FR3131177A1 - INTEGRATED CAPACITOR BLOCK WITH HEAT DISSIPATION ELEMENT - Google Patents
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Abstract
BLOC DE CONDENSATEURS INTÉGRÉ AVEC ÉLÉMENT DE DISSIPATION DE CHALEUR Le présent sujet concerne un convertisseur de puissance électrique (100) d’un ensemble électrique rotatif (300). Le convertisseur de puissance électrique (100) comprend un module de commande (400) logé dans un boîtier (104), un ou plusieurs modules de puissance, un bloc de condensateurs (200) et un élément de dissipation de chaleur (106). Le bloc de condensateurs (200) comprend au moins un condensateur (202) monté sur une base électriquement conductrice (204) de telle sorte qu’une face de dissipation des condensateurs (202) est adjacente à une surface inférieure (402) du boîtier (104). L’élément de dissipation de chaleur (106) comprend une cavité (210). La cavité (210) a une surface intérieure (212) configurée pour être montée avec la base électriquement conductrice (204) du bloc de condensateur (200). Le poids total et la taille de l’emballage du convertisseur de puissance électrique (100) sont réduits. En outre, les capacités de dissipation de chaleur du convertisseur de puissance électrique (100) sont également améliorées. Figure pour l’abrégé : [figure 5B]INTEGRATED CAPACITOR BLOCK WITH HEAT DISSIPATION ELEMENT This subject relates to an electrical power converter (100) of a rotary electrical assembly (300). The electrical power converter (100) includes a control module (400) housed in a housing (104), one or more power modules, a capacitor block (200), and a heat dissipation element (106). The capacitor bank (200) includes at least one capacitor (202) mounted on an electrically conductive base (204) such that a capacitor dissipation face (202) is adjacent a bottom surface (402) of the housing ( 104). The heat dissipation element (106) includes a cavity (210). The cavity (210) has an interior surface (212) configured to mount with the electrically conductive base (204) of the capacitor block (200). The overall weight and packaging size of the electrical power converter (100) is reduced. Further, the heat dissipation capabilities of the electric power converter (100) are also improved. Figure for abstract: [Figure 5B]
Description
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
Le présent sujet concerne en général un ensemble électrique rotatif, et plus spécifiquement un convertisseur de puissance électrique d’un ensemble électrique rotatif.This subject relates in general to a rotating electrical assembly, and more specifically to an electrical power converter of a rotating electrical assembly.
ARRIÈRE-PLANBACKGROUND
Le présent sujet concerne un ensemble électrique rotatif, spécifiquement un convertisseur de puissance électrique d’un ensemble électrique rotatif. Les ensembles électriques rotatifs, bien que typiquement utilisés pour entraîner des véhicules à moteur, peuvent avoir de larges applications telles que des tondeuses à gazon, des drones, des pompes, des turbines, etc. Un ensemble électrique rotatif comprend généralement une machine électrique rotative et un convertisseur de puissance électrique. Pendant son fonctionnement, le convertisseur de puissance électrique est susceptible de surchauffer. Dans un scénario où la chaleur générée par le convertisseur de puissance électrique n’est pas efficacement dissipée, les composants du convertisseur de puissance électrique peuvent être endommagés, ce qui affecte le fonctionnement normal de la machine électrique rotative. Il est donc impératif de préserver le convertisseur de puissance électrique de tout problème de chauffage afin d’assurer que l’intégrité de la machine électrique rotative soit maintenue.This subject relates to a rotating electrical assembly, specifically an electrical power converter of a rotating electrical assembly. Rotary power assemblies, although typically used to drive motor vehicles, can have wide applications such as lawn mowers, drones, pumps, turbines, etc. A rotary electric assembly generally includes a rotary electric machine and an electric power converter. During operation, the electrical power converter is liable to overheat. In a scenario where the heat generated by the electric power converter is not effectively dissipated, the components of the electric power converter may be damaged, which affects the normal operation of the rotating electric machine. It is therefore imperative to preserve the electric power converter from any heating problems in order to ensure that the integrity of the rotating electric machine is maintained.
En général, une machine électrique rotative, telle que celles utilisées dans les véhicules à moteur, est commandée par un convertisseur de puissance électrique. De manière classique, le convertisseur de puissance électrique comprend des modules de puissance et un module de commande disposés dans un boîtier. Les modules de puissance effectuent une conversion de courant continu (CC) en courant alternatif (CA) (et/ou vice versa) et permettent ainsi la circulation du courant vers chacune des phases électriques d’un stator de la machine électrique rotative. Le module de commande commande les modules de puissance en fonction de certains paramètres environnementaux et de données mesurées sur le véhicule à moteur. Un bloc condensateur, comportant un ou plusieurs condensateurs, est relié électriquement aux modules de puissance, pour filtrer le courant échangé entre les modules de puissance et un réseau électrique, par exemple un réseau embarqué du véhicule à moteur. Le réseau embarqué sert typiquement à fournir de l’énergie électrique à divers équipements électriques, tels que l’ensemble électrique rotatif, qui sont équipés, par exemple, dans un véhicule à moteur. Pendant son fonctionnement, le convertisseur de puissance électrique produit une grande quantité de chaleur (par exemple en raison de l’effet Joule) en raison des nombreux composants électriques, tels que le module de puissance et les condensateurs. De telles quantités de chaleur peuvent perturber le fonctionnement normal du convertisseur de puissance électrique. Par conséquent, des dissipateurs thermiques sont normalement associés au convertisseur de puissance électrique pour dissiper l’énergie thermique pendant son fonctionnement. Par conséquent, les convertisseurs de puissance électrique connus abritent également une pluralité de dissipateurs thermiques afin de favoriser les échanges de chaleur entre l’air mis en mouvement par la machine électrique rotative. Le refroidissement des condensateurs associés à son module de puissance correspondant peut cependant être complexe à mettre en œuvre, c’est pourquoi il est connu d’associer un dissipateur thermique spécifique aux condensateurs, les dissipateurs thermiques étant configurés pour être situés dans une région d’un couvercle de fermeture du convertisseur de puissance électrique. En conséquence, le dissipateur thermique est en contact thermique avec une extrémité desdits condensateurs.In general, a rotating electric machine, such as those used in motor vehicles, is controlled by an electric power converter. Conventionally, the electric power converter comprises power modules and a control module arranged in a casing. The power modules carry out a conversion from direct current (DC) to alternating current (AC) (and/or vice versa) and thus allow the flow of current to each of the electrical phases of a stator of the rotating electrical machine. The control module controls the power modules based on certain environmental parameters and data measured on the motor vehicle. A capacitor block, comprising one or more capacitors, is electrically connected to the power modules, to filter the current exchanged between the power modules and an electrical network, for example an on-board network of the motor vehicle. The on-board network is typically used to supply electrical energy to various electrical equipment, such as the rotating electrical assembly, which are equipped, for example, in a motor vehicle. During operation, the electrical power converter generates a large amount of heat (eg due to the Joule effect) due to the many electrical components, such as the power module and the capacitors. Such quantities of heat can disturb the normal operation of the electrical power converter. Therefore, heat sinks are normally associated with the electrical power converter to dissipate thermal energy during its operation. Consequently, known electrical power converters also house a plurality of heat sinks in order to promote heat exchange between the air set in motion by the rotating electrical machine. The cooling of the capacitors associated with its corresponding power module can however be complex to implement, this is why it is known to associate a heat sink specific to the capacitors, the heat sinks being configured to be located in a region of a closing cover of the electrical power converter. Accordingly, the heat sink is in thermal contact with one end of said capacitors.
Cependant, la configuration classique du convertisseur de puissance électrique, notamment la configuration existante du dissipateur thermique associé aux condensateurs, reste inefficace pour la gestion de la chaleur. Par exemple, dans une configuration connue, un dissipateur thermique est configuré pour se trouver entre le bloc de condensateurs et le module de commande. Dans un tel agencement, il peut y avoir plusieurs zones ouvertes, ou zones vacantes, en particulier au niveau d’une partie de base du bloc capa. Ces zones vides sont remplies de matériau de remplissage pour la protection des composants qui y sont disposés. Un couvercle de bloc de condensateur (ou « couvercle de bloc capa »), qui sert à couvrir et à protéger le bloc capa, est ensuite placé et fixé comme un couvercle sur la partie de base. Dans la configuration susmentionnée, le bloc capa est monté sur le dissipateur thermique de telle manière qu’une face de dissipation de chaleur de chacun des condensateurs du bloc capa est englobée par une cavité formée sur le dissipateur thermique. Cette configuration est inefficace car la majeure partie de la chaleur est générée par la face de dissipation de chaleur des condensateurs et peut ne pas être dissipée efficacement, d’où la nécessité d’un moyen de refroidissement supplémentaire, tel qu’un système de refroidissement à eau, incorporé dans le convertisseur de puissance électrique. La vitesse à laquelle la chaleur est dissipée dans la configuration susmentionnée ne peut pas dépasser la vitesse à laquelle la chaleur est générée par les condensateurs, ce qui entraîne une augmentation de la température. L’augmentation de la température peut donc endommager les condensateurs, ce qui contribue à une réduction supplémentaire du rendement et nuit au fonctionnement normal du convertisseur de puissance électrique. D’une autre manière connue, un drain thermique ou une jonction thermique peut être incorporé entre un corps d’un logement (le logement dans lequel est disposé le module de commande) et un couvercle de fermeture du logement. Dans la configuration susmentionnée, la face de dissipation des condensateurs est en contact direct avec le corps, cependant, le transfert de chaleur de la face de dissipation à l’air ambiant par l’intermédiaire de la jonction thermique peut être un long chemin. Un chemin aussi long peut provoquer une surchauffe au niveau du corps du logement, car la vitesse à laquelle la chaleur est générée peut dépasser la vitesse à laquelle la chaleur est conduite par l’intermédiaire du drain thermique et dissipée dans l’air ambiant. La surchauffe au niveau du corps du logement peut perturber le fonctionnement normal du module de commande et également du condensateur. Le convertisseur de puissance électrique configuré de la manière susmentionnée est donc inefficace et susceptible d’être endommagé. En conséquence, l’ensemble électrique rotatif peut présenter des dysfonctionnements.However, the conventional configuration of the electric power converter, in particular the existing configuration of the heat sink associated with the capacitors, remains inefficient for the management of the heat. For example, in a known configuration, a heat sink is configured to be between the capacitor block and the control module. In such an arrangement, there may be several open zones, or vacant zones, in particular at the level of a base part of the capa block. These empty areas are filled with filling material for the protection of the components placed there. A capacitor block cover (or "capa block cover"), which serves to cover and protect the capa block, is then placed and fixed as a cover on the base part. In the aforementioned configuration, the capa block is mounted on the heat sink in such a way that a heat dissipation face of each of the capacitors of the capa block is encompassed by a cavity formed on the heat sink. This configuration is inefficient because most of the heat is generated from the heat dissipation face of the capacitors and may not be dissipated efficiently, hence the need for additional cooling means, such as a cooling system water, incorporated in the electrical power converter. The rate at which heat is dissipated in the aforementioned configuration cannot exceed the rate at which heat is generated by the capacitors, causing the temperature to rise. The increase in temperature can therefore damage the capacitors, which contributes to a further reduction in efficiency and impairs the normal operation of the electrical power converter. In another known way, a thermal drain or a thermal junction can be incorporated between a body of a housing (the housing in which the control module is arranged) and a closing cover of the housing. In the above configuration, the dissipation face of the capacitors is in direct contact with the body, however, the heat transfer from the dissipation face to the surrounding air through the thermal junction can be a long way. Such a long path can cause the housing body to overheat, as the rate at which heat is generated can exceed the rate at which heat is conducted through the heat sink and dissipated into the surrounding air. Overheating at the housing body can disrupt the normal operation of the control module and also the capacitor. The electrical power converter configured in the above manner is therefore inefficient and susceptible to damage. As a result, the rotating electrical assembly may malfunction.
Par conséquent, le problème technique à résoudre est de savoir comment améliorer le rendement thermique des convertisseurs de puissance électrique tout en veillant à ce que le fonctionnement normal du convertisseur de puissance électrique et donc de l’ensemble électrique rotatif ne soit pas perturbé.Therefore, the technical problem to be solved is how to improve the thermal efficiency of electrical power converters while ensuring that the normal operation of the electrical power converter and therefore of the rotating electrical assembly is not disturbed.
La présente invention vise à résoudre les problèmes susmentionnés des convertisseurs de puissance électrique classiques. La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse dans l’industrie automobile, où des convertisseurs de puissance électrique sont utilisés dans des ensembles électriques rotatifs destinés à entraîner des véhicules à moteur.The present invention aims to solve the aforementioned problems of conventional electric power converters. The present invention finds a particularly advantageous application in the automobile industry, where electrical power converters are used in rotating electrical assemblies intended to drive motor vehicles.
Selon un aspect, l’invention concerne un convertisseur de puissance électrique destiné à être utilisé dans un ensemble électrique rotatif, comprenant un module de commande, logé dans un boîtier, configuré pour générer au moins un signal de commande pour commander un ou plusieurs modules de puissance, le ou les modules de puissance étant configurés pour convertir un courant continu (CC) en courant alternatif ou vice versa ; un bloc de condensateurs comprenant au moins un condensateur monté sur une base électriquement conductrice, une face de dissipation de l’au moins un condensateur étant adjacente à une surface inférieure du boîtier ; et un élément de dissipation de chaleur comprenant une cavité pour recevoir le bloc de condensateurs, une surface intérieure de la cavité étant montée avec la base électriquement conductrice du bloc de condensateurs.According to one aspect, the invention relates to an electrical power converter intended for use in a rotating electrical assembly, comprising a control module, housed in a housing, configured to generate at least one control signal to control one or more power, the at least one power module being configured to convert direct current (DC) to alternating current or vice versa; a capacitor bank comprising at least one capacitor mounted on an electrically conductive base, a dissipation face of the at least one capacitor being adjacent to a bottom surface of the housing; and a heat dissipation element including a cavity for receiving the capacitor bank, an interior surface of the cavity being mounted with the electrically conductive base of the capacitor bank.
L’élément de dissipation de chaleur, configuré de la manière ci-dessus, permettant au bloc de condensateurs d’être essentiellement intégré à l’élément de dissipation de chaleur. Avantageusement, l’élément de dissipation de chaleur agit comme un logement pour le bloc de condensateurs, éliminant ainsi le besoin d’un couvercle de bloc capa qui est normalement utilisé dans les convertisseurs de puissance électrique classiques. Conformément à la présente invention, le bloc de condensateurs et les modules de puissance sont entre, ou pris en sandwich entre, le boîtier du module de commande et l’élément de dissipation de chaleur. La base électriquement conductrice est montée sur la surface intérieure de la cavité, en conséquence, la face de dissipation des condensateurs est tournée vers la surface inférieure du boîtier. L’élément de dissipation de chaleur agit essentiellement comme un couvercle pour le bloc de condensateurs, éliminant ainsi le besoin d’un couvercle de bloc de condensateurs normalement utilisé dans les convertisseurs de puissance électrique classiques.The heat dissipation element, configured in the above manner, allowing the capacitor block to be essentially integrated with the heat dissipation element. Advantageously, the heat dissipation element acts as a housing for the capacitor block, thus eliminating the need for a capacitor block cover which is normally used in conventional electrical power converters. In accordance with the present invention, the capacitor block and power modules are between, or sandwiched between, the control module housing and the heat sink element. The electrically conductive base is mounted on the inner surface of the cavity, therefore the dissipation face of the capacitors faces the lower surface of the case. The heat sink element essentially acts as a cover for the capacitor block, eliminating the need for a capacitor block cover normally used in conventional electrical power converters.
Dans un aspect, l’élément de dissipation de chaleur comprend une première surface et une seconde surface, la première surface comprenant la cavité pour recevoir le bloc de condensateur. Ainsi, la première surface, conformément à la présente invention, est configurée pour être tournée vers la face inférieure du boîtier du module de commande.In one aspect, the heat sink element includes a first surface and a second surface, the first surface including the cavity to receive the capacitor block. Thus, the first surface, in accordance with the present invention, is configured to face the underside of the control module housing.
Dans un autre aspect, le ou les modules de puissance sont configurés pour venir en butée contre la première surface de l’élément de dissipation de chaleur. Par conséquent, un contact thermique entre les modules de puissance et la première surface de l’élément de dissipation de chaleur est obtenu, permettant ainsi un moyen de refroidissement efficace pour la chaleur générée par les modules de puissance pendant son fonctionnement.In another aspect, the at least one power module is configured to abut the first surface of the heat sink element. Therefore, thermal contact between the power modules and the first surface of the heat dissipation element is achieved, thereby providing an effective cooling medium for the heat generated by the power modules during its operation.
Dans un exemple, l’élément de dissipation de chaleur comprend un premier ensemble d’ailettes formées sur la seconde surface. En conséquence, la chaleur absorbée par la première surface peut être dissipée plus efficacement, ce qui garantit le maintien de l’intégrité des composants à l’intérieur du convertisseur de puissance électrique, notamment les modules de puissance adjacents à la première surface.In one example, the heat sink element includes a first set of fins formed on the second surface. As a result, the heat absorbed by the first surface can be dissipated more efficiently, which ensures that the integrity of the components inside the electrical power converter, in particular the power modules adjacent to the first surface, is maintained.
Dans un aspect, l’au moins un condensateur du bloc de condensateurs a une forme cylindrique, fermée à chaque extrémité longitudinale par une bride circulaire, une extrémité de l’au moins un condensateur étant montée sur la base électriquement conductrice, et l’autre extrémité étant la face de dissipation. Dans un exemple non limitatif, le condensateur est de type chimique.In one aspect, the at least one capacitor of the capacitor bank has a cylindrical shape, closed at each longitudinal end by a circular flange, one end of the at least one capacitor being mounted on the electrically conductive base, and the other end being the dissipation face. In a non-limiting example, the capacitor is of the chemical type.
Dans un exemple, la base électriquement conductrice est un composant de barre omnibus électrique surmoulé configuré pour établir une connexion électrique entre l’au moins un condensateur, le ou les modules de puissance et le module de commande.In one example, the electrically conductive base is an overmolded electrical busbar component configured to make an electrical connection between the at least one capacitor, the power module(s), and the control module.
Dans un autre aspect, la face de dissipation des condensateurs est en contact thermique avec la surface inférieure du boîtier au moyen d’une résine thermiquement conductrice. La résine thermiquement conductrice, telle qu’une pâte thermique, permet un transfert efficace de la chaleur générée par la face de dissipation des condensateurs en fonctionnement vers la surface inférieure du couvercle. En conséquence, un flux de fluide, tel qu’un flux d’air, peut permettre à la chaleur absorbée par le couvercle d’être transportée et dissipée dans l’air ambiant.In another aspect, the dissipation face of the capacitors is in thermal contact with the bottom surface of the case by means of a thermally conductive resin. Thermally conductive resin, such as thermal paste, allows efficient transfer of heat generated by the dissipation face of operating capacitors to the lower surface of the cover. As a result, a flow of fluid, such as an airflow, can allow the heat absorbed by the cover to be transported and dissipated into the surrounding air.
Dans un exemple, la surface inférieure du boîtier comprend un second ensemble d’ailettes configurées pour dissiper la chaleur. En conséquence, on obtient un moyen plus efficace de refroidir les condensateurs, ce qui garantit le fonctionnement normal des condensateurs, et donc du convertisseur de puissance électrique, au cours de sa durée de vie.In one example, the bottom surface of the case includes a second set of fins configured to dissipate heat. As a result, a more efficient way of cooling the capacitors is obtained, which guarantees the normal operation of the capacitors, and therefore of the electric power converter, during its lifetime.
Dans un autre aspect encore, la présente invention concerne un ensemble électrique rotatif comprenant une machine électrique rotative ; et un convertisseur de puissance électrique, tel que configuré de la manière décrite ci-dessus, en connexion électrique avec la machine électrique rotative. Le convertisseur de puissance électrique est configuré pour être plus petit en termes d’emballage, et plus léger. En outre, conformément à la présente invention, la gestion de la chaleur du convertisseur de puissance électrique est améliorée et plus efficace, ce qui garantit le maintien de l’intégrité de l’ensemble électrique rotatif pendant son fonctionnement.In yet another aspect, the present invention relates to a rotating electrical assembly comprising a rotating electrical machine; and an electric power converter, as configured in the manner described above, in electrical connection with the rotary electric machine. The electric power converter is configured to be smaller in terms of packaging, and lighter. Furthermore, in accordance with the present invention, the heat management of the electrical power converter is improved and more efficient, which ensures that the integrity of the rotating electrical assembly is maintained during its operation.
BRÈVES DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF FIGURES
Les caractéristiques, aspects et avantages de la présente invention seront mieux compris grâce à la description suivante et aux figures ci-jointes. La description se réfère aux figures ci-jointes avec :The features, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the following description and the accompanying figures. The description refers to the attached figures with:
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Les figures ne sont pas nécessairement à l’échelle et la taille de certaines parties peut être exagérée pour illustrer plus clairement l’exemple représenté. En outre, les figures fournissent des exemples cohérents avec la description, mais la description n’est pas limitée aux exemples fournis sur les figures.Figures are not necessarily to scale and some parts may be exaggerated to more clearly illustrate the example shown. Further, the figures provide examples consistent with the description, but the description is not limited to the examples provided in the figures.
Claims (9)
un module de commande (400), logé dans un boîtier (104), configuré pour générer au moins un signal de commande pour commander un ou plusieurs modules de puissance (102), le ou les modules de puissance (102) étant configurés pour convertir un courant continu (CC) en courant alternatif (CA) ou vice versa ;
un bloc de condensateurs (200) comprenant au moins un condensateur (202) monté sur une base électriquement conductrice (204), une face de dissipation (214) de l’au moins un condensateur (202) étant adjacente à une surface inférieure (402) du boîtier (104) ; et
un élément de dissipation de chaleur (106) comprenant une cavité (210) pour recevoir le bloc de condensateur (200), une surface intérieure (212) de la cavité (210) étant montée avec la base électriquement conductrice (204) du bloc de condensateur (200).An electrical power converter (100) for use in a rotary electrical assembly (300), comprising:
a control module (400), housed in a housing (104), configured to generate at least one control signal to control one or more power modules (102), the one or more power modules (102) being configured to convert direct current (DC) to alternating current (AC) or vice versa;
a capacitor bank (200) comprising at least one capacitor (202) mounted on an electrically conductive base (204), a dissipation face (214) of the at least one capacitor (202) being adjacent to a lower surface (402 ) of the housing (104); And
a heat dissipation element (106) including a cavity (210) for receiving the capacitor block (200), an interior surface (212) of the cavity (210) being mounted with the electrically conductive base (204) of the capacitor (200).
une machine électrique rotative (302) ; et
un convertisseur de puissance électrique (100), selon les revendications 1 à 8, en connexion électrique avec la machine électrique rotative.Rotary electric assembly (300) comprising:
a rotary electric machine (302); And
an electric power converter (100), according to claims 1 to 8, in electrical connection with the rotary electric machine.
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2021
- 2021-12-16 FR FR2113636A patent/FR3131177A1/en active Pending
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