FR3042854A1 - Dispositif de chauffage electrique d'un fluide pour vehicule automobile - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique (1) d'un fluide pour véhicule automobile (V). Elle se caractérise en ce que le dispositif de chauffage électrique de fluide (1) comprend : - au moins un conduit de circulation du fluide (20) ; - au moins un élément chauffant résistif (100) adapté pour être alimenté par un courant haché (i2) et pour coopérer avec ledit conduit de circulation du fluide (20) ; - au moins un interrupteur de puissance (101) adapté pour piloter ledit courant haché (i2) dudit élément chauffant résistif (100) ; - un filtre d'entrée (11) disposé en entrée dudit élément chauffant résistif (100) et adapté pour être alimenté par un courant d'alimentation (il), ledit filtre d'entrée (11) comprenant une inductance (110) et au moins un condensateur (111) et étant adapté pour lisser les variations du courant d'alimentation (il).

Description

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE ELECTRIQUE D’UN FLUIDE POUR

VEHICULE AUTOMOBILE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique d’un fluide pour véhicule automobile.

Elle trouve une application particulière, mais non limitative dans les véhicules automobiles électriques ou hybrides.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Dans le domaine des véhicules électriques ou hybrides, il est connu de compenser l’apport thermique d’un moteur à combustion pour le chauffage du véhicule, notamment de l’habitacle, par l’ajout d’un ou plusieurs dispositifs de chauffage électrique. Un tel dispositif de chauffage électrique peut être inclus dans un circuit de gestion thermique afin de réchauffer un fluide caloporteur pouvant être utilisé pour réchauffer l’air destiné à l’habitacle ou bien même des organes du véhicule électrique tels que les batteries pour aider à ce qu’elles atteignent leur température optimale de fonctionnement par temps froid.

Le dispositif de chauffage électrique comprend des éléments chauffants et tire sa puissance de la batterie de traction qui fournit une tension de 400V dans un exemple non limitatif.

La puissance du dispositif de chauffage électrique est régulée au moyen de la technique de modulation de largeur d’impulsion appliquée à la commande de transistors de puissance qui sont associés aux éléments chauffants du dispositif de chauffage électrique. Le courant traversant chaque élément chauffant est ainsi alternativement mis en conduction puis bloqué.

Un inconvénient de cet état de la technique est que les à-coups de courant dans les éléments chauffants se reportent sur la batterie de traction. Ceci entraîne des appels de courant pouvant aller jusqu’à 8 Ampères pour une puissance de 2000W à 250 Volts dans un exemple non limitatif. Cette succession d’appels de courant est difficile à supporter pour la batterie, notamment en conditions très froides, les composants de la batterie se dégradant plus rapidement lors de grandes variations de température.

Dans ce contexte, la présente invention vise à résoudre l’inconvénient précédemment mentionné.

DESCRIPTION GENERALE DE L’INVENTION A cette fin, l’invention propose un dispositif de chauffage électrique d’un fluide pour véhicule automobile, selon lequel le dispositif de chauffage électrique de fluide comprend : - au moins un conduit de circulation du fluide ; - au moins un élément chauffant résistif adapté pour être alimenté par un courant haché et pour coopérer avec ledit conduit de circulation du fluide ; - au moins un interrupteur de puissance adapté pour piloter ledit courant haché dudit élément chauffant résistif ; - un filtre d’entrée disposé en entrée dudit élément chauffant résistif et adapté pour être alimenté par un courant d’alimentation, ledit filtre d’entrée comprenant une inductance et au moins un condensateur et étant adapté pour lisser les variations du courant d’alimentation.

Ainsi, comme on va le voir en détail ci-après, le filtre d’entrée va absorber les à-coups de courant produits par la commande par modulation de largeur d’impulsions. Le courant fourni par la batterie sera ainsi quasi constant.

Selon des modes de réalisation non limitatifs, le dispositif de chauffage électrique peut comporter en outre une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires parmi les suivantes :

Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage électrique comprend une pluralité N d’éléments chauffants résistifs et une pluralité N d’interrupteurs de puissance associés. Cela permet de commander le dispositif de chauffage électrique par une modulation de largeur d’impulsion. Ceci permet d’ajuster la puissance de chauffe du dispositif de chauffage électrique à une valeur de consigne en mettant successivement en conduction puis en blocage le courant d’alimentation circulant dans un élément chauffant résistif.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage électrique comprend deux éléments chauffants résistifs et deux interrupteurs de puissance associés. Ce nombre est un bon compromis entre la puissance de chauffe recherchée et le volume occupé par ledit dispositif de chauffage électrique dans le véhicule automobile.

Selon un mode de réalisation non limitatif, les interrupteurs de puissance sont pilotés selon un déphasage de 2π/Ν. Cela permet de réduire les variations du courant d’alimentation fourni par la batterie du véhicule automobile à partir duquel est généré le courant haché qui alimente les éléments chauffants résistifs.

Selon un mode de réalisation non limitatif, les interrupteurs de puissance sont pilotés en modulation de largeur d’impulsions. C’est un pilotage simple à utiliser.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance fonctionne à une fréquence comprise entre 10kHz et 100kHz. En dessous de 10kHz, le filtre d’entrée serait trop volumineux. Au-delà de 100kHz, cela entraînerait des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM).

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance est un transistor IGBT ou un transistor MOSFET. Un transistor IGBT est peu coûteux et un transistor MOSFET permet de travailler à des fréquences plus élevées qu’avec un transistor IGBT.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance fonctionne à une fréquence comprise entre 10kHz et 20kHz. Cette plage de fréquence est supportée par un transistor IGBT.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance fonctionne à une fréquence sensiblement égale à 100kHz. Cette fréquence est supportée par un transistor MOSFET.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage électrique comprend en outre une diode de roue libre associée à l’interrupteur de puissance. Cela permet d’absorber le courant qui passe dans l’inductance parasite du câblage qui relie les éléments chauffants résistifs aux interrupteurs de puissance.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’élément chauffant résistif est alimenté avec une tension comprise entre 250 Volts et 450 Volts. Ces tensions s’appliquent pour des véhicules électriques ou hybrides.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’élément chauffant résistif est alimenté avec une tension sensiblement égale à 400 Volts.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’élément chauffant résistif est alimenté avec une tension de 48 Volts.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le condensateur comporte une valeur comprise entre 100 micro-Farad et 1 milli-Farad. Cela permet d’avoir un (des) condensateur(s) de taille raisonnable pour l’application véhicule désirée.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage électrique comprend en outre un dispositif de commande adapté pour contrôler l’interrupteur de puissance.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance est un interrupteur côté bas. Dans le cas d’une pluralité d’interrupteurs de puissance, cela permet de n’utiliser qu’un seul dispositif de commande pour l’ensemble des interrupteurs de puissance.

Selon un mode de réalisation non limitatif, lequel l’interrupteur de puissance est un interrupteur IGBT dont l’émetteur est placé au même potentiel de référence que ledit dispositif de commande.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance est un interrupteur MOSFET dont la source est placée au même potentiel de référence que ledit dispositif de commande.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le filtre d’entrée comprend quatre condensateurs. Cela permet d’avoir des condensateurs de taille raisonnable pour l’application véhicule automobile désirée.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage électrique comprend en outre : - un corps de chauffe dans lequel est disposé ledit conduit de circulation du fluide, ledit corps de chauffe comprenant un logement adapté pour recevoir ledit interrupteur de puissance et ledit filtre d’entrée ; - un élément de maintien dudit interrupteur de puissance dans ledit logement.

Le fait de disposer l’interrupteur de puissance et le filtre d’entrée dans le logement permet un gain de place important. L’élément de maintien est adapté pour faire pression sur l’interrupteur de puissance de sorte que ce dernier soit au plus près du conduit de circulation de fluide. L’interrupteur de puissance est ainsi mieux refroidi.

Selon un mode de réalisation non limitatif, le logement est adjacent audit conduit de circulation du fluide. Ainsi, cela facilite l’échange thermique entre l’interrupteur de puissance qui est logé dans le logement et le conduit de circulation du fluide.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’inductance est disposée entre les quatre condensateurs. Elle est ainsi placée de sorte à être le plus centrée dans le logement, à savoir de façon équidistante aux parois du logement, minimisant ainsi les ondes électromagnétiques émises par l’inductance.

Selon un mode de réalisation non limitatif, l’élément de maintien comprend une pièce à effet ressort. C’est une pièce simple à fabriquer. Elle permet de se déformer lorsqu’elle est mise en compression.

Selon un mode de réalisation non limitatif, la carte à circuit imprimé comprend une ouverture adaptée pour permettre le passage de tout ou partie dudit élément de maintien. Cela permet d’insérer tout ou partie de l’élément de maintien après que la carte à circuit imprimé a été fixée sur le corps de chauffe du dispositif de chauffage électrique.

Selon un mode de réalisation non limitatif, la pièce à effet ressort comprend une tête de forme sensiblement triangulaire et deux bras. La tête triangulaire permet une déformation de la pièce à effet ressort et un bras permet de faire pression sur un interrupteur de puissance.

Selon un mode de réalisation non limitatif, ladite ouverture se situe au centre de ladite carte à circuit imprimé.

Selon un mode de réalisation non limitatif, ladite ouverture se situe à une extrémité de ladite carte à circuit imprimé. Cela permet de positionner l’inductance au centre des condensateurs.

Selon un mode de réalisation non limitatif, la carte à circuit imprimé comprend une pluralité d’interrupteurs de puissance et lesdits interrupteurs de puissance sont disposés de part et d’autre de l’ouverture de la carte à circuit imprimé. Cela permet que l’élément de maintien, lorsqu’il est positionné, puisse facilement faire pression sur les interrupteurs de puissance.

Il est également proposé une unité de chauffage et/ou de climatisation pour véhicule automobile, selon laquelle ladite unité de chauffage et/ou de climatisation comprend un dispositif de chauffage électrique 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 électrique d’un fluide pour un véhicule automobile, ledit dispositif comprenant au moins un conduit de circulation de fluide, au moins un élément chauffant résistif, au moins un interrupteur de puissance et un filtre d’entrée selon un mode de réalisation non limitatif de l’invention ; - la figure 2 représente un corps de chauffe du dispositif de chauffage électrique de la figure 1 selon un mode de réalisation non limitatif, ledit corps de chauffe comprenant un logement ; - la figure 3 représente un schéma par transparence du dispositif de chauffage électrique de la figure 1, le dispositif de chauffage électrique comprenant un agencement d’interrupteurs de puissance et du filtre d’entrée dans le logement selon une première variante de réalisation non limitative ; - la figure 4 représente un schéma du dispositif de chauffage électrique de la figure 1, le dispositif de chauffage électrique comprenant un agencement d’interrupteurs de puissance et du filtre d’entrée dans le logement selon une deuxième variante de réalisation non limitative ; - la figure 5 représente la carte à circuit imprimé de la figure 3 avec le filtre d’entrée et des interrupteurs de puissance du dispositif de chauffage électrique de la figure 1 ; - la figure 6 représente la carte à circuit imprimé de la figure 4 avec le filtre d’entrée et des interrupteurs de puissance du dispositif de chauffage électrique de la figure 1 ; - la figure 7 représente selon un mode de réalisation non limitatif une pièce à effet ressort d’un élément de maintien des interrupteurs à puissance des figures 5 et 6 dans une première position ; - la figure 8 représente selon un mode de réalisation non limitatif une pièce à effet ressort d’un élément de maintien des interrupteurs à puissance des figures 5 et 6 dans une deuxième position ; - la figure 9 représente une pièce à effet ressort des figures 7 et 8 en position pour appuyer sur les interrupteurs de puissance de la carte à circuit imprimé de la figure 5 ; - la figure 10 représente une pièce à effet ressort des figures 7 et 8 en position pour appuyer sur les interrupteurs de puissance de la carte à circuit imprimé de la figure 6.

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 électrique 1 d’un fluide pour véhicule automobile V, est illustré schématiquement sur la figure 1 selon un mode de réalisation non limitatif.

Par véhicule automobile, on entend tout type de véhicule motorisé.

Le dispositif de chauffage électrique 1 de fluide comprend : - au moins un conduit de circulation du fluide 20 ; - au moins un élément chauffant résistif 100 adapté pour être alimenté par un courant haché i2 et pour coopérer avec ledit conduit de circulation du fluide 20 ; - au moins un interrupteur de puissance 101 adapté pour piloter ledit courant haché i2 dudit élément chauffant résistif 100 ; - un filtre d’entrée 11 disposé en entrée dudit élément chauffant résistif 100 et adapté pour être alimenté par un courant d’alimentation il, ledit filtre d’entrée 11 comprenant une inductance 110 et au moins un condensateur 111 et étant adapté pour lisser les variations du courant d’alimentation il.

Le dispositif de chauffage électrique 1 de fluide comprend en outre au moins un dispositif de commande 31 (couramment appelé en anglais « driver ») adapté pour contrôler l’interrupteur de puissance 101. Dans un exemple non limitatif, le dispositif de commande 31 est un microcontrôleur.

Le dispositif de chauffage électrique 1 est alimenté par un courant d’alimentation il fourni par une batterie Bat du véhicule automobile V, sous une tension d’alimentation Vbat.

La batterie Bat est la batterie de traction du véhicule automobile V. Dans un mode de réalisation non limitatif, la tension d’alimentation Vbat est une alimentation haute tension comprise entre 250 et 450V. Dans une variante de réalisation non limitative, la tension d’alimentation Vbat est égale à 400V.

Dans l’exemple non limitatif illustré, le dispositif de chauffage électrique 1 comprend : - deux conduits de circulation du fluide 20 ; - deux éléments chauffants résistifs 100 ; - deux interrupteurs de puissance 101 ; - un dispositif de commande 31.

Les différents éléments du dispositif de chauffage électrique 1 sont décrits plus en détail ci-après. • Conduit de circulation du fluide

Dans un mode de réalisation non limitatif, les conduits de circulation de fluide 20 sont de forme cylindrique. Ils sont thermo-conducteurs.

Dans un mode de réalisation non limitatif, chaque élément chauffant résistif 100 est plongé dans un conduit de circulation de fluide 20. Dans ce cas, le conduit de circulation de fluide 20 comprend un enceinte de protection entre ledit élément chauffant résistif 100 et le fluide. Le fluide peut donc circuler dans le conduit de circulation de fluide 20 autour des éléments chauffants résistifs 100. La chaleur produite par les éléments chauffants résistifs 100 est transmise via les conduits de circulation du fluide 20 audit fluide qui peut ainsi être chauffé. • Elément chauffant résistif

Dans un mode de réalisation non limitatif, un élément chauffant résistif 100 comprend une résistance.

Dans un mode de réalisation non limitatif, la résistance est comprise entre 15 Ω (Ohms) et 75Ω. Dans une variante non limitative, la résistance est égale à 36Ω. Cela permet d’obtenir une puissance de 2000W pour chaque élément résistif 100 à partir d’une tension d’alimentation de 270V.

Dans un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de chauffage électrique 1 comprend deux éléments chauffants résistifs 100.

Cela permet de piloter de manière déphasée les interrupteurs de puissance 101 associés. Par ailleurs, cela permet une bonne optimisation entre la puissance de chauffe produite par le dispositif de chauffage électrique 1 et le volume occupé par ledit dispositif de chauffage électrique 1.

Un élément chauffant résistif 100 est alimenté par un courant haché i2.

Un interrupteur de puissance 101 est associé à chaque élément chauffant résistif 100. On notera qu’il existe une inductance parasite Lp1 formée par : - une inductance parasite du câblage qui relit ledit élément chauffant résistif 100 à l’interrupteur de puissance 101, et - une inductance parasite de la résistance de l’élément chauffant résistif. Dans un exemple non limitatif, l’inductance parasite Lp1 est sensiblement égale à 300nH pour une fréquence Fq (décrite plus loin) de 10kHz dans cet exemple non limitatif.

Un élément chauffant résistif 100 va chauffer le fluide qui s’écoule le long des parois du conduit de circulation 20. Ledit fluide ainsi réchauffé par l’énergie thermique dégagée par l’élément chauffant résistif 100 va être transporté via un ensemble de tubulures jusqu’à un radiateur d’un échangeur de chaleur. Dans le cadre d’une application non limitative d’une unité de chauffage et/ou de climatisation, l’échangeur de chaleur se trouve au niveau de l’habitacle du véhicule dans un exemple non limitatif. Cet échangeur thermique de chaleur comprend également un pulseur d’air pour puiser de l’air au travers du radiateur. Cet air va ainsi se réchauffer au contact du radiateur. Le dispositif de chauffage électrique 1 ainsi que l’échangeur de chaleur forment avec d’autres éléments tels qu’un compresseur électrique (non illustré) une unité de chauffage et/ou de climatisation. • Interrupteur de puissance

Un interrupteur de puissance 101 est associé à chaque élément chauffant résistif 100. Il permet de piloter le courant haché i2 qui alimente chaque élément chauffant résistif 100.

On notera que le courant haché i2 provient du courant d’alimentation il.

Un interrupteur de puissance 101 est piloté par un dispositif de commande 31.

Lorsqu’il existe une pluralité d’interrupteurs de puissance 101, dans un premier mode de réalisation non limitatif, ils sont pilotés chacun par un dispositif de commande 31.

Dans un deuxième mode de réalisation non limitatif, ils sont tous pilotés par un même dispositif de commande 31.

Dans un mode de réalisation non limitatif, les interrupteurs de puissance 101 sont pilotés avec un déphasage de 2π/Ν, avec N le nombre de paires 10 d’éléments chauffants résistifs 100-interrupteurs de puissance 101. On notera qu’une paire 10 d’éléments chauffants résistifs-interrupteur de puissance est également appelé bras ou branche.

Dans une variante de réalisation non limitative, le déphasage est obtenu en pilotant les interrupteurs de puissance 101 en modulation de largeur d’impulsions, selon un signal PWM (« Puise Width Modulation >> en anglais).

On notera que lorsque deux bras 10 sont utilisés comme illustré sur la figure 1, le déphasage est ainsi de 180°.

Ce pilotage en déphasé permet de délivrer un courant haché i2 à chaque élément chauffant résistif 100 de manière périodique avec un déphasage des périodes de commutations entre elles de 180°.

Le déphasage permet de réduire les variations de courant de la batterie Bat (appelées également ondulations crête à crête). En effet, l’amplitude du courant d’alimentation M fournie par la batterie Bat est limitée à 1/N du courant total fourni aux éléments résistifs 100.

Dans un exemple non limitatif, le courant total est égal à 24A pour une tension d’alimentation Vbat de 250V et pour une puissance de chauffe de 6000W. On obtient ainsi une amplitude du courant d’alimentation M limitée à 12A si on utilise deux éléments chauffants résistifs 100 et 8A si on utilise trois éléments chauffants résistifs 100.

On sollicite ainsi moins le condensateur 111 du filtre d’entrée 11 qui doit produire le courant haché i2 qui va circuler dans les éléments chauffants résistifs en fonction du signal PWM. On augmente ainsi la durée de vie du condensateur 111.

Cependant, bien que le déphasage permette de réduire les variations des appels de courant à la batterie Bat, lesdites variations demeurent toujours et sont toujours trop importantes. Aussi, le filtre d’entrée 11 décrit plus loin va permettre de filtrer ces variations de courant de sorte que la batterie Bat fournisse un courant quasi constant. On obtient ainsi, une amplitude de courant maximum de 1A au lieu de 8A dans un exemple non limitatif.

Dans un mode de réalisation non limitatif, les interrupteurs de puissance 101 fonctionnent à une fréquence Fq comprise entre 10kHz et 100kHz. Cela signifie que le signal PWM est cadencé à cette fréquence Fq.

Cette plage de fréquence permet : - de ne pas avoir un condensateur 111 du filtre d’entrée 11 (décrit plus loin) de trop grande taille. En effet si la fréquence est trop petite, le condensateur 111 serait trop grand ; - de ne pas avoir une valeur relativement trop importante (lorsque la fréquence Fq s’élève) de l’inductance parasite Lp1 du câble des éléments chauffants résistifs 100 qui risquerait de s’opposer à la variation de courant i2 circulant dans les éléments chauffants résistifs 100. En effet, si la fréquence Fq est trop grande, l’inductance parasite Lp1 serait relativement trop importante ce qui entraînerait une surtension aux bornes de l’inductance parasite Lp1 (supérieure à 400V dans l’exemple non limitatif pris de Vbat égal à 400V). On rappelle que la tension aux bornes d’une inductance est égale à L * (di/dt), avec L la valeur de l’inductance et di/dt la dérivée de l’intensité du courant qui traverse l’inductance. Plus la valeur de la fréquence Fq est grande, par exemple supérieure à 100kFlz, (plus t est court) et plus la dérivée di/dt est grande. Si la valeur de l’inductance L est grande, L*di/dt devient grande, d’où le problème de surtension. Par contre avec une valeur de la fréquence Fq petite, par exemple 10kHz, (t est grand), la dérivée di/dt est petite et donc avec la même valeur d’inductance L, il n’y a pas de problème de surtension ; - d’éviter des problèmes de compatibilité magnétique CEM qui peuvent perturber d’autres éléments électroniques du véhicule automobile V tel que dans un exemple non limitatif des antennes de réception du véhicule automobile.

Dans un premier mode de réalisation non limitatif, un interrupteur de puissance 101 est un transistor IGBT. De tels transistors présentent un faible coût. Dans ce cas, dans un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance 101 fonctionne à une fréquence comprise entre 10kHz et 20kFlz. Cela permet d’avoir une faible inductance parasite en série Lp1 (sensiblement égale à 300nFI) décrite précédemment et ainsi de ne pas utiliser de diode de roue libre associée à chaque transistor 101. On notera qu’une diode de roue libre qui supporte les hautes tensions telle que 400V présente un coût important.

Bien entendu, si la valeur de l’inductance parasite Lp1 devient trop importante, une diode de roue libre peut être utilisée.

Dans un deuxième mode de réalisation non limitatif, un interrupteur de puissance 101 est un transistor MOSFET.

Dans ce cas, dans un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance 101 fonctionne à une fréquence Fq sensiblement égale à 100kHz. Dans une variante de réalisation non limitative, une diode de roue libre 102 est associée à l’interrupteur de puissance 101 tel qu’illustré sur la figure 1 dans un exemple non limitatif. La diode de roue libre 102 permet de protéger l’interrupteur de puissance 101 contre des surtensions destructrices.

En effet, lorsque la fréquence Fq est relativement grande, comme dans le cas de 100kHz, l’inductance parasite Lp1 décrite précédemment tend à être grande, de l’ordre de 100nH pour 10cm de câblage dans un exemple non limitatif. Le courant i2 circulant dans cette inductance parasite Lp1 ne doit pas décroître brutalement, ce qui est le cas lorsque le courant est haché. En effet, si le courant i2 décroît brutalement, une surtension aux bornes de l’inductance parasite Lp1 apparaît qui risque fort d’endommager l’interrupteur de puissance 101.

La diode de roue libre 102 écrête cette surtension en offrant un passage pour le courant haché i2.

On notera que la diode de roue libre 102 est disposée en parallèle de l’élément chauffant résistif 100 et de son câblage. Elle est placée précisément entre le drain de l’interrupteur de puissance 101 (lorsque ce dernier est un transistor MOSFET) ou le collecteur de l’interrupteur de puissance 101 (lorsque ce dernier est un transistor IGBT) et la borne positive du condensateur 111.

Dans la phase où l’interrupteur de puissance 101 est fermé, le courant i2 s’établit dans l’inductance parasite Lp1 et est limité par la résistance de l’élément chauffant résistif 100. La diode de roue libre 102 est bloquée. Aucun courant ne la traverse. A l’ouverture de l’interrupteur de puissance 101, le courant i2 trouve un chemin dans la diode de roue libre 102 qui devient passante. Le courant i2 décroît alors progressivement dans cette boucle et finit par s’annuler.

Dans un mode de réalisation non limitatif, l’interrupteur de puissance 101 est un interrupteur côté bas, couramment appelé en anglais « low side ».

Ce mode est intéressant lorsqu’une pluralité N d’interrupteurs de puissance 101 est utilisée. Cela permet en effet d’avoir un unique dispositif de commande 31 pour piloter la pluralité d’interrupteurs de puissance 101. En « low side » le potentiel de référence Ref du dispositif de commande 31 est référencé au OV, à savoir au potentiel négatif de la batterie Bat.

Ainsi, si l’interrupteur de puissance 101 est un interrupteur IGBT, son émetteur E est placé au même potentiel de référence Ref que ledit dispositif de commande 31, à savoir au OV de la tension d’alimentation Vbat.

Ainsi, si l’interrupteur de puissance 101 est un interrupteur MOSFET, sa source S est placée au même potentiel de référence Ref que ledit dispositif de commande 31, à savoir au OV de la tension d’alimentation Vbat.

On évite ainsi d’avoir un dispositif de commande 31 pour chaque interrupteur de puissance 101, ce qui est le cas lorsque les interrupteurs de puissance 101 sont des interrupteurs côté haut, couramment appelé en anglais « high side ». Dans ce cas, les dispositifs de commande 31 sont complexes à fabriquer, car ils doivent être isolés les uns des autres.

On notera que les interrupteurs de puissance 101 chauffent. A cet effet, comme décrit plus loin, ils sont disposés dans le dispositif de chauffage électrique de telle sorte qu’ils sont refroidis par le fluide circulant dans le(s) conduit(s) de circulation de fluide 20. • Filtre d’entrée

Le filtre d’entrée 11 est alimenté par le courant d’alimentation il fourni par la batterie Bat.

On notera que de manière générale, le courant d’alimentation il fourni par une batterie Bat dépend du courant à fournir à la charge que doit alimenter ladite batterie Bat. Ainsi, selon la charge, le courant peut être constant ou haché. Dans le cas du ou des éléments résistifs 100 qui représente la charge, le courant qui alimente le ou les éléments résistifs 100 est haché.

Le filtre d’entrée 11 qui est disposé entre la batterie Bat et la charge 100 évite à la batterie Bat de subir les à-coups de courant provenant du hachage du courant qui alimente la charge 100. L’inductance 110 du filtre d’entrée 11 est reliée à la batterie Bat. L’inductance 110 permet de lisser les variations du courant d’alimentation M et s’oppose aux variations rapides du courant d’alimentation M dans la batterie Bat. L’inductance 110 permet donc de fournir au condensateur 111 un courant d’alimentation il quasi constant.

Le condensateur 111 est donc chargé par la batterie Bat via l’inductance 110. Grâce à sa charge et décharge, le condensateur 111 fournit un courant haché i2 aux éléments résistifs 100 : lorsqu’il se décharge, il produit le courant i2 qui alimente les éléments résistifs 100. Lorsqu’il se charge, il ne produit plus de courant i2.

Ainsi, à partir du courant d’alimentation M, le courant haché i2 est généré via le condensateur 111.

On notera que le courant i2 fourni par le condensateur 111, et donc la charge et la décharge du condensateur 111, est fonction du pilotage en déphasé des interrupteurs de puissance 101 lorsqu’une pluralité de bras 10 est utilisée.

On notera que lorsque le condensateur 11 fournit du courant aux éléments résistifs 100, la tension Uc à ses bornes diminue.

En effet, on rappelle que Q=C*Uc, avec Q le nombre de charges stockées dans le condensateur et C la valeur du condensateur (en Farad). On a ainsi i=dQ/dt = CdU/dt, soit dU/dt=i/C.

On notera que le fait d’avoir une fréquence Fq relativement élevée (comprise entre 10kHz et 100kHz comme décrit précédemment) permet d’avoir un filtre relativement petit avec un (ou plusieurs) condensateur(s) 111 relativement petit(s) en volume géométrique (et donc avec une valeur en Farad relativement petite). On évite ainsi que la tension Uc aux bornes du condensateur 111 ne diminue trop rapidement et on évite également d’avoir une tension Uc trop basse. En effet, dans le cas contraire, le filtre d’entrée 11 ne serait pas assez efficace.

On obtient ainsi une tension Uc relativement constante, aux alentours de 400V dans l’exemple non limitatif pris.

Ainsi, dans un exemple non limitatif, pour une tension Uc de 400V, et un courant i2 à fournir de 10A, la valeur C du condensateur 111 est égale à 1 mF ce qui permet d’obtenir une baisse de tension Uc de 10A/1mF = 10V/ms. Ainsi, si le condensateur 111 doit fournir 10A aux éléments résistifs 100 pendant 1ms, la tension Uc à ses bornes n’aura diminué que de 10V, soit sera égale à 390V.

Pour une fréquence inférieure à 10kHz, il faudrait un condensateur beaucoup trop gros pour obtenir le même niveau de baisse de tension.

Dans un mode de réalisation non limitatif, le filtre d’entrée 11 comprend quatre condensateurs 111. Dans un exemple non limitatif, la valeur totale de l’ensemble condensateurs 111 est comprise entre 100 pF et 1mF. Les condensateurs 111 sont dimensionnés en fonction de la durée de vie désirée, et des températures à supporter selon l’application choisie pour le dispositif de chauffage électrique 1. Dans le cadre d’une application véhicule automobile, la plage de températures à supporter est en général comprise entre -40° et +125°.

On notera que le filtre d’entrée 11 et les interrupteurs de puissance 101 sont disposés sur une carte à circuit imprimé 30, l’ensemble formant l’électronique de puissance du dispositif de chauffage électrique 1.

Outre les éléments décrits précédemment, le dispositif de chauffage électrique 1 comprend : - un corps de chauffe 50 dans lequel est disposé ledit conduit de circulation du fluide 20, ledit corps de chauffe 50 comprenant un logement 51 adapté pour recevoir ledit interrupteur de puissance 101 et ledit filtre d’entrée 11 ; - la carte à circuit imprimé 30 comprenant ledit interrupteur de puissance 101 ; - un élément de maintien 40 dudit interrupteur de puissance 101 dans ledit logement 51. L’agencement de l’électronique de puissance 101 dans le dispositif de chauffage électrique 1 est décrit en détail ci-après.

Dans un exemple non limitatif, l’agencement est décrit pour : - un dispositif de chauffage électrique 1 qui comprend deux conduits de circulation du fluide 20 disposés dans le corps de chauffe 50 ; - une carte à circuit imprimé 30 qui comprend deux interrupteurs de puissance 101 et un filtre d’entrée 11 avec quatre condensateurs 111 et l’inductance 110.

Ces éléments supplémentaires sont décrits en détail ci-après.

On notera que sur la figure 2 est également représenté un câble d’alimentation électrique 5 qui vient alimenter les éléments chauffants résistifs 100 avec du courant de sorte que ces derniers puissent chauffer. • Corps de chauffe

La figure 2 illustre le corps de chauffe 50.

Le logement 51 du corps de chauffe 50 est disposé entre les deux conduits de circulation du fluide 20. Les conduits de circulation du fluide 20 sont disposés à l’intérieur du corps de chauffe 50. Ils sont illustrés en partie en pointillés schématiquement sur la figure 2.

Le corps de chauffe 50 comprend en outre : - une entrée de fluide 52 par lequel le fluide refroidi entre ; - une sortie de fluide 53 par lequel le fluide chauffé par les éléments chauffants résistifs 100 sort pour aller distribuer un circuit de gestion thermique (non illustré) ; - un capot supérieur 54.

Le capot supérieur 54 est agencé pour permettre l’alimentation en fluide, le montage des éléments chauffants résistifs 100, la sortie des fils d’alimentation électrique, d’assurer une étanchéité du circuit fluide.

On notera que le dispositif de chauffage électrique 1 fait partie d’un circuit de gestion thermique. Le circuit de gestion thermique peut être tout échangeur de chaleur (eau-air) qui fait partie dans un exemple non limitatif d’une unité de chauffage et/ou de climatisation d’un habitacle de véhicule, d’une unité de chauffage des modules batterie sur véhicules électriques et hybrides, et de toute autre installation nécessitant cette fonction d’apport thermique.

Dans un exemple non limitatif, le fluide est de l’eau au glycol.

On notera que le fluide (chauffé par les éléments chauffants résistifs 100) permet également de refroidir l’électronique de puissance du dispositif de chauffage électrique 1, à savoir les interrupteurs de puissance 101, le filtre d’entrée 11 et la carte à circuit imprimé 30. Dans un exemple non limitatif, un fluide tel que l’eau à 90°C (Celsius) permet de refroidir ladite électronique de puissance (la température du fluide étant nettement inférieure à celle de l’électronique de puissance).

Dans un mode de réalisation non limitatif, le corps de chauffe 50 avec les conduits de circulation 20 sont en aluminium ou en inox. Ces matériaux sont thermo-conducteurs. Cela permet d’avoir une bonne conduction thermique entre les éléments chauffants résistifs 100 et le fluide ce qui permet de bien chauffer ledit fluide. Bien entendu, d’autres métaux qui sont également de bons conducteurs thermiques peuvent être utilisés. On notera que l’aluminium est par ailleurs un matériau peu coûteux.

Le corps de chauffe 50 est adapté pour recevoir la carte à circuit imprimé 30. En particulier, cette dernière peut être fixée sur ledit corps de chauffe 50 au niveau du logement 51. De cette manière, l’électronique de puissance (interrupteurs de puissance 101 et filtre d’entrée 11) n’est pas déportée, mais intégrée au corps de chauffe 50. Le volume du dispositif de chauffage électrique 1 est ainsi plus compact.

Le logement 51 est adjacent aux conduits de circulation 20 de sorte que les interrupteurs de puissance 101 et le filtre d’entrée 11 sont au plus près desdits conduits de circulation 20 lorsqu’ils sont disposés dans le logement 51. Ils sont en contact thermique avec lesdits conduits de circulation 20 via les parois dudit logement 51. Par contact thermique, on entend un échange de chaleur entre les interrupteurs de puissance 101, le filtre d’entrée 11, et le fluide qui circule dans les conduits de circulation 20. • Carte à circuit imprimé

La carte à circuit imprimé 30 est couramment appelée carte PCB (« Printed Circuit Board»).

Dans un exemple non limitatif, la carte à circuit imprimé 30 a pour dimensions 45mm*50mm (millimètres). Elle est connectée au dispositif de commande 31 qui reçoit d’une unité de traitement du véhicule automobile la consigne de puissance de chauffe à appliquer au dispositif de chauffage électrique 1.

La carte à circuit imprimé 30 est adaptée pour être fixée sur le corps de chauffe 50 tel qu’illustré sur la figure 3 dans un exemple non limitatif. Dans des exemples non limitatifs, elle est fixée par collage et/ou par vissage.

Dans un mode de réalisation non limitatif illustré aux figures 3 à 10, la carte à circuit imprimé 30 comporte une ouverture 31 adaptée pour permettre le passage de tout ou partie dudit élément de maintien 40. Ladite ouverture 31 est adaptée pour être positionnée en vis-à-vis du logement 51 du corps de chauffe 50 lorsque la carte à circuit imprimé 30 est fixée sur ledit corps de chauffe 50.

De cette manière, l’élément de maintien 40 desdits interrupteurs de puissance 101 peut être inséré dans ladite ouverture 31 après que la carte à circuit imprimé 30 a été fixée sur ledit corps de chauffe 50 et que les interrupteurs de puissance 101 et le filtre d’entrée 11 ont été introduits dans le logement 51 dudit corps de chauffe 50.

Dans une première variante de réalisation non limitative illustrée sur les figures 3, 5 et 9, ladite ouverture 31 se situe au centre de ladite carte à circuit imprimé 30. Dans ce cas, l’inductance 110 est disposée à une extrémité de la carte à circuit imprimé 30, et les deux interrupteurs de puissance 101 sont disposés au centre de la carte à circuit imprimé 30, de part et d’autre de l’ouverture 31. Un interrupteur de puissance 111 est disposé entre deux condensateurs 111.

Dans une deuxième variante de réalisation non limitative illustrée sur les figures 4, 6 et 10, ladite ouverture 31 se situe à une extrémité de ladite carte à circuit imprimé 30, à savoir sur un de ses bords. Dans ce cas, l’inductance 110 est disposée au centre de la carte à circuit imprimé 30 entre les quatre condensateurs 111, et les deux interrupteurs de puissance 101 sont disposés à l’extrémité de la carte à circuit imprimé 30 de part et d’autre de l’ouverture 31. • Elément de maintien

Les figures 7 et 8 illustrent l’élément de maintien 40. Dans un mode de réalisation non limitatif, l’élément de maintien 40 comporte une pièce à effet ressort 41.

Dans un mode de réalisation non limitatif, la pièce à effet ressort 41 est en métal. Elle permet d’appliquer une pression constante sur les interrupteurs de puissance 101 lorsqu’elle est en position. On notera que la pression ne varie pas avec la température ambiante.

La pression permet d’augmenter la qualité de contact thermique entre les interrupteurs de puissance 101 et les parois des conduits de circulation 20 et par conséquent d’augmenter l’efficacité de l’échange thermique avec le fluide de sorte que les interrupteurs de puissance 101 sont mieux refroidis.

Dans un mode de réalisation non limitatif, la pièce à effet ressort 41 comprend une tête 410 de forme sensiblement triangulaire, et deux bras 411. Par pression sur l’élément de maintien 40, la tête 410 se déforme de sorte qu’elle peut s’insérer dans l’espace disponible entre les deux interrupteurs de puissance 101 qui sont disposés en regard l’un de l’autre.

Par ailleurs, lorsque l’élément de maintien 40 est en position dans ledit logement 51, un bras 411 vient prendre appui (via une patte) sur un interrupteur de puissance 101 et fait pression sur lui.

Dans un mode de réalisation non limitatif, un bras 411 comprend une patte 4110. Une patte 4110 est adaptée pour prendre appui et faire pression sur un interrupteur de puissance 101.

Tel qu’illustré sur les figures 7 et 8, la tête 410 comporte deux faces inclinées 410b qui sont jointives par un sommet 410a. Une fois la pièce à effet ressort 41 montée, le sommet 410a est équidistant des deux interrupteurs de puissance 101 et est situé dans le logement 51.

Un bras 411 vient faire pression sur un premier interrupteur de puissance 101 et l’autre bras 411 vient faire pression sur un deuxième interrupteur de puissance 101 qui se trouve en regard du premier interrupteur de puissance 101, les deux interrupteurs de puissance 101 se trouvant de part et d’autre de l’ouverture 31 de la carte à circuit imprimé 30. La pièce à effet ressort 41 est ainsi à double effet puisqu’elle appuie sur deux interrupteurs de puissance 101 à la fois. L’effort de compression de la pièce à effet ressort 41 suffit lui-même à son maintien en place.

On notera que la forme des bras 411 est en L. Cette forme est adaptée pour faciliter l’insertion de la pièce à effet ressort 41 dans ledit logement 51 et pour permettre une bonne répartition de l’effort sur les interrupteurs de puissance 101.

Selon une variante de réalisation non limitative illustrée sur la figure 7 et sur la figure 8, les deux pattes d’appui 4110 sont disposées respectivement sur chacun des deux bras 411 sur leur face externe. Dans un mode de réalisation non limitatif, les interrupteurs de puissance 101 présentent des orifices 1011 (illustrés sur les figures 5 ou 6) dans lesquels les deux pattes d’appui 4110 peuvent se loger.

La figure 7 illustre la pièce à effet ressort 41 dans une position en compression (sous contrainte), lorsqu’elle est installée en position dans le logement 51.

La pièce à effet ressort 41 est mis en compression et insérée dans l’ouverture 31 manuellement ou avec un outil de compression de ressort dans un exemple non limitatif.

La figure 8 illustre la pièce à effet ressort 41 dans une position de repos (forme ouverte non contrainte). Cette position montre comment la pièce à effet ressort 41 peut se mouvoir. Le mouvement est élastique.

La figure 9 illustre la pièce à effet ressort 41 insérée dans l’ouverture 31 selon la première variante de la carte à circuit imprimé 30 avec ses bras 411 en appui contre les deux interrupteurs de puissance 101.

La figure 10 illustre la pièce à effet ressort 41 insérée dans l’ouverture 31 selon la deuxième variante de la carte à circuit imprimé 30 avec ses bras 411 en appui contre les deux interrupteurs de puissance 101.

Grâce à la pièce à effet ressort 41, les deux interrupteurs de puissance 101 et le filtre d’entrée 11 sont bien positionnés dans le logement 51 et en contact thermique avec les conduits de circulation 20 du dispositif de chauffage électrique 1 et sont donc bien refroidis par le fluide circulant dans les conduits de circulation 20.

Bien entendu la description de l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus.

Ainsi, dans des modes de réalisation non limitatifs : - l’invention peut s’appliquer dans le cadre d’une application avec une tension d’alimentation Vbat de 48V au lieu d’une tension comprise entre 250 et 450V. L’élément chauffant résistif 100 est alimenté ainsi avec une tension d’alimentation Vbat de 48 Volts. - l’invention peut s’appliquer dans le cadre d’une application avec une tension d’alimentation Vbat de 900V. L’élément chauffant résistif 100 est alimenté ainsi avec une tension d’alimentation Vbat de 900 Volts. - le dispositif de chauffage électrique 1 peut comprendre plus de deux éléments chauffants résistifs 100.

Ainsi, dans un autre mode de réalisation non limitatif, chaque élément chauffant résistif 100 se situe à l’extérieur d’un conduit de circulation de fluide 20 et est en contact avec ledit conduit de circulation de fluide 20 de sorte que la chaleur qu’il produit est transmise audit conduit de circulation de fluide 20. Le fluide qui circule dans les conduits de circulation de fluide 20 peut ainsi être chauffé. Dans ce cas, un élément chauffant résistif 100 comprend une piste résistive. Dans mode de réalisation non limitatif, la piste résistive est sérigraphiée sur le conduit de circulation de fluide 20. Cela permet d’obtenir une faible épaisseur de piste. On notera que dans ce cas, la piste résistive 100 ne doit pas être trop inductive pour éviter de générer des surtensions qui risqueraient d’endommager l’interrupteur de puissance 101.

Ainsi, l’invention décrite présente notamment les avantages suivants : - c’est une solution simple à mettre en œuvre et peu coûteuse ; - le filtre d’entrée 11 permet de contrôler la valeur crête à crête du courant d’alimentation il fourni par la batterie Bat de traction du véhicule automobile. Ainsi, elle évite à la batterie Bat du véhicule automobile de subir des variations de courant très importantes. Les brusques variations du courant haché i2 qui alimente les éléments chauffants résistifs 100 ne se répercutent plus sur le courant d’alimentation M ; et - elle propose une solution compacte de filtre d’entrée ce qui permet d’avoir une électronique de puissance au plus proche des éléments chauffants résistifs 100 et ainsi de ne pas avoir d’inductance parasite Lp1 trop importante. L’électronique de puissance n’est ainsi pas déportée ; - elle permet d’optimiser le volume occupé par le dispositif de chauffage électrique dans le véhicule automobile grâce au filtre d’entrée et aux interrupteurs de puissance logés dans le logement 51 du corps de chauffe 50 ; - elle propose d’avoir une électronique de puissance (carte à circuit imprimé, interrupteurs de puissance) au plus proche des éléments chauffants résistifs 100. Il n’y a ainsi pas d’inductance parasite importante.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de chauffage électrique (1) d’un fluide pour véhicule automobile (V), selon lequel le dispositif de chauffage électrique de fluide (1 ) comprend : - au moins un conduit de circulation du fluide (20) ; - au moins un élément chauffant résistif (100) adapté pour être alimenté par un courant haché (i2) et pour coopérer avec ledit conduit de circulation du fluide (20) ; - au moins un interrupteur de puissance (101) adapté pour piloter ledit courant haché (i2) dudit élément chauffant résistif (100) ; - un filtre d’entrée (11) disposé en entrée dudit élément chauffant résistif (100) et adapté pour être alimenté par un courant d’alimentation (M), ledit filtre d’entrée (11) comprenant une inductance (110) et au moins un condensateur (111) et étant adapté pour lisser les variations du courant d’alimentation (il ).
2. 2. Dispositif de chauffage électrique (1) selon la revendication 1, selon lequel le dispositif de chauffage électrique (1) comprend une pluralité N d’éléments chauffants résistifs (100) et une pluralité N d’interrupteurs de puissance (101) associés.
3. 3. Dispositif de chauffage électrique (1) selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, selon lequel le dispositif de chauffage électrique (1 ) comprend deux éléments chauffants résistifs (100) et deux interrupteurs de puissance (101) associés.
4. 4. Dispositif de chauffage électrique (1) selon la revendication 2 ou la revendication 3, selon lequel les interrupteurs de puissance (101) sont pilotés selon un déphasage de 2π/Ν.
5. 5. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 4, selon lequel les interrupteurs de puissance (101) sont pilotés en modulation de largeur d’impulsions.
6. 6. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, selon lequel l’interrupteur de puissance (101) fonctionne à une fréquence comprise entre 10kHz et 100kHz.
7. 7. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 6, selon lequel l’interrupteur de puissance (101) est un transistor IGBT ou un transistor MOSFET.
8. 8. Dispositif de chauffage électrique (1) selon la revendication 9 ou la revendication 10, selon lequel le dispositif de chauffage électrique (1) comprend en outre une diode de roue libre (102) associée à l’interrupteur de puissance (101).
9. 9. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 8, selon lequel le condensateur (111) comporte une valeur comprise entre 10Omicro-Farad et 1 milli-Farad.
10. 10. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 9, selon lequel le dispositif de chauffage électrique (1) comprend en outre un dispositif de commande (30) adapté pour contrôler l’interrupteur de puissance (101).
11. 11. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 10, selon lequel l’interrupteur de puissance (101) est un interrupteur côté bas.
12. 12. Dispositif de chauffage électrique (1) selon les revendications 10 et 11, selon lequel l’interrupteur de puissance (101) est un interrupteur IGBT dont l’émetteur (E) est placé au même potentiel de référence (Ref) que ledit dispositif de commande (30).
13. 13. Dispositif de chauffage électrique (1) selon les revendications 10 et 11, selon lequel l’interrupteur de puissance (101) est un interrupteur MOSFET dont la source (S) est placée au même potentiel de référence (Ref) que ledit dispositif de commande (30).
14. 14. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 13, selon lequel le dispositif de chauffage électrique (1) comprend en outre : - un corps de chauffe (50) dans lequel est disposé ledit conduit de circulation du fluide (20), ledit corps de chauffe (50) comprenant un logement (51) adapté pour recevoir ledit interrupteur de puissance (101 ) et ledit filtre d’entrée (11); - un élément de maintien (40) dudit interrupteur de puissance (101) dans ledit logement (51).
15. 15. Dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 14, selon lequel l’élément de maintien (40) comprend une pièce à effet ressort (41).