FR3127362A1 - Onduleur pour véhicules électriques ou hybrides refroidi par un module Peltier - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un onduleur (1) destiné à alimenter en courant un moteur électrique d’un véhicule électrique ou hybride comprenant un module de puissance (2) comportant un boîtier (3) logeant des composants électroniques dont au moins un transistor semi-conducteur (4), l’onduleur (1) comprenant un dissipateur thermique (6) destiné à refroidir le module de puissance (2), caractérisé en ce qu’il comprend un module Peltier (7) disposé entre le module de puissance (2) et le dissipateur thermique (6) et configuré pour transférer des calories du module de puissance (2) vers le dissipateur thermique (6). Figure de l’abrégé : Fig. 1
Description
L'invention se rapporte à un onduleur destiné à alimenter en courant un moteur électrique d’un véhicule électrique ou hybride, à un véhicule électrique ou hybride comprenant un tel onduleur et à un procédé de fonctionnement de l’onduleur.
Les véhicules automobiles électriques ou hybrides comprennent un système de motorisation électrique alimenté par une batterie d'alimentation pouvant présenter une tension de 48 Volts, par exemple, via un réseau électrique embarqué.
La batterie d'alimentation assure une fonction d'alimentation en énergie du système de motorisation électrique permettant la propulsion du véhicule. Afin de commander la machine électrique entrainant les roues du véhicule, il est connu d'utiliser un onduleur permettant de convertir le courant continu fourni par la batterie d'alimentation en un ou plusieurs courants de commande alternatifs.
L'onduleur comprend une carte électronique comportant des composants électroniques de puissance par lesquels passe l'énergie alimentant le système de motorisation électrique. Classiquement, les composants électroniques de puissance sont agencés sous la forme d'un module de puissance. L'onduleur comprend aussi une unité de commande comprenant des composants électroniques permettant de commander les composants électroniques de puissance de l'onduleur.
Le module de puissance comprend un boîtier contenant les composants électroniques de puissance. L'énergie alimentant le moteur électrique passe ainsi dans les composants électroniques de puissance. Ces composants électroniques de puissance peuvent comprendre des interrupteurs électroniques, tels que par exemple des transistors semi-conducteurs, et sont agencés en circuit électrique pour permettre un passage commandé d'énergie électrique entre la batterie d'alimentation et le moteur électrique. En particulier, les composants électroniques de puissance comprennent des puces semi-conductrices nues pour lesquels le boîtier réalise une encapsulation. Autrement dit, un seul boîtier réalise le conditionnement de toutes les puces semi-conductrices nues du module de puissance.
Il est connu que ces composants électroniques de puissance et plus particulièrement les transistors semi-conducteurs émettent de la chaleur.
Notamment, le courant de drain dans un transistor à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor (MOS) » en anglais) peut être important (400 Arms max environ). Par conséquent, la température de l’onduleur peut augmenter et atteindre une température élevée de 175°C risquant d’endommager le transistor qui ne doit pas dépasser cette température.
En général, un module de puissance doit pouvoir dissiper une chaleur d'une puissance de l'ordre de 400 Watts maximum.
À cet effet, le module de puissance peut être mis en en contact avec un dissipateur thermique recevant un fluide de refroidissement dans un circuit de refroidissement et pouvant être équipé d’un ventilateur.
Cependant, avec ces dissipateurs thermiques de l’art antérieur, la température atteinte par les transistors semi-conducteurs est une barrière empêchant d'augmenter la puissance des moteurs électriques.
Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un onduleur pour véhicules électriques ou hybrides permettant de mieux dissiper la chaleur produite par les transistors semi-conducteurs du module de puissance afin d'augmenter la puissance des moteurs électriques.
Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un onduleur destiné à alimenter en courant un moteur électrique d’un véhicule électrique ou hybride comprenant un module de puissance comportant un boîtier logeant des composants électroniques dont au moins un transistor semi-conducteur. L’onduleur comprend un dissipateur thermique configuré pour refroidir le module de puissance.
Selon l’invention, l’onduleur comprend un module Peltier disposé entre le module de puissance et le dissipateur thermique. Le module Peltier est configuré pour transférer des calories du module de puissance vers le dissipateur thermique.
L‘invention fournit ainsi un onduleur pour véhicules électriques ou hybrides permettant de mieux dissiper la chaleur produite par les transistors semi-conducteurs du module de puissance afin d'augmenter la puissance des moteurs électriques.
En particulier, l’invention permet d’abaisser la température de jonction des transistors MOS au moyen du module Peltier agissant comme une pompe à calorie transférant les calories des transistors MOS vers le dissipateur thermique.
En variante, le module Peltier comprend une face chaude fixée à une paroi interne du dissipateur thermique.
De préférence, la face chaude du module Peltier est fixée sur la paroi interne du dissipateur thermique au moyen d’une couche de colle thermique.
La colle permet d’augmenter la conduction thermique entre le module Peltier et le dissipateur thermique.
Selon une autre variante, le module Peltier comprend une face froide en contact avec une première paroi du boîtier du module de puissance.
De préférence, la face froide du module Peltier est en contact avec toute la surface de la première paroi du boîtier du module de puissance.
Ceci permet d’optimiser le refroidissement des transistors.
Selon une autre variante, la première paroi du boîtier du module de puissance est en regard d’une face interne du transistor semi-conducteur. La face interne du transistor repose sur une carte électronique.
Ceci permet de refroidir davantage le dessous des transistors que le dessus, ce qui permet de dissiper plus efficacement les calories au cœurs des transistors.
Selon une autre variante, le module Peltier comprend une première couche de cuivre en regard de la paroi interne du dissipateur thermique, une deuxième couche de cuivre et une couche de céramique positionnée entre les deux couches de cuivre. La première couche de cuivre comprend la face chaude du module Peltier et est reliée à une source d’alimentation électrique.
Selon une autre variante, le module Peltier est relié à un dispositif de commande configuré pour permettre l’alimentation en électricité du module Peltier lorsque le véhicule est en fonctionnement afin de refroidir le module de puissance ou pour permettre au module Peltier de générer du courant lorsque le véhicule est à l’arrêt afin de recharger une batterie ou alimenter des composants électroniques.
Le module Peltier présente ainsi une double fonction car il permet soit de refroidir le module de puissance ou soit de produire de l’électricité, ce qui améliore l’impact écologique.
L’invention concerne également un véhicule électrique ou hybride comprenant un onduleur tel que défini précédemment et alimentant un moteur électrique en courant.
L’invention concerne également un procédé de fonctionnement d’un onduleur tel que défini précédemment.
Lorsque le véhicule est en fonctionnement, le module Peltier est alimenté en courant par la source d’alimentation électrique de façon à absorber les calories du module de puissance. Et lorsque le véhicule n’est pas en fonctionnement, le gradient de température entre la face chaude et la face froide du module Peltier génère un courant électrique alimentant des composants électriques de l’onduleur ou rechargeant la source d’alimentation électrique.
On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, des formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
La illustre un onduleur 1 destiné à alimenter en courant un moteur électrique 21 d’un véhicule électrique ou hybride et comprenant un module de puissance 2.
Le module de puissance 2 comporte un boîtier 3 logeant des composants électroniques dont au moins un transistor semi-conducteur 4 tel un transistor à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor (MOS) » en anglais).
Les transistors semi-conducteurs 4 sont nus et sont donc protégés par le boîtier 3. Le boîtier 3 comprend une première paroi 12 et une deuxième paroi 22 opposée à la première paroi 12, comme illustré sur la .
Dans l’exemple des figures 1 et 2, le module de puissance 2 comprend une carte électronique 17 comprenant six transistors semi-conducteurs 4 à effet de champ à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor field effect transistor (MOSFET) » en anglais).
L’onduleur 1 comprend une carte de contrôle 5, comme illustrée sur la , destinée à commander les composants électroniques du module de puissance 2. La carte de contrôle 5 est positionnée en regard de la deuxième paroi 22 du boîtier 3. La carte de contrôle 5 peut être fixée sur une plaque support.
L’onduleur 1 comprend un dissipateur thermique 6 destiné à refroidir le module de puissance 2. Le dissipateur thermique 6 comprend une paroi interne 10 positionnée du côté de la première paroi 12 du boîtier 3 du module de puissance 2. La paroi interne 10 est de préférence une plaque métallique, telle une plaque en aluminium. Le dissipateur thermique 6 comprend un circuit de refroidissement d’eau pour refroidir la première paroi 12 du boîtier 3.
En variante, le dissipateur thermique 6 peut comprendre un ventilateur refroidissant la paroi interne 10.
Le dissipateur thermique 6 peut comprendre le circuit de refroidissement d’eau associé au ventilateur.
Selon l’invention, l’onduleur 1 comprend un module Peltier 7 disposé entre le module de puissance 2 et le dissipateur thermique 6. Le module Peltier 7 est configuré pour transférer des calories du module de puissance 2 vers le dissipateur thermique 6.
Le module Peltier 7 met en œuvre la thermoélectricité et plus précisément l’effet Peltier. Le module Peltier 7 est relié à une alimentation électrique pour être alimenté par un courant électrique et présente deux faces opposées, dont une face chaude 8 et une face froide 9. Lorsqu’un courant électrique est introduit, la face froide 9 absorbe les calories du module de puissance 2 et la face chaude 8 les dissipe vers le dissipateur thermique 6.
Il est possible d’utiliser un module Peltier 7 classique du commerce.
Selon un mode de réalisation, la face chaude 8 est fixée à la paroi interne 10 du dissipateur thermique 6.
De préférence, la face chaude 8 du module Peltier 7 est fixé sur la paroi interne 10 du dissipateur thermique 6 au moyen d’une couche de colle thermique 11. La couche de colle thermique 11 est électriquement isolante et présente une conduction thermique élevée.
D’autres moyens de fixation sont possibles, comme des vis par exemple.
La face froide 9 du module Peltier 7 est en contact direct avec une première paroi 12 du boîtier 3 du module de puissance 2.
La face froide 9 du module Peltier 7 et la première paroi 12 du boîtier 3 sont avantageusement plane pour optimiser l’échange thermique.
Chaque transistor semi-conducteur 4 comprend une face interne 14 reposant sur la carte électronique 17. La face interne 14 est positionnée en regard de la première paroi 12 du boîtier 3 du module de puissance 2, c’est-à-dire au plus près de la face froide 9 du module Peltier 7.
Chaque transistor semi-conducteur 4 comprend également une face externe 15, opposée à la face interne 14, et en regard de la deuxième paroi 22 du boîtier 3.
Selon un mode de réalisation, le module Peltier 7 comprend une première couche de cuivre 18 en regard de la paroi interne 10 du dissipateur thermique 6, une deuxième couche de cuivre 20 et une couche de céramique 19 positionnée entre les deux couches de cuivre 18, 20. La première couche de cuivre 18 comprend la face chaude 8 du module Peltier 7 et est reliée à une source d’alimentation électrique.
Selon le mode de réalisation de la , la couche de colle thermique 11 est positionnée entre la première couche de cuivre 18 et la paroi interne 10 du dissipateur thermique 6.
L’épaisseur de la couche de colle thermique 11 varie entre 110 µm et 350 µm. L’épaisseur de la couche de colle thermique 11 est idéalement comprise entre 324 µm et 342 µm.
L’épaisseur de la première couche de cuivre 18 varie entre 280 µm et 300 µm. L’épaisseur de la première couche de cuivre 18 est idéalement de 295 µm.
L’épaisseur de la couche de céramique 19 varie entre 300 µm et 400 µm. L’épaisseur de la couche de céramique 19 est idéalement de 389 µm.
L’épaisseur de la deuxième couche de cuivre 20 varie entre 280 µm et 300 µm. L’épaisseur de la deuxième couche de cuivre 20 est idéalement de 289 µm.
En variante, le module Peltier 7 peut comprendre d’autres couches comme un premier substrat isolant électriquement recouvrant la face froide 9 et donc la deuxième couche de cuivre 20.
De même, le module Peltier 7 peut comprendre un deuxième substrat isolant électriquement recouvrant la face chaude 8 et donc la première couche de cuivre 18.
La couche de céramique 19 peut comprendre des matériaux semi-conducteurs à base de tellure de bismuth, par exemple.
L’onduleur 1 peut comprendre un seul module Peltier 7 recouvrant partiellement ou toute la surface de la première paroi 12 du boîtier 3 du module de puissance 2.
En variante, l’onduleur 1 peut comprendre plusieurs modules Peltier 7 recouvrant partiellement ou toute la surface de la première paroi 12 du boîtier 3 du module de puissance 2.
Avantageusement, le ou les modules Peltier 7 sont placés en regards de chaque transistor semi-conducteur 4.
Le module Peltier 7 est relié à la carte de contrôle ou à un dispositif de contrôle relié à une source d’alimentation 12 volts ou 48 volts. Le dispositif de contrôle comprend un commutateur pour alimenter ou non le module Peltier 7.
Selon un procédé de fonctionnement de l’onduleur 1, lorsque le véhicule est en fonctionnement, le module Peltier 7 est alimenté en courant par la source d’alimentation électrique de façon à absorber les calories du module de puissance 2.
Lorsque le véhicule n’est pas en fonctionnement, le gradient de température entre la face chaude 8 et la face froide 9 du module Peltier 7 produit après fonctionnement du véhicule, génère un courant électrique alimentant des composants électriques de l’onduleur 1 ou rechargeant la source d’alimentation électrique ou une batterie, selon le principe de l’effet Seebeck.
Le dispositif de contrôle pilote l’alimentation en courant du module Peltier 7 et la production de courant par le module Peltier 7 en fonction de l’état de fonctionnement du véhicule (marche ou arrêt).
Claims (10)
- Onduleur (1) destiné à alimenter en courant un moteur électrique (21) d’un véhicule électrique ou hybride comprenant un module de puissance (2) comportant un boîtier (3) logeant des composants électroniques dont au moins un transistor semi-conducteur (4), l’onduleur (1) comprenant un dissipateur thermique (6) configuré pour refroidir le module de puissance (2), caractérisé en ce qu’il comprend un module Peltier (7) disposé entre le module de puissance (2) et le dissipateur thermique (6) et configuré pour transférer des calories du module de puissance (2) vers le dissipateur thermique (6).
- Onduleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module Peltier (7) comprend une face chaude (8) fixée à une paroi interne (10) du dissipateur thermique (6).
- Onduleur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face chaude (8) du module Peltier (7) est fixée sur la paroi interne (10) du dissipateur thermique (6) au moyen d’une couche de colle thermique (11).
- Onduleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le module Peltier (7) comprend une face froide (9) en contact avec une première paroi (12) du boîtier (3) du module de puissance (2).
- Onduleur (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face froide (9) du module Peltier (7) est en contact avec toute la surface de la première paroi (12) du boîtier (3) du module de puissance (2).
- Onduleur (1) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la première paroi (12) du boîtier (3) du module de puissance (2) est en regard d’une face interne (14) du transistor semi-conducteur (4), la face interne (14) du transistor semi-conducteur (4) reposant sur une carte électronique (17).
- Onduleur (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le module Peltier (7) comprend une première couche de cuivre (18) en regard de la paroi interne (10) du dissipateur thermique (6), une deuxième couche de cuivre (20) et une couche de céramique (19) positionnée entre les deux couches de cuivre (18, 20), la première couche de cuivre (18) comprenant la face chaude (8) du module Peltier (7) et étant reliée à une source d’alimentation électrique.
- Onduleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le module Peltier (7) est relié à un dispositif de commande configuré pour permettre l’alimentation en électricité du module Peltier (7) lorsque le véhicule est en fonctionnement afin de refroidir le module de puissance (2) ou pour permettre au module Peltier (7) de générer du courant lorsque le véhicule est à l’arrêt afin de recharger une batterie ou d’alimenter des composants électroniques.
- Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comprend un onduleur (1) tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et alimentant un moteur électrique (21) en courant.
- Procédé de fonctionnement d’un onduleur (1) tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et destiné à alimenter en courant un moteur électrique (21) d’un véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce que lorsque le véhicule est en fonctionnement, le module Peltier (7) est alimenté en courant par une source d’alimentation électrique de façon à absorber les calories du module de puissance (2), et lorsque le véhicule n’est pas en fonctionnement, le gradient de température entre la face chaude (8) et la face froide (9) du module Peltier (7) génère un courant électrique alimentant des composants électriques de l’onduleur (1) ou rechargeant la source d’alimentation électrique.
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|---|---|---|---|---|
| JP2008061375A (ja) * | 2006-08-31 | 2008-03-13 | Daikin Ind Ltd | 電力変換装置 |
| JP2010080782A (ja) * | 2008-09-26 | 2010-04-08 | Toshiba Corp | パワー半導体モジュールとそれを用いたインバータシステム |
| KR20180032411A (ko) * | 2016-09-22 | 2018-03-30 | 주식회사 엘지화학 | 열전 소자를 적용한 차량 파워 모듈 |
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