modulation frequency f1 is equal to twice the operating frequency f2, namely the corresponding period T1 is equal to half the operating period of the inverter T2 (also called period of the inverter). The closer the time t1 is to the half-period of operation T2, the more the power P supplied is close to the maximum.
  • the operating frequency f 2 is equal to 2 Hz.
  • the power P supplied is maximum, in the cited example equal to 2000 Watts for each resistive track 1 10, 120.
  • the power P supplied is lower than the maximum power of 2000 Watts.
  • Ai n s i by acting on the closing time of a single electronic switch S4, S3 out of two (in a half-bridge), thus modulates the power P supplied.
  • the heating device may further comprise a capacitive filtering system of the alternating current so as to smooth said alternating current, said capacitive filtering system being disposed at the output of said inverter. This avoids creating spurious signals.
  • the invention has been described in the context of a heating device for heating a liquid.
  • the heating device is adapted to heat air.
  • the PCB plate can be replaced by an insulated metal substrate SMI, a ceramic substrate, or a metal lead grid (called “leadframe”).

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de chauffage (10) pour unité de climatisation (1). Elle se caractérise en ce que le dispositif de chauffage (10) comprend : - au moins un module (11, 12) muni d'une piste résistive (110, 120) et d'un support (111, 121), ladite piste résistive (110, 120) étant adaptée pour être alimentée par un courant (i) délivré par une source d'alimentation électrique continue (2); - un onduleur (13) adapté pour : - être connecté à ladite piste résistive (10) et à ladite source d'alimentation électrique continue (2); - modifier périodiquement le sens dudit courant (i) alimentant ladite piste résistive (110, 120).

Description

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE POUR UNITE DE CLIMATISATION POUR
VEHICULE AUTOMOBILE
DOMAI N E TECH N I QU E D E L' I NVE NTION
La présente invention concerne un dispositif de chauffage pour unité de climatisation. Elle trouve une application particulière mais non limitative dans les véhicules automobiles.
ARR I È RE- P LAN TECH NOLOG IQ U E D E L' I NVE NTION
Les véhicules automobiles classiques comprennent un moteur thermique qui délivre un nombre de calories suffisant pour chauffer de l'eau traversant un dispositif de chauffage. Ce dispositif de chauffage coopère avec un échangeur thermique eau-air qui permet de fournir de l'air chauffé à l'habitacle du véhicule automobile.
De plus en plus de véhicules automobiles électriques et hybrides sont proposés par les constructeurs de véhicules automobiles qui cherchent à diminuer le taux de consommation en CO2 desdits véhicules automobiles. Un inconvénient de ces véhicules électriques et hybrides est qu'ils ne peuvent chauffer l'eau traversant un dispositif de chauffage comme les véhicules classiques parce qu'ils ne comportent pas de moteur thermique ou parce que le moteur thermique utilisé pour l'hybridation ne fournit pas le nombre de calories suffisant pour le chauffage du véhicule automobile car son rendement est très efficace et il n'y a donc pas beaucoup de pertes calorifiques à récupérer pour ledit chauffage.
Dans ce contexte, la présente invention vise à résoudre l'inconvénient précédemment mentionné. DESC RI PTION G EN E RALE DE L' I NVE NTION
A cette fin l'invention propose un dispositif de chauffage pour unité de climatisation, selon lequel le dispositif de chauffage comprend :
- au moins un module muni d'une piste résistive et d'un support, ladite piste résistive étant adaptée pour être alimentée par un courant délivré par une source d'alimentation électrique continue ;
- un onduleur adapté pour :
- être connecté à ladite piste résistive et à ladite source d'alimentation électrique continue ;
- modifier périodiquement le sens dudit courant alimentant ladite piste résistive.
Ainsi, comme on va le voir en détail ci-après, on utilise la source d'alimentation électrique continue utilisée pour alimenter le moteur électrique du véhicule automobile comme source d'alimentation pour le dispositif de chauffage. Cette source d'alimentation continue fournit une tension sensiblement égale à 400 Volts qui est bien supérieure à la source d'alimentation continue utilisée dans les véhicules à moteur thermique de 12 Volts pour alimenter le réseau de bord desdits véhicules. En conséquence, cette source d'alimentation continue haute tension permet au dispositif de chauffage de fournir une puissance suffisante pour chauffer un liquide qui va permettre au travers d'un échangeur thermique eau-air de chauffer l'habitacle du véhicule.
Par ailleurs, on utilise un onduleur qui permet d'obtenir un courant alternatif aux bornes du dispositif de chauffage à partir de ladite source d'alimentation continue. Cela permet d'éviter des différences de potentiel importantes qui peuvent apparaître entre différentes parties de la piste résistive du module en raison du courant continu délivré par la source d'alimentation continue. Selon des modes de réalisation non limitatifs, le dispositif de
chauffage, peut comporter en outre une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires parmi les suivantes : Selon un mode de réalisation non limitatif, ladite piste résistive forme des parties de piste contigues entre elles sur ledit support.
Selon un mode de réalisation non limitatif, l'onduleur comprend un double demi-pont.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le double demi-pont est composé de transistors IGBT ou de transistors MOSFET.
Selon un premier mode de réalisation non limitatif, chaque demi-pont comprend deux transistors, un transistor de chaque demi-pont étant adapté pour être modulé en largeur d'impulsion à une fréquence de modulation supérieure à la fréquence de fonctionnement dudit onduleur.
Selon un deuxième mode de réalisation non limitatif, chaque demi-pont comprend deux transistors, un transistor de chaque demi-pont étant adapté pour être piloté dans un état fermé pendant un temps inférieur ou égal à la demi-période de fonctionnement dudit onduleur.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le support comprend un isolant électrique sur lequel est disposée ladite piste résistive.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage comporte deux modules muni chacun d'une piste résistive et d'un support. Selon un mode de réalisation non limitatif, la source d'alimentation électrique continue est une batterie d'un véhicule automobile. Selon un mode de réalisation non limitatif, la source d'alimentation électrique continue fournit une tension comprise entre 250 Volts et 450 Volts.
Selon un premier mode de réalisation non limitatif, le support est de forme cylindrique et la piste résistive est positionnée sur la surface externe dudit support.
Selon un deuxième mode de réalisation non limitatif, le support est de forme cylindrique et la piste résistive est positionnée sur la surface interne dudit support.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la piste résistive est sérigraphiée.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le support est en inox ou en aluminium.
Il est en outre proposé une unité de climatisation pour véhicule automobile comprenant un dispositif de chauffage selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.
- la figure 1 représente un schéma d'un dispositif de chauffage pour unité de climatisation d'un véhicule automobile, ledit dispositif de chauffage comprenant d'un onduleur et au moins un module avec une piste résistive, selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention ; la figure 2 représente une vue éclatée en perspective d'un dispositif de chauffage de la figure 1 avec des éléments supplémentaires selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention ;
la figure 3 illustre un module du dispositif de chauffage de la figure 1 ou 2, comprenant une piste résistive selon un premier mode de réalisation non limitatif ;
la figure 4 illustre un module du dispositif de chauffage de la figure 1 ou 2, comprenant une piste résistive selon un deuxième mode de réalisation non limitatif ;
la figure 5 est un premier schéma électrique selon un premier mode de réalisation non limitatif de l'onduleur connecté à une piste résistive d'un module du dispositif de chauffage de la figure 1 ;
la figure 6 est un deuxième schéma électrique selon un premier mode de réalisation non limitatif de l'onduleur connecté à une piste résistive d'un module du dispositif de chauffage de la figure 1 ;
la figure 7 est un schéma électrique selon un deuxième mode de réalisation non limitatif de l'onduleur connecté à deux pistes résistives de deux modules du dispositif de chauffage de la figure 1 ;
la figure 8 est un premier chronogramme qui illustre le pilotage d'interrupteurs électroniques de l'onduleur des figures 5, 6 ou 7 selon un premier mode de réalisation non limitatif ; et
La figure 9 est un deuxième chronogramme qui illustre le pilotage d'interrupteurs électroniques de l'onduleur des figures 5, 6 ou 7 selon un deuxième mode de réalisation non limitatif.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Les éléments identiques, par structure ou par fonction, apparaissant sur différentes figures conservent, sauf précision contraire, les mêmes références.
Le dispositif de chauffage 10 pour véhicule automobile V est illustré schématiquement sur la figure 1 .
Par véhicule automobile, on entend tout type de véhicule motorisé.
Dans un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage 10 est disposé dans le compartiment moteur du véhicule automobile 2.
Le dispositif de chauffage 10 comprend :
- au moins un module 1 1 muni d'une piste résistive 1 10 et d'un support 1 1 1 ; et
- un onduleur 13.
Le dispositif de chauffage 10 est alimenté par une source d'alimentation continue 2. Dans un mode de réalisation non limitatif, la source d'alimentation continue est une batterie Bat du véhicule automobile V.
En outre, le dispositif de chauffage 10 coopère avec un échangeur thermique 30 eau-air du véhicule pour fournir de l'air chauffé dans l'habitacle dudit véhicule.
La piste résistive 1 10 va en effet chauffer un liquide L qui s'écoule le long des parois du module 1 1 . Ledit liquide L ainsi réchauffé par l'énergie thermique dégagée par la piste 1 10 va être transporté via un ensemble de tubulures jusqu'à un radiateur 31 de l'échangeur eau-air 30 qui se trouve au niveau de l'habitacle du véhicule. Cet échangeur thermique eau-air 30 comprend également un pulseur d'air 32 pour puiser de l'air au travers du radiateur 30. Cet air va ainsi se réchauffer au contact du radiateur 31 . Le dispositif de chauffage 10 ainsi que l'échangeur eau-air 30 forment avec d'autres éléments tels qu'un compresseur électrique (non illustré) une unité de climatisation 1 tel qu'illustré sur la figure 1 .
Dans un exemple non limitatif, le liquide L est de l'eau au glycol. La figure 2 illustre le dispositif de chauffage 10 selon un mode de réalisation non limitatif dans lequel ledit dispositif de chauffage 10 comprend deux modules 1 1 , 12, chaque module 1 1 , 12 comprenant respectivement une piste résistive 1 10, 120 disposée sur un support 1 1 1 , 121 .
Comme on peut le voir sur la figure 2, le dispositif de chauffage comprend en outre :
- une plaque à circuit imprimé 100 (appelée en anglais « Printed Circuit Board » PCB) adaptée pour recevoir l'onduleur 13 et pour être connectée à un connecteur 21 de la source d'alimentation continue 2 ;
- un dispositif mécanique séparateur de liquide 101 qui comprend une tubulure d'entrée 102 pour recevoir ledit liquide L à l'état froid (L1 ), le séparer en deux (flux Li a et L1 b illustrés), et guider les deux flux Li a et L1 b respectivement dans les deux modules 1 1 , 12 ;
- des tubulures de sorties 104 par lesquelles le liquide réchauffé L2 est dirigé vers l'échangeur thermique eau-air (non illustré).
Tel qu'illustré sur la figure 2, dans un mode de réalisation non limitatif, les deux modules 1 1 , 12 sont disposés dans un boîtier 103 qui repose sur un socle 105 du dispositif mécanique séparateur de liquide 101 . Par ailleurs, la plaque PCB s'insère dans une cavité dudit dispositif mécanique séparateur de liquide 101 et un capot de fermeture 106 permet de refermer ladite cavité pour protéger ladite plaque PCB.
Les modules 1 1 , 12 et l'onduleur 13 du dispositif de chauffage 10 sont décrits en détail ci-après.
• oduJes .e .pjste„s„.rés„is jves
Les modules et les pistes résistives sont décrits en référence aux figures 1 à 4.
Dans des modes de réalisation non limitatifs, les supports 1 1 1 , 121 sont en aluminium ou en inox. Cela permet d'avoir une bonne conduction thermique entre les pistes résistives 1 10, 120 et le liquide L, ce qui permet de bien chauffer ledit liquide L. Bien entendu, d'autres métaux qui sont également bon conducteurs thermiques peuvent être utilisés.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation non limitatif, les pistes résistives 1 10, 120 sont sérigraphiées. Cela permet d'obtenir une faible épaisseur de piste, et d'obtenir une bonne densité de puissance en peu de volume.
De plus, lorsque les modules sont sous la forme d'un tube (tel que décrit plus loin), cela permet de faciliter la pose d'une piste résistive pour chauffer l'eau sur une surface courbe, contrairement à des résistances classiques qui seraient difficiles à souder sur une telle surface.
Afin d'isoler électriquement les pistes résistives 1 10, 120 de leur support 1 1 1 , 121 , les supports 1 1 1 , 121 comprennent un isolant électrique (non illustré) sur lequel sont disposées lesdites pistes résistives 1 10, 120. Dans un exemple non limitatif, l'isolant électrique est un vernis isolant.
Dans un mode de réalisation non limitatif, les modules 1 1 , 12 ont une forme cylindrique, tel qu'illustré sur les figures 1 à 4.
Dans un premier mode de réalisation non limitatif, tel qu'illustré sur les figures 3 et 4, une piste 1 10, 120 est positionnée sur la surface externe Se dudit support 1 1 1 , 121 . Le liquide L peut ainsi passer à l'intérieur de cette forme cylindrique et la piste résistive 1 10, 1 20 va permettre ainsi de chauffer ledit liquide L qui lèche la paroi interne du cylindre 1 1 , 12.
Dans un deuxième mode de réalisation non limitatif (non illustré), une piste 1 10, 120 est positionnée sur la surface interne Si dudit support 1 1 1 , 121 . Un fluide peut ainsi passer à l'extérieur de cette forme cylindrique et la piste résistive 1 1 0, 120 va permettre ainsi de chauffer le fluide qui s'écoule le long de la paroi externe du cylindre 1 1 , 12.
Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, dans un mode de réalisation non limitatif, les pistes résistives 1 10, 120 forment chacune des parties 1 1 10- 1 1 10', 1210-1210' de piste contigues entre elles sur leur support 1 1 1 , 121 . Cela permet de couvrir de façon optimale l'ensemble de la surface du cylindre 1 1 , 12 et ainsi de chauffer le liquide L de manière homogène. On obtient ainsi un très bon rendement en termes de température obtenue du liquide L par rapport à la puissance délivrée par une piste 1 10, 120.
Dans une première variante de réalisation non limitative illustrée sur la figure 3, une piste résistive 1 10, 120 comprend des segments jointifs à angle droit. Dans une deuxième variante de réalisation non limitative illustrée sur la figure 4, une piste résistive 1 10, 120 comprend des segments jointifs par un arc de cercle.
Par ailleurs, tel qu'illustré sur les figures 3 et 4, un module 1 1 , 12 comprend en outre des connecteurs c1 , c2 adaptés pour connecter une piste résistive 1 10, 120 à l'onduleur 13.
• Onduleur
L'onduleur 13 est décrit en référence aux figures 1 , et 5 à 7.
L'onduleur 13 est connecté aux pistes résistives 1 1 1 , 121 des modules 1 1 et 12, et également à une source d'alimentation continue 2.
Cette source d'alimentation continue 2 est ainsi adaptée pour délivrer un courant il qui alimente l'onduleur 13 et en conséquence les pistes résistives 1 1 1 et 121 .
Dans le cadre de l'application véhicule automobile électrique ou hybride, la source d'alimentation électrique continue 2 est la batterie Bat du véhicule automobile V et notamment celle qui permet d'alimenter un moteur électrique du véhicule automobile V. Dans un mode de réalisation non limitatif, la source d'alimentation 2 fournit une tension comprise entre 250 Volts et 450 Volts. La limite basse de 250 Volts représente la batterie Bat lorsqu'elle est déchargée, tandis que la limite haute de 450 Volts représente la batterie Bat lorsqu'elle est rechargée. Dans une variante de réalisation non limitative, la tension nominale fournie est égale à 400 Volts.
Ainsi, grâce à cette forte tension, une puissance P relativement forte de l'ordre de 4000 Watts est fournie par l'ensemble des pistes résistives 1 1 1 , 121 (2000 Watts fournis par chaque piste dans l'exemple illustré) avec un courant il relativement faible de l'ordre de 10 Ampères. On peut ainsi utiliser des pistes résistives 1 1 1 , 121 de faible épaisseur qui supportent un faible courant d'alimentation i.
On notera que la source d'alimentation continue 2 ne peut pas être la batterie du véhicule de 12 Volts utilisée pour alimenter le réseau de bord du véhicule automobile. En effet, à même puissance, le courant d'alimentation il serait trop fort, de l'ordre de 100 Ampères et nécessiterait des pistes résistives 1 1 1 , 121 de trop grande épaisseur ou entraînerait une surchauffe de ces pistes avec le risque qu'elles ne grillent.
Ainsi, les pistes résistives 1 1 1 et 121 sont reliées électriquement au réseau 400 Volts via l'onduleur 13. On notera qu'il peut exister des fuites de courant entre les deux surfaces intérieure Si et extérieure Se d'un module 1 1 , 12 car le liquide L traversant les modules 1 10, 120 peut par inadvertance être en contact avec des éléments métalliques du véhicule et donc avec la carrosserie du véhicule qui est reliée au réseau 12V.
Aussi, lorsque les modules 1 1 et 12 sont de forme cylindrique, afin d'isoler l'intérieur du cylindre de l'extérieur du cylindre, dans un mode de réalisation non limitatif, un module 1 1 , 12 comprend une isolation galvanique entre l'intérieur et l'extérieur dudit support 1 1 1 , 121 cylindrique.
Etant donné la densité de puissance relativement élevée que l'on cherche à obtenir sur un module 1 1 , 12, comme vu précédemment, la piste résistive 1 10, 120 chemine sur une grande longueur du module correspondant 1 1 , 12 avec des parties 1 1 10, 1210 de piste contigues entre elles sur le support 1 1 1 , 121 comme décrit précédemment. On obtient ainsi un maximum de puissance P sur une surface donnée. Etant donné la haute tension continue (400 Volts en nominal) appliquée à une piste résistive 1 10, 120, il peut apparaître des différences de potentiel importantes entres les zones de proximité 1 1 10-1 1 10', 1 210-1210' (illustrées sur les figures 3 et 4), de l'ordre de 30 à 50 Volts. Ces différences de potentiel importantes peuvent entraîner des migrations électrochimiques (MEC) en surface. Ce phénomène qui est directement dépendant du degré de potentiel élevé (exprimé en Volts par unité de longueur) est également amplifié avec l'humidité, une température élevée et le degré de pollution environnant.
Une migration électrochimique MEC se caractérise par le mouvement d'ions métalliques entre des conducteurs métalliques, ici les différentes parties 1 1 10-1 1 10', 1210-1210' de piste résistive qui sont à proximité les unes des autres, afin de former ce qu'on appelle des dendrites. La formation de dendrites crée un courant de surface entre les zones de proximité, à la surface du support 1 1 1 , 121 . Ce courant de surface peut attaquer le vernis d'isolation qui peut craquer et ne plus remplir sa fonction d'isolation, mais aussi peut dégrader les pistes résistives 1 10, 120 elles-mêmes.
Aussi, afin de réduire les différences de potentiel au niveau des parties contigues d'une piste, on utilise l'onduleur 13 qui permet d'inverser périodiquement le courant il parcourant une piste résistive de sorte que le courant moyen circulant dans une piste résistive (ou plusieurs pistes résistives) soit nul. Ainsi, cela évite aux ions métalliques de migrer.
Dans un mode de réalisation non limitatif, l'onduleur 13 comprend un double demi-pont également appelé pont en H, tel qu'illustré sur les figures 5, 6 et 7.
Dans des modes de réalisation non limitatifs, le double demi-pont est composé d'interrupteurs électroniques qui sont des transistors IGBT ou de transistors MOSFET.
Ainsi, tel qu'illustré sur la figure 5 et sur la figure 6, un premier demi-pont comprend deux transistors S1 -S4 et un deuxième demi-pont comprend deux transistors S2-S3. Le double demi-pont permet de piloter une charge 1 10, 120.
Sur les figures 5 et 6, une charge représentant la piste résistive 1 10 est illustrée. Les mêmes figures s'appliquent pour une charge représentant la piste résistive 120.
Les transistors S3 et S4 sont reliés au 0V, tandis que les transistors S1 et S2 sont reliés au 400 Volts.
Tel qu'illustré sur la figure 5, lorsque les transistors S1 -S4 du demi-pont sont dans un état fermé et les transistors S2-S3 dans un état ouvert, le courant il circule dans la piste résistivel 10 (dans l'exemple illustré) dans un premier sens illustré par la flèche sur la figure 3.
Tel qu'illustré sur la figure 6, lorsque les transistors S2-S3 du demi-pont sont dans un état fermé et les transistors S4-S4 dans un état ouvert, le courant il est inversé et circule dans la piste résistive 1 10 (dans l'exemple illustré) dans un deuxième sens illustré par la flèche sur la figure 4.
On notera que pour annuler le courant dans une piste résistive, il suffit d'ouvrir tous les transistors S1 à S4 ou les transistors S1 -S2 ou les transistors S3-S4.
Afin de piloter les transistors S1 à S4, dans un mode de réalisation non limitatif, un circuit de pilotage (appelé « driver » en anglais) est utilisé. Il est disposé sur la carte à circuit imprimé 100 vue précédemment.
Dans des exemples non limitatifs, les quatre transistors S1 à S4 sont des composants discrets ou font partie d'un module de puissance intégrant également le circuit de pilotage.
Dans un premier mode de réalisation, lorsque deux pistes résistives 1 10 et 120 sont utilisées, un pont en H 13 est associé à chaque piste. Tel qu'illustré sur la figure 5 et la figure 6, un premier pont en H est associé à la piste 1 10. Un deuxième pont en H (non illustré) est associé à la piste 120. Ainsi, chaque pont en H permet de piloter le courant il dans chaque piste résistive. Dans un deuxième mode de réalisation, lorsque deux pistes résistives 1 10 et 120 sont utilisées, un pont en H 13 est associé aux deux pistes qui sont disposées en parallèle, tel qu'illustré sur la figure 7. Un unique pont en H permet de piloter le courant il pour les deux pistes. Sur la figure 7, les transistors S1 et S4 sont illustrés à l'état fermé tandis que les transistors S2 et S3 sont à l'état ouvert.
Afin de régler la puissance P à fournir par une piste résistive 1 10, 120, plusieurs modes de réalisation peuvent être utilisés qui sont les suivants. Dans un premier mode de réalisation non limitatif tel qu'illustré sur la figure 8, un transistor, par exemple S4 (respectivement S3), de chaque demi-pont est modulé en largeur d'impulsion à une fréquence de modulation f1 supérieure à la fréquence de fonctionnement f2 dudit onduleur 13, tandis que l'autre transistor, par exemple S1 (respectivement S2) est piloté dans un état fermé (état illustré « 1 ») pendant un temps égal à la demi-période de fonctionnement T2 (période de fonctionnement T2 correspondante à la fréquence de fonctionnement f2). On notera que la fréquence de fonctionnement f2 est également appelée fréquence de l'onduleur.
Cela s'applique bien évidemment lorsque les transistors d'un demi-pont doivent être dans un état fermé (tandis que les autres transistors de l'autre demi-pont sont dans un état ouvert (état illustré « 0 »)), tel qu'illustré sur la figure 8.
Dans un exemple non limitatif la fréquence de fonctionnement f2 est égale à 0,2Hz et la fréquence de modulation f1 est égale à 2Hz, ce qui correspond à une période de modulation T1 égale à 500ms. Dans l'exemple non limitatif choisi, le rapport entre f1 et f2 est de dix. Ainsi, dans l'exemple du premier demi-pont, le courant il va traverser la piste résistive 1 10 quand S4 est fermé, et le courant il ne traverse pas la piste résistive 1 10 quand S4 est ouvert.
Ainsi, en agissant sur la fréquence d'ouverture d'un seul interrupteur S4, S3 sur deux (dans un demi-pont) à l'intérieur d'une demi-période de fonctionnement T2, on module la puissance P fournie à une piste résistive 1 10, 120.
On notera que l'on choisit une fréquence de modulation f1 relativement faible car cela permet :
- d'éviter des problèmes de compatibilité électromagnétique. En effet, on évite de parasiter les autres dispositifs électroniques qui se trouvent à proximité du dispositif de chauffage 13 ;
- d'éviter aux interrupteurs électroniques S1 à S4 de monter en température ce qui diminuerait leur fiabilité ;
- d'éviter d'avoir des surtensions au niveau des interrupteurs électroniques S1 à S4.
De même, on choisit une fréquence de fonctionnement f2 relativement faible car cela permet :
- d'éviter au liquide L qui traverse un module cylindrique 1 1 , 12 de monter trop rapidement en température sur une période T2. On tient compte ainsi de l'inertie de l'eau ;
- d'éviter d'avoir trop de stress en puissance sur les interrupteurs électroniques S1 à S4 à chaque commutation. On évite donc d'avoir trop de puissance dissipée par lesdits interrupteurs électroniques à chaque commutation.
Dans un deuxième mode de réalisation non limitatif tel qu'illustré sur la figure 9, un transistor, par exemple S4 (respectivement S3) de chaque demi-pont est piloté dans un état fermé (état illustré « 1 ») pendant un temps t1 inférieur ou égal à la demi-période de fonctionnement T2 dudit onduleur 13, tandis que l'autre transistor, par exemple S1 (respectivement S2) est piloté dans un état fermé (état illustré « 1 ») pendant un temps égal à la demi-période de fonctionnement T2.
Cela s'applique bien évidemment lorsque les transistors d'un demi-pont doivent être dans un état fermé (tandis que les autres transistors de l'autre demi-pont sont dans un état ouvert (état illustré « 0 »)) tel qu'illustré sur la figure 9.
Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 9, la fréquence de modulation f1 est égale à deux fois la fréquence de fonctionnement f2, à savoir la période correspondante T1 est égale à la moitié de la période de fonctionnement de l'onduleur T2 (appelée également période de l'onduleur). Plus le temps t1 se rapproche de la demi-période de fonctionnement T2, plus la puissance P fournie est proche du maximum.
Dans un exemple non limitatif la fréquence de fonctionnement f2 est égale à 2Hz.
Ainsi, lorsque le temps t1 est égal à la demi-période T2, la puissance P fournie est maximale, soit dans l'exemple cité égale à 2000 Watts pour chaque piste résistive 1 10, 120. Lorsque le temps t1 est inférieur à la demi- période T2, la puissance P fournie est inférieure à la puissance maximale de 2000 Watts. Ai n s i , en agissant sur le temps de fermeture d'un seul interrupteur électronique S4, S3 sur deux (dans un demi-pont), on module ainsi la puissance P fournie.
Bien entendu la description de l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus.
Ainsi, dans un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage peut en outre comporter un système de filtrage capacitif du courant alternatif de manière à lisser ledit courant alternatif, ledit système de filtrage capacitif étant disposé en sortie dudit onduleur. Cela évite ainsi de créer des signaux parasites.
Ainsi, l'invention a été décrite dans le cadre d'un dispositif de chauffage pour réchauffer un liquide. Dans un autre mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage est adapté pour réchauffer de l'air.
Ainsi, dans d'autres modes de réalisation non limitatifs, la plaque PCB peut être remplacée par un substrat métallique isolé SMI, un substrat céramique, ou encore une grille de connexion métallique (appelé en anglais « leadframe »).
Ainsi, l'invention décrite présente notamment les avantages suivants :
- c'est une solution simple à mettre en œuvre et peu coûteuse ;
- elle permet d'éviter la formation de dendrites sur des zones de piste résistive qui sont situées à proximité l'une de l'autre, tout en utilisant une source d'alimentation continue haute tension ;
- elle remplace un dispositif de chauffage qui était dépendant d'un moteur thermique par un dispositif de chauffage indépendant puisqu'elle utilise la source d'alimentation continue haute tension du moteur électrique ;
- elle permet de fournir un courant alternatif au dispositif de chauffage à partir d'une source d'alimentation continue ;
- elle ne fait appel à aucune source d'alimentation supplémentaire puisqu'elle utilise une source d'alimentation déjà existante dans les véhicules électriques et hybrides.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de chauffage (10) pour unité de climatisation (1 ), selon lequel le dispositif de chauffage (10) comprend :
- au moins un module (1 1 , 12) muni d'une piste résistive (1 10, 120) et d'un support (1 1 1 , 121 ), ladite piste résistive (1 10, 120) étant adaptée pour être alimentée par un courant (i) délivré par une source d'alimentation électrique continue (2) ;
- un onduleur (13) adapté pour :
- être connecté à ladite piste résistive (10) et à ladite source d'alimentation électrique continue (2) ;
- modifier périodiquement le sens dudit courant (i) alimentant ladite piste résistive (1 10, 120).
2. Dispositif de chauffage (10) selon la revendication 1 , selon lequel ladite piste résistive (1 10, 120) forme des parties (1 1 10, 1210) de piste contigues entre elles sur ledit support (1 1 1 , 121 ).
3. Dispositif de chauffage (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2, selon lequel l'onduleur (13) comprend un double demi-pont.
4. Dispositif de chauffage (10) selon la revendication 3, selon lequel le double demi-pont est composé de transistors IGBT ou de transistors MOSFET.
5. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, selon lequel chaque demi-pont comprend deux transistors (S1 -S4, S2-S3), un transistor (S4, S3) de chaque demi- pont étant adapté pour être modulé en largeur d'impulsion à une fréquence de modulation (f1 ) supérieure à la fréquence de fonctionnement (f2) dudit onduleur (13).
6. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, selon lequel chaque demi-pont comprend deux transistors (S1 -S4, S2-S3), un transistor (S4, S3) de chaque demi- pont étant adapté pour être piloté dans un état fermé pendant un temps (t1 ) inférieur ou égal à la demi-période de fonctionnement (T2) dudit onduleur (13).
7. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, selon lequel le support (1 1 1 , 121 ) comprend un isolant électrique (1 12) sur lequel est disposée ladite piste résistive (1 10, 120).
8. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, selon lequel le dispositif de chauffage (10) comporte deux modules (1 1 , 12) muni chacun d'une piste résistive (1 10, 120) et d'un support (1 1 1 , 121 ).
9. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, selon lequel la source d'alimentation électrique continue (2) est une batterie (Bat) d'un véhicule automobile.
10. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel la source d'alimentation électrique continue (2) fournit une tension comprise entre 250 Volts et 450 Volts.
1 1 . Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, selon lequel le support (1 1 1 , 121 ) est de forme cylindrique et la piste résistive (1 10, 120) est positionnée sur la surface externe (Se) dudit support (1 1 1 , 121 ).
12. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , selon lequel le support (111, 121 ) est de forme cylindrique et la piste résistive (110, 120) est positionnée sur la surface interne (Si) dudit support (111, 121).
13. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, selon lequella piste résistive (110, 120) est sérigraphiée.
14. Dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, selon lequel le support (111, 121) est en inox ou en aluminium.
15. Unité de climatisation (1) pour véhicule automobile (V) comprenant un dispositif de chauffage (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 14.
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