CH688390A5 - Convertisseur courant-continu/courant-alternatif de puissance pour véhicule électrique. - Google Patents

Description

  
 



  La présente invention est relative à un convertisseur courant-continu/courant-alternatif de puissance pour véhicule électrique à moteur alternatif triphasé alimenté à partir de batteries. 



  L'emploi d'un moteur électrique alternatif, notamment asynchrone, s'avère plus intéressant que d'autres moteurs électriques connus, du fait de sa souplesse et son rendement. De plus, la simplicité de la structure du rotor monobloc réalisé à partir de feuillard et d'un stator contenant à lui seul les bobines d'induction font que ce moteur est particulièrement fiable, nécessite peu d'entretien, ce qui est particulièrement avantageux pour un véhicule automobile. Toutefois, ne pouvant actuellement stocker l'énergie électrique que sous forme de courant continu dans une pluralité de batteries, il convient de prévoir nécessairement un convertisseur de courant-continu/courant-alternatif apte à être traversé par un courant maximum potentiel très important de l'ordre de 160 Ampères. 



  Les convertisseurs utilisés à ce jour sont basés sur un étage de puissance comprenant, pour chaque phase, une paire de transistors montés en "push-pull", c'est-à-dire en série, entre la borne positive et la borne négative de l'alimentation de courant, combinés à un circuit de pilotage des transistors faisant que chacun d'eux est alternativement en l'état de conduction. On obtient alors, sur le point de liaison reliant l'émetteur du premier transistor au collecteur du second transistor, également appelé "point commun", un courant alternatif. Le circuit de pilotage est lui-même sous le contrôle d'un circuit permettant de moduler le courant traversant l'étage de puissance en fonction de  paramètres externes (position de la pédale de gaz, ...) et ce à partir d'un signal de retour (feed-back) issu d'un module de lecture du courant traversant effectivement une ligne de phase de sortie.

  Les phases de sortie sont elles-mêmes reliées au moteur asynchrone au travers d'un circuit d'interrupteurs permettant un démarrage en étoile puis un fonctionnement en triangle. Le courant maximum pouvant traverser un transistor actuel étant de l'ordre de 40 Ampères, on atteint la puissance désirée en remplaçant chacun des transistors constituant le push-pull par un groupe de trois, quatre, six ou huit transistors identiques montés ensemble en parallèle, les intensités maximum s'additionnant alors. 



  Pour réaliser des convertisseurs de puissance, on connaît des modules de puissance regroupant, dans un même boîtier, une pluralité de transistors déjà montés en parallèle. Toutefois, ces blocs de puissance sont particulièrement onéreux et s'avèrent limités dans leurs performances, ceci étant dû à une évacuation insuffisante de la chaleur dégagée notamment lors de la commutation des deux groupes de transistors. 



  Par ailleurs, l'emploi d'une multitude de transistors individuels, présentant chacun de meilleures performances électroniques, notamment quant à la rapidité de commutation, diminuant d'autant les pertes d'énergie dissipées par chaleur, se heurte au problème de la réalisation pratique de l'implantation de cette multitude de composants sur une carte complétée de moyens d'évacuation de la chaleur, tels que radiateurs, et supportant également des circuits et composants adjacents, tels que circuits de pilotage, condensateurs de rappel, diodes de roue libre et autres.

  Il faut alors résoudre trois problèmes distincts: l'implantation de chaque composant de telle sorte qu'il reste raisonnablement accessible en cas de réparation, la réalisation de liaisons suffisamment larges (éventuellement renforcées) pour être aptes à passer de fortes intensités,  ainsi qu'une disposition laissant au radiateur un espace suffisamment dégagé pour permettre une bonne évacuation de la chaleur, si possible par simple convection afin d'éviter l'adjonction d'un ventilateur. 



  Ces buts mentionnés précédemment sont réalisés, selon l'invention, par un convertisseur courant-continu/courant-alternatif de puissance pour un véhicule électrique à moteur alternatif triphasé alimenté à partir de batteries comprenant:
 - un étage de puissance formé, pour chaque phase, par une paire de circuits électroniques de commutation montés en série entre une première ligne positive et une seconde ligne négative ou neutre d'alimentation en courant continu du dispositif, leur point commun constituant la ligne de phase,
 - un circuit de pilotage pour chaque phase pilotant les circuits de commutation de telle sorte que chacun soit alternativement en l'état de conduction, et
 - un circuit de contrôle variant l'action du circuit de pilotage pour moduler le courant traversant l'étage de puissance en fonction de paramètres externes dont la position d'une pédale d'accélérateur,

   du fait que chacun des circuits de commutation de l'étage de puissance est constitué d'un groupe identique de transistors montés en parallèle, et du fait que tous les transistors sont implantés selon trois lignes parallèles, une pour chaque phase, au dos d'un radiateur commun de telle sorte que, pour chaque phase,
 - les points communs des transistors soient reliés à une première barrette métallique adjacente, matérialisant une ligne de phase et fixée à un premier niveau sur le radiateur,
 - les points d'alimentation d'un premier groupe de transistors soient reliés à une première demi-barrette métallique matérialisant la première ligne d'alimentation  fixée à un second niveau sur le radiateur,

   et ce dans l'alignement d'une première moitié de la première barrette,
 - les points d'alimentations du second groupe de transistors soient reliés à une seconde demi-barrette métallique matérialisant la seconde ligne d'alimentation fixée au même second niveau sur le radiateur, et ce dans l'alignement de la seconde moitié de la première barrette, donc dans le prolongement de la première demi-barrette,
 - chacun des deux triplets de demi-barrette étant relié en forme de E par une barrette transversale. 



  Avantageusement, la puissance utile du convertisseur peut être doublée lorsque tous les transistors sont implantés selon six lignes parallèles au dos d'un radiateur commun, deux pour chaque phase situées de part et d'autre de leurs barrettes correspondantes. 



   Avantageusement, les diodes fonctionnant lorsque le véhicule se déplace en roues libres, branchées en parallèle à un groupe de transistors, sont matériellement implantées dans chaque ligne, et ce intercalées au milieu de chaque groupe de transistors. 



  L'implantation en ligne des transistors et des diodes de puissance au dos d'un large radiateur unique, ces composants électroniques étant respectivement reliés d'une part à une barrette parallèle adjacente et d'autre part à l'une des deux barrettes supérieures alignées avec la première, ces barrettes étant également fixées fermement au dos du radiateur, permet une réalisation industrielle fiable et de coût raisonnable pour cet étage de puissance de convertisseur. En effet, les soudures des pattes des transistors ou diodes sur les barrettes peuvent s'effectuer proprement à une température suffisamment haute sans pour autant risquer de détruire d'autres composants annexes du circuit.

  Chaque composant électronique de puissance étant directement monté sur un radiateur, il suffit alors d'orienter les ailettes de refroidissement arrière vers un  volume suffisamment dégagé pour qu'une convection naturelle s'effectue. 



  Avantageusement, une carte supportant un triplet de circuits de pilotage est placée directement sur le radiateur peu au-dessus des barrettes de niveau supérieur. La carte peut supporter, de plus, des modules de lecture du courant de sortie sur une phase. Cette carte peut également supporter des condensateurs de rappel branchés entre les premières et deuxièmes lignes d'alimentation de chaque phase. Une telle carte de support, dont la superficie peut être du tiers voire de la moitié du radiateur, peut être implantée très fermement sur celui-ci. Il est possible d'y monter orthogonalement trois circuits de pilotage, un pour chaque phase, et de relier la base de chaque transistor d'un groupe à leurs cartes correspondant est par des faisceaux électriques distincts et courts. On résout alors élégamment le problème du respect de l'accessibilité de chacun des composants individuels. 



  L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation du convertisseur selon l'invention pris à titre d'exemple nullement limitatif, et décrit par les figures suivantes, dans lesquelle 
 
   - la fig. 1 est un schéma de principe du convertisseur courant-continu/courant-alternatif alimentant un moteur asynchrone de véhicule électrique; 
   - la fig. 2 illustre schématiquement l'implantation de pas moins de 36 composants de puissance appartenant à l'étage de puissance du convertisseur sur un radiateur unique; 
   - la fig. 3 illustre schématiquement l'implantation de 64 composants électroniques de puissance sur un même radiateur, et 
   - la fig. 4 illustre schématiquement l'implantation de composants complémentaires sur une carte de support prévue pour être installée sur le dessus du radiateur des fig. 2 et 3. 
 



  Dans le plan schématique du convertisseur représenté sur la fig. 1, on reconnaît les deux bornes d'alimentation "-" et "+" de courant continu branchées directement sur le groupe de batteries du véhicule électrique. Sur la ligne "+" est intercalé un fusible protégé par une diode, et, entre ces deux lignes, est également installé un condensateur important de régulation. Ces deux bornes alimentent respectivement un circuit de commande 10, un étage de pilotage composé de trois circuits de pilotage 20, et un étage de puissance 30 formé de trois sous-ensembles, un pour chaque phase A, B et C, chacun comportant deux groupes de quatre transistors 32 montés en parallèle, les paires de groupes étant montées en push-pull entre une ligne d'alimentation "+" et une ligne d'alimentation "-". 



  De manière schématique, le circuit de commande 10 reçoit, d'une part, un signal électrique représentatif de la position de la pédale dite "de gaz" 5, et d'autre part, un signal des résistances de shunt 12, montées en série à l'entrée de la ligne "-" mesurant l'intensité du courant venant des batteries, ainsi que deux signaux issus de modules de lecture de courant alternatif de sortie sur les phases A et B. Le circuit de commande 10 est directement relié par des liaisons 21 à chacun des trois circuits de pilotage 20, chaque circuit comprenant deux sous-circuits reliés par des faisceaux 231 et 232 respectivement à la base des transistors du groupe supérieur et la base des transistors du groupe inférieur d'un montage "push-pull" de la phase correspondante.

  Le collecteur des transistors du groupe supérieur est relié à la ligne positive 110, les émetteurs du groupe de transistors inférieur sont reliés à la ligne négative 120, et les émetteurs des transistors supérieurs  sont conjointement reliés au collecteur des transistors du groupe inférieur à une ligne commune de phase 100A, B, C. Des diodes 34, montées en parallèle entre les transistors 32 assurent un retour du courant lorsque la voiture se déplace en roues libres. 



  La fig. 2 illustre l'implantation, selon l'invention, des transistors 32 et des diodes 34 de l'étage de puissance 30 sur le dos d'un radiateur 50. Sur cette face plane arrière de radiateur 50 sont d'abord installées trois barrettes de cuivre parallèles équidistantes 100A, 100B et 100C matérialisant les trois lignes de phases. Ces barrettes sont, par exemple, fixées à l'aide d'isolateurs à une hauteur de l'ordre de 2 à 4 mm. 



  Au-dessus et sur la moitié droite de chaque barrette 100 sont installées, parallèlement, des demi-barrettes 110 de cuivre reliées ensemble en leurs extrémités droites par une traverse 130 constituant une connexion rigide sous la forme d'un E inversé. Cette liaison en E est reliée directement à la borne positive de l'alimentation en courant continu. De manière symétrique, trois demi-barrettes 120 de cuivre sont installées directement au dessus de la moitié gauche des barrettes inférieures 100A, B, C, et elles sont reliées ensemble en leurs extrémités gauches par une traverse 130 formant ainsi une liaison en E. Cette liaison est reliée directement à la borne négative de l'alimentation en courant continu. 



  Alors, comme illustré sur la fig. 2, on peut aisément installer, pour chaque phase, de gauche à droite en ligne le premier puis le second groupe de transistors 32 monté en push-pull en face d'un ensemble de barrette inférieure et paire de demi-barrettes supérieures, ce qui permet la soudure des pattes à la barrette correspondante de manière aisée et propre. 



   Sur la fig. 3 est illustrée l'implantation de l'étage de puissance pour un convertisseur deux fois plus  puissant, chaque phase matérialisée par une barrette 100A, B, C étant entourée de part et d'autre des composants électroniques de puissance. On peut ainsi envisager la conversion de courant de l'ordre de 300 Ampères. Comme précédemment, chaque transistor est aisément accessible individuellement. 



  Dans le mode de réalisation décrit, les transistors 34 sont de type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tels que ceux commercialisés par la société IXYS sous la référence "40N50". Ces transistors, ayant un temps de commutation particulièrement rapide donc des pertes thermiques raisonnables, peuvent être aisément montés au moyen d'une plaquette d'isolation en oxyde d'aluminium à plat sur le radiateur 50 tel qu'illustré sur les fig. 2 et 3. Les dimensions nécessaires de ce radiateur ne dépassent alors pas 22 cm de large pour 30 cm de long. Les condensateurs 34 peuvent, par exemple, être ceux commercialisés par la même société IXYS sous la dénomination "DSEI60 04A". 



  Dans le coin inférieur laissé libre sur la face arrière du radiateur, on peut installer les deux résistances de "shunt" 12 pour la mesure du courant venant des batteries et, dans le coin supérieur, le condensateur volumineux d'entrée. 



  Sur la fig. 4 est illustré, à une échelle 2 sensiblement du double de celle des fig. 2 et 3, la disposition de divers éléments sur une carte de support 45 installée peu au-dessus des demi-barrettes 110, 120 parallèlement à la face arrière du radiateur 50. Cette carte 45 comprend d'abord, dans sa partie supérieure droite, trois emplacements parallèles dans lesquels sont enfichées les cartes de pilotage 20, une pour chaque phase. Chaque emplacement est lié à un connecteur 21 recevant un faisceau de liaison venant du circuit de commande adjacent 10. Sur le dessus de chaque carte de pilotage 20 sont ménagés deux autres connecteurs 231 et 232 pour les faisceaux de fils reliant les bases de transistors de puissance qui,  incidemment, se retrouvent avantageusement très proches peu en dessous. 



  Cette carte 45 supporte également deux modules de lecture de courant alternatif de sortie sur les phases A et B, chaque module étant traversé par un câble directement relié aux barrettes sous-jacentes A et B. Lorsque cette carte 45, après avoir été tournée d'un quart de tour, est installée au-dessus de la partie gauche du radiateur 50, on constate qu'il est également possible d'installer sur cette carte les trois condensateurs de rappel 38 de telle sorte qu'ils puissent être reliés directement entre les demi-barrettes 110 et 120 au niveau de leurs extrémités en vis-à-vis. 



   Comme on a pu le constater à la lecture de cet exposé, l'invention fournit un mode de réalisation aisément industrialisable d'un convertisseur courant-continu/courant-alternatif pouvant passer jusqu'à 150 Ampères, voire le double, et ce dans des dimensions raisonnables, tout à fait apte à être intégré au sein d'un véhicule électrique. Surtout, la fixation des éléments électroniques de puissance et des liaisons sur le dos du radiateur peut être réalisée sans autre de manière rigide pour que ce convertisseur reste fiable quelles que soient les vibrations subies par le véhicule, notamment au niveau des multiples soudures de pattes. De nombreuses améliorations peuvent être apportées à ce convertisseur dans le cadre de cette invention. 

Claims (6)

1. Convertisseur courant-continu/courant-alternatif de puissance pour véhicule électrique à moteur alternatif triphasé alimenté à partir de batteries comprenant: - un étage de puissance formé, pour chaque phase, par une paire de circuits électroniques de commutation montés en série entre une première ligne positive et une seconde ligne négative ou neutre d'alimentation en courant continu du dispositif, leur point commun constituant la ligne de phase, - un circuit de pilotage pour chaque phase pilotant les circuits de commutation de telle sorte que chacun soit alternativement en l'état de conduction, et - un circuit de contrôle variant l'action du circuit de pilotage pour moduler le courant traversant l'étage de puissance en fonction de paramètres externes dont la position d'une pédale d'accélérateur,

caractérisé en ce que chacun des circuits de commutation de l'étage de puissance est constitué d'un groupe identique de transistors (34) montés en parallèle, et en ce que tous les transistors sont implantés selon trois lignes parallèles, une pour chaque phase, au dos d'un radiateur (50) commun de telle sorte que, pour chaque phase, - les points communs des transistors soient reliés à une première barrette métallique (100) adjacente, matérialisant une ligne de phase et fixée à un premier niveau sur le radiateur, - les points d'alimentation d'un premier groupe de transistors soient reliés à une première demi-barrette métallique (110) matérialisant la première ligne d'alimentation fixée à un second niveau sur le radiateur, et ce dans l'alignement d'une première moitié de la première barrette,

- les points d'alimentation du second groupe de transistors soient reliés à une seconde demi-barrette métallique (120) matérialisant la seconde ligne d'alimentation fixée au même second niveau sur le radiateur, et ce dans l'alignement de la seconde moitié de la première barrette, donc dans le prolongement de la première demi-barrette, - chacun des deux triplets de demi-barrette étant relié en forme de E par une barrette transversale (130).

2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous les transistors sont implantés selon six lignes parallèles au dos du radiateur (50) commun, deux pour chaque phase situées de part et d'autre de leurs barrettes correspondantes.

3.

Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des diodes, branchées en parallèle à un groupe de transistors, sont implantées dans chaque ligne, et ce intercales au milieu de chaque groupe de transistors.

4. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une carte (45) supportant un triplet de circuit de pilotage (20) est placée directement sur le radiateur (50) peu au-dessus des barrettes de niveau supérieur.

5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la carte (45) supporte, de plus, des modules (22) de lecture du courant de sortie sur une phase.

6. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la carte (45) supporte, de plus, des condensateurs (38) de rappel branchés entre la première et la deuxième ligne d'alimentation de chaque phase.