FR3092955A1 - Electric heating device for motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Dispositif de chauffage électrique pour véhicule automobile Dispositif de chauffage électrique (1), comportant un bloc de chauffe (16) et un système de commande électrique (18), dans lequel le bloc de chauffe comporte au moins un élément chauffant résistif (22) disposé sur le trajet d’un fluide à réchauffer et adapté pour être alimenté par un courant électrique, et dans lequel le système de commande comporte au moins un interrupteur de puissance (34, 36), piloté pour fournir le courant électrique à l’élément chauffant résistif, et une unité de commande (19) configurée pour piloter l’au moins un interrupteur de puissance, caractérisé en ce que l’unité de commande est configurée pour piloter l’au moins un interrupteur de puissance à une fréquence de commutation (Fq) comprise entre 1Hz et 20Hz.Electric heating device for a motor vehicle Electrical heating device (1), comprising a heating block (16) and an electrical control system (18), in which the heating block comprises at least one resistive heating element (22) arranged on the path of a fluid to be heated and adapted to be supplied by an electric current, and in which the control system comprises at least one power switch (34, 36), controlled to supply the electric current to the heating element resistive, and a control unit (19) configured to drive the at least one power switch, characterized in that the control unit is configured to drive the at least one power switch at a switching frequency (Fq ) between 1Hz and 20Hz.
Description
Le secteur technique de la présente invention est celui des dispositifs de chauffage électriques, et notamment les dispositifs de chauffage électriques aptes à équiper des installations de ventilation, chauffage et/ou climatisation montés sur un véhicule propulsé par un moteur électrique et/ou hybride.The technical sector of the present invention is that of electric heating devices, and in particular electric heating devices capable of equipping ventilation, heating and / or air conditioning installations mounted on a vehicle propelled by an electric and / or hybrid motor.
L'invention vise plus particulièrement un dispositif de chauffage électrique monté dans ces installations et traversé par un flux d'air circulant dans un boîtier de cette installation.The invention relates more particularly to an electric heating device mounted in these installations and through which an air flow circulates in a housing of this installation.
Les constructeurs automobiles sont amenés à développer des véhicules qui fonctionnent à partir de sources d'énergie différentes du pétrole. La propulsion du véhicule par l'énergie électrique est une solution qui représente une alternative intéressante en termes d’écologie notamment. Il est nécessaire d'embarquer des batteries pour stocker cette énergie électrique et la fournir à un moteur électrique qui assure la propulsion du véhicule.Automobile manufacturers are required to develop vehicles that run on energy sources other than petroleum. The propulsion of the vehicle by electric energy is a solution which represents an interesting alternative in terms of ecology in particular. It is necessary to take batteries on board to store this electrical energy and supply it to an electric motor which propels the vehicle.
Des véhicules tout électriques, c’est-à-dire n’étant propulsés que par le biais de l’énergie électrique stockée dans le véhicule, sont développés, ainsi que des véhicules hybrides dans lesquels la propulsion ou la traction du véhicule se fait ponctuellement par l’intermédiaire du fonctionnement d’un moteur électrique pour limiter la consommation de carburant du moteur thermique par ailleurs présent sur le véhicule.All-electric vehicles, that is to say, being propelled only by the means of the electric energy stored in the vehicle, are developed, as well as hybrid vehicles in which the propulsion or traction of the vehicle is done punctually. by means of the operation of an electric motor to limit the fuel consumption of the heat engine also present on the vehicle.
Les véhicules actuels équipés d'un moteur à combustion interne assurent le chauffage de l'habitacle en dérivant tout ou partie du fluide qui assure le refroidissement du moteur à combustion interne. Ce fluide de refroidissement chauffe au contact du moteur à combustion interne et cède ses calories à un flux d'air envoyé dans l'habitacle, par échange thermique dans un échangeur de chaleur approprié.Current vehicles equipped with an internal combustion engine heat the passenger compartment by deriving all or part of the fluid which cools the internal combustion engine. This cooling fluid heats up on contact with the internal combustion engine and transfers its calories to a flow of air sent into the passenger compartment, by heat exchange in a suitable heat exchanger.
Dans le cas d'un véhicule électrique ou hybride, des modes de fonctionnement existent en l'absence de disponibilité du moteur à combustion interne privant le système de chauffage de cette source de calories. Il est alors connu d'assurer le chauffage de l'habitacle au moyen d'un radiateur électrique qui puise son énergie sur une batterie qui fournit également l'énergie nécessaire au moteur électrique de propulsion.In the case of an electric or hybrid vehicle, operating modes exist in the absence of availability of the internal combustion engine depriving the heating system of this source of calories. It is then known to ensure the heating of the passenger compartment by means of an electric radiator which draws its energy from a battery which also supplies the energy necessary for the electric propulsion motor.
Ces radiateurs électriques comportent notamment un corps de chauffe agencé en travers du passage de fluide à réchauffer et une unité de commande, connu sous l’appellation anglaise de « driver », qui est configurée pour piloter l’alimentation de chacun des éléments résistifs présents dans le corps de chauffe, via un ou plusieurs interrupteurs de puissance.These electric heaters include in particular a heating body arranged across the passage for the fluid to be heated and a control unit, known by the English name of "driver", which is configured to control the power supply of each of the resistive elements present in the heat sink. the heating body, via one or more power switches.
Selon la tension à laquelle le courant est susceptible d’être délivré dans les radiateurs électriques, et donc selon la quantité de chaleur susceptibles d’être émises par les éléments résistifs, il est possible d’équiper les installations de chauffage, ventilation et climatisation avec des radiateurs électriques additionnels qui fournissent ponctuellement un apport d’énergie, par exemple au démarrage du véhicule, ou bien avec des radiateurs qui assurent intégralement la fonction de chauffage.Depending on the voltage at which the current is likely to be delivered in the electric heaters, and therefore depending on the amount of heat likely to be emitted by the resistive elements, it is possible to equip heating, ventilation and air conditioning systems with additional electric radiators which supply energy from time to time, for example when the vehicle is started, or else with radiators which fully perform the heating function.
Quel que soit le rôle principal ou secondaire de ces radiateurs électriques, les interrupteurs de puissance sont pilotés par commutation successive, de manière à fournir aux éléments chauffants résistifs un courant haché. Il est notamment prévu de piloter les interrupteurs de puissance via un signal de type PWM, c’est-à-dire selon une technique de modulation de largeur d’impulsion modulable.Whatever the main or secondary role of these electric heaters, the power switches are controlled by successive switching, so as to supply the resistive heating elements with chopped current. In particular, it is planned to drive the power switches via a PWM type signal, that is to say according to a modulable pulse width modulation technique.
Dans les cas pratiques connus à ce jour, un tel pilotage peut notamment être réalisé à une fréquence de commutation des interrupteurs de l’ordre de 75Hz, et il a été constaté qu’un tel pilotage des interrupteurs de puissance génère un risque de résonnance avec d’autres composants du véhicule et notamment l’alternateur associé au moteur électrique.In the practical cases known to date, such control can in particular be carried out at a switching frequency of the switches of the order of 75 Hz, and it has been observed that such control of the power switches generates a risk of resonance with other components of the vehicle and in particular the alternator associated with the electric motor.
Le but de la présente invention est donc de résoudre les inconvénients décrits ci-dessus principalement en réalisant un dispositif de chauffage électrique, comportant un bloc de chauffe et un système de commande électrique, dans lequel le bloc de chauffe comporte au moins un élément chauffant résistif disposé sur le trajet d’un fluide à réchauffer et adapté pour être alimenté par un courant électrique, et dans lequel le système de commande comporte au moins un interrupteur de puissance, piloté pour fournir le courant électrique à l’élément chauffant résistif, et une unité de commande configurée pour piloter l’au moins un interrupteur de puissance. Selon l’invention, l’unité de commande est configurée pour piloter l’au moins un interrupteur de puissance à une fréquence de commutation comprise entre 1Hz et 20Hz.The aim of the present invention is therefore to solve the drawbacks described above mainly by producing an electric heating device, comprising a heating block and an electrical control system, in which the heating block comprises at least one resistive heating element. arranged on the path of a fluid to be heated and adapted to be supplied by an electric current, and in which the control system comprises at least one power switch, controlled to supply the electric current to the resistive heating element, and a control unit configured to control the at least one power switch. According to the invention, the control unit is configured to drive at least one power switch at a switching frequency between 1Hz and 20Hz.
Le système de commande peut être configuré pour piloter l’au moins un interrupteur de puissance à une fréquence de commutation comprise entre 1Hz et 7Hz, et plus particulièrement à une fréquence de commutation comprise entre 1Hz et 2Hz.The control system can be configured to drive at least one power switch at a switching frequency between 1Hz and 7Hz, and more particularly at a switching frequency between 1Hz and 2Hz.
Un tel pilotage permet une limitation du bruit de fonctionnement de l’installation de chauffage, ventilation et climatisation, ce qui est particulièrement avantageux dans le cas d’application d’un radiateur électrique agencé au sein d’un boîtier HVAC (pour l’acronyme anglais « Heating Ventilating and Air Conditioning »), puisque la structure mécanique entourant le bloc de chauffe du dispositif de chauffage électrique tend à amplifier le bruit.Such control makes it possible to limit the operating noise of the heating, ventilation and air conditioning installation, which is particularly advantageous in the case of the application of an electric heater arranged within an HVAC box (for the acronym English "Heating Ventilating and Air Conditioning"), since the mechanical structure surrounding the heating block of the electric heater tends to amplify the noise.
Il convient de noter que le pilotage avec une telle fréquence de commutation permet toutefois de ne pas infliger à l’utilisateur un ressenti de perte d’efficacité thermique.It should be noted that piloting with such a switching frequency makes it possible, however, not to inflict on the user a feeling of loss of thermal efficiency.
Le pilotage avec une telle fréquence de commutation permet par ailleurs d’éviter d’entrer en résonnance avec les fréquences de pilotage d’autres composants du véhicule.Control with such a switching frequency also makes it possible to avoid resonating with the control frequencies of other components of the vehicle.
Selon différentes caractéristiques de l’invention, prises seules ou en combinaison, on pourra prévoir que :According to different characteristics of the invention, taken alone or in combination, it is possible to provide that:
- le bloc de chauffe comporte plusieurs éléments chauffants résistifs qui sont disposés dans un cadre formant structure mécanique du bloc de chauffe, les éléments chauffants résistifs étant pilotés sélectivement par le système de commande.- The heating block comprises several resistive heating elements which are arranged in a frame forming the mechanical structure of the heating block, the resistive heating elements being selectively controlled by the control system.
- le ou les éléments chauffants résistifs sont pilotés par le système de commande via un signal à modulation de largeur d’impulsion PWM.- the resistive heating element (s) are driven by the control system via a PWM pulse width modulated signal.
- les interrupteurs de puissance sont des transistors de type MOSFETS, IGBT ou bipolaire.- the power switches are MOSFETS, IGBT or bipolar transistors.
- le ou les éléments chauffants résistifs comportent des éléments à effet CTP.- The resistive heating element (s) include PTC effect elements.
- la tension d’alimentation du dispositif est comprise entre 400V et 800V.- the device's supply voltage is between 400V and 800V.
L’invention concerne en outre une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation pour véhicule automobile comportant un boîtier de circulation de flux d’air en travers duquel est disposé au moins un dispositif de chauffage électrique tel que précédemment décrit.The invention further relates to a ventilation, heating and / or air conditioning installation for a motor vehicle comprising an air flow circulation box through which is disposed at least one electric heating device as described above.
L’invention concerne également un véhicule automobile hybride ou électrique comportant une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation tel que précédemment décrit.The invention also relates to a hybrid or electric motor vehicle comprising a ventilation, heating and / or air conditioning installation as described above.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels :Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge more clearly on reading the description given below by way of indication in relation to the drawings in which:
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Il faut tout d’abord noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.It should first be noted that the figures set out the invention in detail to implement the invention, said figures can of course be used to better define the invention if necessary.
Le dispositif de chauffage électrique 1 d'un fluide pour véhicule automobile, est illustré schématiquement sur la figure 1 selon un mode de réalisation non limitatif. Par véhicule automobile, on entend tout type de véhicule motorisé au moins partiellement électriquement, et par exemple un véhicule électrique ou un véhicule hybride. Dans l’exemple illustré, tel que cela est visible sur la figure 1, le dispositif de chauffage est mis en œuvre dans une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation de véhicule automobile, et plus particulièrement dans un boîtier de distribution de flux d’air 2 de cette installation.The electric heating device 1 of a fluid for a motor vehicle is illustrated schematically in FIG. 1 according to a non-limiting embodiment. By motor vehicle is meant any type of at least partially electrically motorized vehicle, and for example an electric vehicle or a hybrid vehicle. In the example illustrated, as can be seen in FIG. 1, the heating device is implemented in a motor vehicle ventilation, heating and / or air conditioning installation, and more particularly in a flow distribution box. air 2 of this installation.
Un tel boîtier de distribution de flux d’air 2 a vocation à être parcouru par un flux d’air FA intérieur au véhicule, représenté par des flèches, et au moins un dispositif de chauffage électrique selon l’invention est disposé dans le boîtier 2 en travers de ce flux d’air, de manière à le traiter thermiquement avant qu’il soit envoyé vers l’habitacle à une température appropriée pour des prestations de confort souhaitées par l’utilisateur.Such an air flow distribution box 2 is intended to be traversed by an air flow FA inside the vehicle, represented by arrows, and at least one electric heating device according to the invention is placed in the box 2. across this air flow, so as to heat it before it is sent to the passenger compartment at an appropriate temperature for the comfort services desired by the user.
Plus particulièrement, le boîtier de distribution 2 comprend un corps 4 à vocation structurante, dont l’enveloppe externe comprend des entrées et des sorties d’air coopérant avec des conduits de distribution appropriés ici non représentés.More particularly, the distribution box 2 comprises a body 4 with a structuring vocation, the outer casing of which comprises air inlets and outlets cooperating with appropriate distribution ducts not shown here.
Le boîtier présente de la sorte une face d’entrée d’air, ici non visible du fait de l’angle de vue, et deux zones 6 de sortie de flux d’air FA. Dans l’exemple illustré, le boîtier est configuré pour former un ensemble six-zones, c’est-à-dire susceptible d’alimenter en air traité thermiquement six zones distinctes de l’habitacle par des raccordements de conduits appropriés. Des cloisons 8 de compartimentation sont agencées dans ces zones de sortie de flux d’air pour diriger l’air dans le conduit approprié, les cloisons de compartimentation 8 pouvant être associées, le cas échéant, à des volets de compartimentation.The housing thus has an air inlet face, here not visible due to the viewing angle, and two air flow outlet zones 6 FA. In the example illustrated, the housing is configured to form a six-zone assembly, that is to say capable of supplying heat-treated air to six distinct zones of the passenger compartment through suitable duct connections. Compartmentalization partitions 8 are arranged in these air flow outlet zones to direct the air into the appropriate duct, the compartmentalization partitions 8 being able to be associated, where appropriate, with compartmentalization flaps.
Afin de permettre d’orienter le flux d’air à l’intérieur du boîtier de distribution 2 pour que celui-ci soit correctement dirigé vers la zone de sortie souhaitée, le corps 4 du boîtier comprend dans son volume interne une ou plusieurs parois qui induisent un découpage du flux d’air FA, la partie du flux d’air amenée à passer en aval du dispositif de chauffage électrique dans un conduit donné étant dès lors amenée à passer au travers d’une zone spécifique de ce dispositif de chauffage électrique.In order to make it possible to direct the air flow inside the distribution box 2 so that the latter is correctly directed towards the desired outlet zone, the body 4 of the box comprises in its internal volume one or more walls which induce a cutting of the air flow FA, the part of the air flow made to pass downstream of the electric heating device in a given duct being consequently made to pass through a specific zone of this electric heating device .
Le boîtier 2 comporte une niche 10 dans laquelle est logé le dispositif de chauffage électrique 1 selon l’invention. La niche 10 présente une ouverture sur l’une des faces du boîtier par laquelle le dispositif de chauffage électrique 1 selon l’invention est inséré dans le boîtier 2 lors d’une opération d’insertion orientée selon un axe d’insertion correspondant à un axe X d’allongement principal longitudinal du dispositif de chauffage électrique 1, et selon un sens d’insertion représentée une flèche 12. L’opération d’insertion est guidée par la présence des bords délimitant l’ouverture définie par la niche, ces bords guidant entre eux le cadre du dispositif de chauffage électrique.The housing 2 has a recess 10 in which the electric heating device 1 according to the invention is housed. The recess 10 has an opening on one of the faces of the housing through which the electric heating device 1 according to the invention is inserted into the housing 2 during an insertion operation oriented along an insertion axis corresponding to a axis X of longitudinal main elongation of the electric heating device 1, and in a direction of insertion represented by an arrow 12. The insertion operation is guided by the presence of the edges delimiting the opening defined by the niche, these edges guiding between them the frame of the electric heater.
Le dispositif de chauffage électrique 1 comporte notamment à une extrémité une interface de connexion 14, visible sur la figure 1, qui est destinée à être accessible lorsque le dispositif de chauffage électrique est positionné dans le boîtier de distribution 2 de flux d’air.The electric heating device 1 comprises in particular at one end a connection interface 14, visible in FIG. 1, which is intended to be accessible when the electric heating device is positioned in the air flow distribution box 2.
Les figures 2 et 3 illustrent plus particulièrement un mode de réalisation d’un dispositif de chauffage électrique 1 selon l’invention, qui comprend notamment une première portion formant corps de chauffe 16 permettant l’échange de calories avec le fluide à réchauffer et une deuxième portion formant système de commande électrique 18 pour le pilotage du fonctionnement du corps de chauffe et constituée au moins en partie par l’interface de connexion 14.Figures 2 and 3 illustrate more particularly an embodiment of an electric heating device 1 according to the invention, which comprises in particular a first portion forming a heating body 16 allowing the exchange of calories with the fluid to be heated and a second portion forming an electrical control system 18 for controlling the operation of the heating body and formed at least in part by the connection interface 14.
Le corps de chauffe 16 comporte un cadre 20 qui présente des faces ajourées pour permettre le passage d’un flux d’air FA à son travers et permettre ainsi un échange de calories entre le flux d’air FA et au moins un élément chauffant résistif 22 formant partie du corps de chauffe et logés dans le cadre.The heating body 16 comprises a frame 20 which has perforated faces to allow the passage of an air flow FA through it and thus allow an exchange of calories between the air flow FA and at least one resistive heating element. 22 forming part of the heating body and housed in the frame.
L’au moins un élément chauffant résistif 22 est adapté pour être alimenté électriquement par un courant haché et pour générer en conséquence un dégagement de calories susceptibles d’être récupérées par le flux d’air à réchauffer.The at least one resistive heating element 22 is adapted to be supplied electrically by a chopped current and to consequently generate a release of calories capable of being recovered by the flow of air to be heated.
Chaque élément chauffant résistif 22 est ici formé, tel qu’illustré sur la figure 3, d’un tube 24 logeant des composants susceptibles de conduire un courant électrique vers des éléments aptes à fournir des calories en réaction à l’arrivée de courant, les calories étant conduites thermiquement vers l’extérieur du tube. Les éléments aptes à fournir des calories peuvent notamment présenter la forme de pierres à effet CTP (Acronyme pour Coefficient de Température Positif) logées dans les tubes et alimentées en courant électrique pour générer un dégagement de chaleur en conséquence. On comprendra que l’on pourrait avoir d’autres types d’éléments résistifs sans sortir du contexte de l’invention.Each resistive heating element 22 is here formed, as illustrated in FIG. 3, of a tube 24 housing components capable of conducting an electric current to elements capable of supplying calories in reaction to the arrival of current, the calories being thermally conducted to the outside of the tube. The elements capable of supplying calories may in particular have the form of stones with a PTC effect (Acronym for Positive Temperature Coefficient) housed in the tubes and supplied with electric current to generate a release of heat as a result. It will be understood that we could have other types of resistive elements without departing from the context of the invention.
Chaque tube 24 est séparé du tube voisin pour laisser passage au flux d’air traversant le boîtier. Chaque espace de passage du flux d’air est comblé par des éléments radiants 26, qui peuvent notamment présenter la forme de tôle ondulée et qui permettent d’augmenter la surface d’échange entre le flux d’air et le dispositif de chauffage et donc de faciliter le transfert de calories.Each tube 24 is separated from the neighboring tube to allow passage of air flow through the housing. Each air flow passage space is filled with radiant elements 26, which may in particular have the form of corrugated sheet metal and which make it possible to increase the exchange surface between the air flow and the heating device and therefore to facilitate the transfer of calories.
Ces éléments chauffants résistifs 22 sont ici répartis et commandés en courant via le système de commande électrique 18 de manière à former un dispositif de chauffage électrique dit multizones, c’est-à-dire dans lequel les éléments résistifs sont pilotés indépendamment les uns des autres en fonction de la demande de traitement thermique qui est faite par l’utilisateur.These resistive heating elements 22 are here distributed and controlled by current via the electrical control system 18 so as to form a so-called multi-zone electrical heating device, that is to say in which the resistive elements are controlled independently of each other. depending on the heat treatment request made by the user.
Chaque élément résistif chauffant 22 comporte une électrode d’entrée 28 et une électrode de sortie 30 apte à permettre le raccordement électrique des éléments chauffants résistifs au système de commande électrique.Each resistive heating element 22 comprises an input electrode 28 and an output electrode 30 capable of allowing the electrical connection of the resistive heating elements to the electrical control system.
Il convient de noter que le dispositif de chauffage électrique est disposé dans le boîtier en travers du passage de fluide et que l’on peut prévoir dans ce boîtier des parois de compartimentation du boîtier qui permettent de diriger ensuite le flux d’air chauffé vers tel ou tel conduit en sortie du boîtier qui alimente en air chaud telle ou telle zone de l’habitacle. En fonction de la demande utilisateur, par exemple de ne chauffer particulièrement que les places arrière du véhicule, le système de commande ne pilote l’activation que des éléments résistifs susceptibles de chauffer l’air amené à passer dans les conduits du boîtier correspondants au chauffage des places arrière.It should be noted that the electric heating device is arranged in the housing across the fluid passage and that it is possible to provide in this housing compartmentalization walls of the housing which then make it possible to direct the flow of heated air towards such a or such duct at the outlet of the housing which supplies hot air to such or such zone of the passenger compartment. Depending on the user request, for example to heat only the rear seats of the vehicle, the control system only controls the activation of resistive elements capable of heating the air brought to pass through the ducts of the box corresponding to the heating. rear seats.
En se référant à la figure 4 notamment, on va décrire par la suite plus particulièrement le système de commande électrique 18 et son mode de mise en œuvre particulier selon l’invention, et on comprendra que l’exemple d’application qui vient d’être donné concernant un dispositif de chauffage à élément chauffant résistif de type CTP et une répartition « multizones » de ces éléments chauffants résistifs est particulièrement avantageux mais ne présente pas un caractère limitatif.With reference to FIG. 4 in particular, the electrical control system 18 and its particular mode of implementation according to the invention will be described below more particularly, and it will be understood that the example of application which comes from be given concerning a heating device with a resistive heating element of the PTC type and a “multi-zone” distribution of these resistive heating elements is particularly advantageous but does not present a limiting nature.
Le système de commande électrique 18 permet, par un pilotage approprié d’interrupteurs de puissance, de faire passer du courant à très haute intensité dans les éléments chauffants dimensionnés. Le corps de chauffe 16 du dispositif, comportant dans l’exemple illustré deux éléments chauffants résistifs, ou deux ensembles d’éléments chauffants résistifs en série, est relié électriquement au système de commande 18, par l’intermédiaire des électrodes d’entrée 28 et de sortie 30 de chacun des éléments chauffants, ou ensembles d’éléments chauffants résistifs en série, ou en d’autres termes par l’intermédiaire d’électrodes d’entrée et de sortie de chaque ensemble pilotable sélectivement d’élément(s) chauffant(s) résistif(s).The electrical control system 18 makes it possible, by appropriate control of power switches, to pass very high intensity current through the dimensioned heating elements. The heating body 16 of the device, comprising in the example illustrated two resistive heating elements, or two sets of resistive heating elements in series, is electrically connected to the control system 18, via the input electrodes 28 and output 30 of each of the heating elements, or sets of resistive heating elements in series, or in other words through input and output electrodes of each selectively controllable set of heating element (s) (s) resistive (s).
Le système de commande électrique 18 comporte outre les interrupteurs de puissance une unité de commande 19 configurée pour piloter chacun de ces interrupteurs de puissance, l’unité de commande étant couramment appelée en anglais « driver ». Dans un exemple non limitatif, l’unité de commande 19 est un microcontrôleur.The electrical control system 18 comprises, in addition to the power switches, a control unit 19 configured to drive each of these power switches, the control unit being commonly referred to in English as a "driver". In a non-limiting example, the control unit 19 is a microcontroller.
Le courant est amené à circuler librement depuis la source d’alimentation positive 32 du véhicule, ici une source d’alimentation à haut voltage de l’ordre de 400V à 800V par exemple, via un premier interrupteur de puissance 34 jusqu’à la masse, via un deuxième interrupteur de puissance 36 dédié, en passant successivement par un ensemble pilotable sélectivement d’élément(s) chauffant(s) résistif(s) 22.The current is caused to flow freely from the positive power source 32 of the vehicle, here a high voltage power source of the order of 400V to 800V for example, via a first power switch 34 to ground , via a second dedicated power switch 36, passing successively through a selectively controllable assembly of resistive heating element (s) 22.
La source d’alimentation positive 32 peut être une batterie du véhicule automobile, apte à fournir une tension d'alimentation HV+. La batterie peut notamment être est la batterie d’entraînement dans le cas d’application du dispositif de l’invention à un véhicule électrique ou hybride. Tel que cela vient d’être précisé, dans l’exemple illustré, le dispositif de chauffage électrique est configuré pour fonctionner à haute tension, la tension d'alimentation HV+ étant comprise entre 400V et 800V.The positive power source 32 may be a battery of the motor vehicle, capable of supplying an HV + supply voltage. The battery can in particular be is the drive battery in the case of application of the device of the invention to an electric or hybrid vehicle. As has just been specified, in the example illustrated, the electric heater is configured to operate at high voltage, the supply voltage HV + being between 400V and 800V.
Les interrupteurs de puissance 34, 36 peuvent être, sans sortir du contexte de l’invention, des transistors de type MOSFET, IGBT ou bipolaire. Dans l’exemple illustré, deux interrupteurs de puissance, ou transistors, sont associés à chaque ensemble pilotable sélectivement d’élément(s) chauffant(s) résistif(s). Un premier interrupteur de puissance 34, ou transistor haut, est relié au réseau d’alimentation du véhicule pour amener le courant à travers un ensemble pilotable sélectivement d’élément(s) chauffant(s) résistif(s) et un deuxième interrupteur de puissance 36, ou transistor bas, est agencé entre cet ensemble pilotable sélectivement d’élément(s) chauffant(s) résistif(s) et la masse.The power switches 34, 36 can be, without departing from the context of the invention, MOSFET, IGBT or bipolar type transistors. In the example illustrated, two power switches, or transistors, are associated with each selectively controllable assembly of resistive heating element (s). A first power switch 34, or high transistor, is connected to the vehicle's power supply network to bring current through a selectively controllable assembly of resistive heating element (s) and a second power switch 36, or low transistor, is arranged between this selectively controllable assembly of resistive heating element (s) and ground.
La commande de chacun des interrupteurs de puissance 34, 36 permet de piloter le passage du courant haché utilisé pour l’alimentation sélective de tel ou tel élément chauffant résistif.The control of each of the power switches 34, 36 makes it possible to control the passage of the chopped current used for the selective supply of a particular resistive heating element.
Le fait de choisir une fréquence de commutation des interrupteurs d’une valeur de l’ordre de 1Hz à 7Hz, et en tous les cas d’une valeur inférieure à 20Hz, permet de limiter notamment les pertes par commutation des transistors. A ces basses fréquences, la puissance dissipée par le transistor est faible.The fact of choosing a switching frequency of the switches with a value of the order of 1Hz to 7Hz, and in any case of a value less than 20Hz, makes it possible in particular to limit the switching losses of the transistors. At these low frequencies, the power dissipated by the transistor is low.
On comprend que l’exemple illustré sur la figure 4 est une représentation schématique dans laquelle ont été illustrés uniquement deux ensembles pilotables sélectivement d’élément(s) chauffant(s) résistif(s). Dans le cas d’application à un dispositif de chauffage électrique tel qu’illustré sur les figures 2 ou 3, dans lequel on peut identifier six zones spécifiques de chauffage, on pourra prévoir un raccordement électrique comparable avec six ensembles pilotables sélectivement. Les interrupteurs de puissance 34, 36 sont avantageusement tous pilotés par le même système de commande 18, étant entendu qu’on pourrait prévoir une pluralité de dispositifs de commande respectivement associés à un interrupteur de puissance.It will be understood that the example illustrated in FIG. 4 is a schematic representation in which only two selectively controllable assemblies of resistive heating element (s) have been illustrated. In the case of application to an electric heating device as illustrated in Figures 2 or 3, in which six specific heating zones can be identified, a comparable electrical connection can be provided with six selectively controllable assemblies. The power switches 34, 36 are advantageously all controlled by the same control system 18, it being understood that one could provide a plurality of control devices respectively associated with a power switch.
Les interrupteurs de puissance 34, 36 sont pilotés via un signal en modulation de largeur d'impulsions, ou signal PWM (« Pulse Width Modulation » en anglais). Ce pilotage peut notamment être effectué en déphasé, de manière à délivrer un courant haché à chaque élément chauffant résistif 22 de manière périodique avec un déphasage des périodes de commutations entre elles, par exemple ici de l’ordre de 60°.The power switches 34, 36 are controlled via a pulse width modulation signal, or PWM (“Pulse Width Modulation”) signal. This control can in particular be carried out phase-shifted, so as to deliver a chopped current to each resistive heating element 22 periodically with a phase shift of the switching periods between them, for example here of the order of 60 °.
Selon l’invention, les interrupteurs de puissance 34, 36 sont pilotés à une fréquence de commutation Fq comprise entre 1Hz et 20Hz. Plus particulièrement, la fréquence Fq est comprise entre 1Hz et 7Hz. Cela signifie que le signal PWM est cadencé à cette fréquence Fq.According to the invention, the power switches 34, 36 are driven at a switching frequency Fq of between 1Hz and 20Hz. More particularly, the frequency Fq is between 1Hz and 7Hz. This means that the PWM signal is clocked at this frequency Fq.
Tel que cela va être montré plus en détails ci-après, le choix de cette plage de fréquence de commutation permet :As will be shown in more detail below, the choice of this switching frequency range allows:
- de ne pas générer de bruit de fonctionnement dans la bande de fréquence audible pour l’utilisateur, ladite bande audible s’étendant entre 20Hz et 20kHz, ou bien au moins de générer un bruit de fonctionnement acceptable pour l’utilisateur ;- not to generate operating noise in the frequency band audible for the user, said audible band extending between 20Hz and 20kHz, or at least to generate operating noise acceptable to the user;
- de ne pas risquer que l’utilisateur perçoive une chute de température du fait d’une période trop importante entre chaque allumage des éléments résistifs chauffants. Les inventeurs ont pu noter au cours de leurs tests qu’une fréquence de commutation l’ordre de 0.5 Hz entraînait une chute de la température perçue par l’utilisateur.- not to risk that the user perceives a drop in temperature due to too long a period between each ignition of the resistive heating elements. The inventors were able to note during their tests that a switching frequency of the order of 0.5 Hz caused a drop in temperature perceived by the user.
Les figures 5 à 10 visent à illustrer les tests mis en œuvre par les inventeurs pour déterminer la fréquence de commutation appropriée.FIGS. 5 to 10 aim to illustrate the tests implemented by the inventors to determine the appropriate switching frequency.
Chacune de ces figures illustre, pour une fréquence de commutation donnée du ou des interrupteurs du dispositif de commande du dispositif de chauffage électrique, la mesure acoustique du fonctionnement de l’installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation de véhicule automobile dans laquelle est disposé le dispositif de chauffage électrique.Each of these figures illustrates, for a given switching frequency of the switch (s) of the control device of the electric heating device, the acoustic measurement of the operation of the ventilation, heating and / or air conditioning installation of a motor vehicle in which is arranged the electric heater.
Plus particulièrement, les tests ont été effectués pour un dispositif de chauffage multizones, dans lequel les interrupteurs de puissance sont pilotés pour chauffer indépendamment chacune des zones de chauffage. Dans ce contexte, les différents éléments chauffants résistifs équipant le corps de chauffe sont pilotés sélectivement par l’unité de commande. En fonction du besoin de l’utilisateur ou des utilisateurs du véhicule, tel ou tel élément chauffant résistif peut être alimenté électriquement pour chauffer telle ou telle zone de passage du flux d’air à travers le dispositif de chauffage électrique.More particularly, the tests were carried out for a multi-zone heater, in which the power switches are controlled to independently heat each of the heating zones. In this context, the various resistive heating elements fitted to the heating body are selectively controlled by the control unit. Depending on the needs of the user or users of the vehicle, a particular resistive heating element can be electrically supplied to heat a particular area of passage of the air flow through the electric heater.
La figure 5 illustre un fonctionnement de référence, dans lequel le dispositif de chauffage est piloté à une fréquence de commutation connue de 75Hz. Il est constaté que ce mode de mise en œuvre génère un bruit de fonctionnement 40 de l’installation important qui vient s’ajouter à un bruit de fond 42 à basse fréquence.FIG. 5 illustrates a reference operation, in which the heater is driven at a known switching frequency of 75Hz. It is observed that this mode of implementation generates a significant operating noise 40 of the installation which is added to a background noise 42 at low frequency.
Plus particulièrement le bruit de fond 42 présente un pic aux alentours de 30dB à une fréquence de 0,5kHz et il va en s’atténuant aux alentours des 6kHz.More particularly the background noise 42 has a peak around 30dB at a frequency of 0.5kHz and it attenuates around 6kHz.
Pour une fréquence de commutation de 75Hz, le bruit de fonctionnement 40 vient s’additionner sur la plage de fréquence du bruit de fond et il s’étend par ailleurs, en complément du bruit de fond, sur une plage de 6kHz à 20kHz avec une valeur moyenne entre 12 et 16dB.For a switching frequency of 75Hz, the operating noise 40 is added to the frequency range of the background noise and it also extends, in addition to the background noise, over a range of 6kHz to 20kHz with a average value between 12 and 16dB.
La figure 6 illustre un premier test réalisé par les inventeurs, dans lequel le dispositif de chauffage est piloté avec une fréquence de commutation de 32Hz. Il est constaté qu’au bruit de fond 42 similaire à celui produit par le fonctionnement de référence, un bruit de fonctionnement 40 de l’installation important vient là encore s’ajouter, ce bruit de fonctionnement s’étendant par ailleurs, en complément du bruit de fond, sur une plage de fréquences de 6kHz à 20kHz avec une valeur moyenne aux alentours de 8dB.FIG. 6 illustrates a first test carried out by the inventors, in which the heating device is controlled with a switching frequency of 32 Hz. It is noted that at the background noise 42 similar to that produced by the reference operation, a significant operating noise 40 of the installation is again added, this operating noise extending elsewhere, in addition to the background noise, over a frequency range of 6kHz to 20kHz with an average value around 8dB.
Si le résultat acoustique est ainsi amélioré, il résulte de ce premier test illustré sur la figure 6 que le bruit de fonctionnement de l’installation est encore important, et les inventeurs ont visé à tester d’autres conditions de pilotage du dispositif de chauffage pour déterminer une plage de valeurs optimales pour le choix de la fréquence de commutation.If the acoustic result is thus improved, it results from this first test illustrated in FIG. 6 that the operating noise of the installation is still significant, and the inventors aimed to test other conditions for controlling the heating device for determine an optimum range of values for the choice of the switching frequency.
La figure 7 illustre ainsi un deuxième test réalisé par les inventeurs, dans lequel le dispositif de chauffage est piloté cette fois avec une fréquence de commutation de 16Hz. Tel qu’illustré, le bruit de fonctionnement 40 se superpose au bruit de fond 42 pour les fréquences inférieures à 6kHz et il présente une amplitude moyenne de l’ordre de 0 à 2dB sur une plage de fréquences de 6kHz à 20kHz.FIG. 7 thus illustrates a second test carried out by the inventors, in which the heating device is controlled this time with a switching frequency of 16 Hz. As illustrated, the operating noise 40 is superimposed on the background noise 42 for frequencies below 6kHz and has an average amplitude of the order of 0 to 2dB over a frequency range of 6kHz to 20kHz.
Le résultat acoustique est jugé acceptable pour le confort de l’utilisateur. Par des tests complémentaires, ici non illustrés, les inventeurs ont pu montrer qu’une fréquence de commutation maximale autorisée pour obtenir un tel résultat acoustique acceptable, c’est-à-dire pour obtenir un bruit de fonctionnement qui est quasiment similaire au bruit de fond pour les fréquences inférieures à 6kHz amélioré et qui est d’amplitude moyenne inférieure à 4dB sur une plage de fréquences de 6kHz à 20kHz, est de 20Hz.The acoustic result is considered acceptable for the comfort of the user. By additional tests, not illustrated here, the inventors have been able to show that a maximum switching frequency authorized to obtain such an acceptable acoustic result, that is to say to obtain an operating noise which is almost similar to the noise of background for frequencies below 6kHz improved and which has an average amplitude of less than 4dB over a frequency range of 6kHz to 20kHz, is 20Hz.
La figure 8 illustre un troisième test réalisé par les inventeurs, dans lequel le dispositif de chauffage est piloté cette fois avec une fréquence de commutation de 8Hz. Là encore, il est constaté que le bruit de fonctionnement 40 se superpose au bruit de fond 42 pour les fréquences inférieures à 6kHz, et que le bruit de fonctionnement de l’installation est faible sur la plage de fréquences de 6kHz à 20kHz. Plus particulièrement, le bruit de fonctionnement de l’installation est acceptable sur la plage de fréquences de 6kHz à 13kHz, et il est quasi nul sur les fréquences au-delà de 13kHz.FIG. 8 illustrates a third test carried out by the inventors, in which the heating device is controlled this time with a switching frequency of 8 Hz. Here again, it is found that the operating noise 40 is superimposed on the background noise 42 for frequencies below 6kHz, and that the operating noise of the installation is low over the frequency range from 6kHz to 20kHz. More particularly, the operating noise of the installation is acceptable over the frequency range from 6kHz to 13kHz, and it is almost zero on frequencies above 13kHz.
Le résultat acoustique est jugé très satisfaisant pour le confort de l’utilisateur. Par des tests complémentaires, ici non illustrés, les inventeurs ont pu montrer qu’une fréquence de commutation optimale est inférieure à 7Hz. Dans ce contexte, la figure 9 et la figure 10 illustrent deux autres tests réalisés par les inventeurs, prouvant qu’une fréquence de commutation de 2Hz permet de diminuer quasiment intégralement le bruit de fonctionnement 40, et qu’une fréquence de commutation de 1Hz permet d’améliorer encore les performances acoustiques.The acoustic result is considered very satisfactory for the comfort of the user. By additional tests, not illustrated here, the inventors have been able to show that an optimum switching frequency is less than 7 Hz. In this context, FIG. 9 and FIG. 10 illustrate two other tests carried out by the inventors, proving that a switching frequency of 2 Hz makes it possible to reduce the operating noise 40 almost entirely, and that a switching frequency of 1 Hz allows further improve acoustic performance.
Ces tests s’accompagnent d’une analyse du ressenti de l’utilisateur par rapport au traitement thermique de l’habitacle et il a été analysé que cette fréquence de commutation de 1Hz consiste en une limite à ne pas dépasser pour que l’utilisateur ne perçoive pas une chute de température du fait d’une période trop importante entre chaque allumage des éléments résistifs chauffants. En d’autres termes, et tel que cela a été précisé précédemment, il a été constaté qu’une fréquence de commutation des interrupteurs de puissance qui est choisie inférieure à 1Hz entraîne des périodes trop longues durant lesquelles les éléments chauffants résistifs ne sont pas alimentés, ce qui implique une chute de la température perçue par l’utilisateur.These tests are accompanied by an analysis of how the user feels in relation to the heat treatment of the passenger compartment and it was analyzed that this switching frequency of 1Hz consists of a limit not to be exceeded so that the user does not not perceive a drop in temperature due to too long a period between each ignition of the resistive heating elements. In other words, and as was specified previously, it has been observed that a switching frequency of the power switches which is chosen to be less than 1 Hz leads to excessively long periods during which the resistive heating elements are not supplied with power. , which implies a drop in temperature perceived by the user.
On comprend à la lecture de ce qui précède que la présente invention propose un dispositif de chauffage électrique configuré pour fournir une performance thermique suffisante pour le confort de l’utilisateur avec une performance acoustique améliorée, c’est-à-dire en éliminant tout bruit perceptible par l’utilisateur dû au fonctionnement spécifique de l’installation équipée du dispositif de chauffage électrique. Plus particulièrement, on comprend que le dispositif selon l’invention est piloté avec une fréquence de commutation des interrupteurs de puissance associés dont la valeur est comprise dans une plage de valeurs éloignées de ce qui est classiquement connue. Il convient de noter que l’abaissement de la valeur de fréquence de commutation des interrupteurs de puissance n’est pas un choix évident du fait du risque en termes de ressenti thermique de l’utilisateur, l’augmentation qui en résulte de la période entre chaque enclenchement de la fonction de chauffage pouvant générer ce ressenti négatif. La présente invention fait suite à des tests menés aussi bien sur l’amélioration de la performance acoustique que sur le ressenti de la performance thermique.It will be understood from reading the foregoing that the present invention proposes an electric heating device configured to provide sufficient thermal performance for the comfort of the user with improved acoustic performance, that is to say by eliminating any noise. perceptible by the user due to the specific operation of the installation equipped with the electric heating device. More particularly, it is understood that the device according to the invention is controlled with a switching frequency of the associated power switches, the value of which is within a range of values far from what is conventionally known. It should be noted that lowering the switching frequency value of power switches is not an obvious choice due to the risk in terms of the thermal feeling of the user, the resulting increase in the period between each activation of the heating function can generate this negative feeling. The present invention is the result of tests carried out both on the improvement of acoustic performance and on the feeling of thermal performance.
L’invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations décrits et illustrés ici, et elle s’étend également à tout moyen ou configuration équivalents et à toute combinaison technique opérant de tels moyens.The invention cannot, however, be limited to the means and configurations described and illustrated here, and it also extends to any equivalent means or configuration and to any technical combination operating such means.
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2019
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