Brevet FR3048564A1 — publié le 20170908

DISPOSITIF DE DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE COMPRENANT AU MOINS UN CONTRÔLEUR D'ALIMENTATION L'invention concerne le domaine de la distribution électrique au sein de systèmes comprenant des organes électriques (ou électroniques). Dans certains systèmes, comme par exemple des aéronefs, il est fréquent d'utiliser des dispositifs de distribution électrique pour alimenter de nombreux organes électriques de façon contrôlée. L'invention concerne plus particulièrement les dispositifs de distribution électrique qui sont connus sous o l'acronyme anglais SPDU (« Secondant Power Distribution Unit »), et qui peuvent présenter différentes architectures. L'invention concerne encore plus particulièrement les SPDUs comprenant au moins un contrôleur d'alimentation (ou SSPC (« Solid state Power Controller ») - disjoncteur électronique contrôlable) propre à être 15 connecté à au moins un organe électrique d'un système, au moins un contrôleur local (ou « COM & CPU ») propre à interfacer au moins un contrôleur d'alimentation avec au moins un calculateur externe du système, et au moins une voie (ou chaîne) d'alimentation locale (ou « power supply propre à alimenter au moins un contrôleur d'alimentation et le(s) contrôleur(s) 20 local (locaux) à partir d'une ligne réseau électrique du système. On notera qu'un SSPC peut être agencé de manière à fournir une alimentation continue (ou DC) ou alternative (ou AC). Dans de tels SPDUs, les contrôleurs d'alimentation (ou SSPCs) et chaque contrôleur local (ou COM & CPU) présentent une majorité de 25 composants communs, alors que la quasi-totalité des composants des voies d'alimentation locales (ou power supplies) ne sont utilisés que par ces dernières. Cette solution ne, s'avère pas optimale en termes de coûts et de rationalisation industrielle. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation, 30 notamment pour optimiser et rationaliser les cartes SSPC. 3048564 2 Elle propose notamment à cet effet un dispositif de distribution électrique comprenant au moins un contrôleur d'alimentation propre à être connecté à au moins un organe électrique, au moins un contrôleur local propre à interfacer au moins un contrôleur d'alimentation avec au moins un calculateur externe, et au moins une voie d'alimentation locale propre à alimenter au moins un contrôleur d'alimentation et chaque contrôleur local. Ce dispositif se caractérise par le fait que : - chaque contrôleur d'alimentation et chaque contrôleur local comprennent chacun un convertisseur local de type DC/DC et propre à être couplé à 1 o chaque voie d'alimentation locale, et - qu'il comprend un réservoir d'énergie couplé à chaque voie d'alimentation locale, au convertisseur local d'au moins un contrôleur d'alimentation et au convertisseur local d'au moins un contrôleur local. Grâce à l'invention, on peut désormais s'affranchir des convertisseurs 15 DC/DC dans chaque voie d'alimentation locale, et donc les contrôleurs d'alimentation et chaque contrôleur local peuvent être alimentés via une voie (ou chaîne) d'alimentation fortement simplifiée du système dont ils font partie, sans conversion intermédiaire, y compris en cas de problème survenant sur cette ligne du fait de la présence d'un réservoir d'énergie commun. Il en 20 résulte, notamment, une réduction du nombre de composants utilisés, une réduction du nombre de types de composant utilisés et une réduction de l'encombrement. Le dispositif selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : 25 - il peut comprendre un premier filtre de type dit à mode commun et mis en commun de chaque voie d'alimentation locale et/ou un second filtre de type dit à mode différentiel et mis en commun de chaque voie d'alimentation locale ; - le réservoir d'énergie peut présenter un type choisi parmi au moins un type 30 dit direct et un type dit commuté ; - il peut comprendre au moins deux voies d'alimentation locales de type dit à courant continu ; 3048564 3 - en variante, il peut comprendre au moins une voie d'alimentation locale de type dit à courant continu, et au moins une voie d'alimentation locale de type dit à courant alternatif et comprenant un convertisseur de type AC/AC et un ensemble de composants électroniques propre à mettre en forme 5 l'énergie issue d'un réseau alternatif pour la rendre compatible avec l'énergie issue d'un réseau continu ; - chaque convertisseur local du contrôleur d'alimentation peut présenter un type choisi parmi (au moins) « flyback », « isolated buck », « forward », et chaque topologie dérivée de « forward » ; - il peut comprendre un ensemble de composants électroniques propre à éviter une propagation de défaut vers l'amont de problèmes électriques survenus en aval et à prémunir d'une propagation de défaut entre voies d'alimentation locales. L'invention propose également un système comprenant au moins un organe électrique et au moins un dispositif de distribution électrique du type de celui présenté ci-avant et couplé à au moins un organe électrique. Un tel système peut, par exemple, être un aéronef. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre de façon schématique et fonctionnelle un exemple de réalisation d'un dispositif de distribution électrique selon l'invention, et - la figure 2 illustre de façon schématique et fonctionnelle une variante du dispositif de distribution électrique de la figure 2. L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif de distribution électrique DD constituant un SPDU et destiné à équiper un système pour alimenter certains des organes électriques Oi de ce dernier. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le système est un aéronef, comme par exemple un avion. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de système. En effet, un dispositif de distribution électrique DD, selon l'invention, peut équiper n'importe quel système comportant des organes électriques à alimenter. Ainsi, elle concerne 3048564 4 notamment les véhicules (terrestres, maritimes (ou fluviaux) et aériens), les installations, éventuellement industrielles, et les bâtiments. On a schématiquement illustré sur les figures 1 et 2 deux exemples de réalisation d'un dispositif de distribution électrique DD selon l'invention. 5 Comme illustré, un dispositif (de distribution électrique) DD, selon l'invention, comprend au moins un contrôleur d'alimentation (ou SSPC (Solid state Power Controller) CAj, au moins une voie d'alimentation locale (ou power supply) VAk, au moins un contrôleur local (ou COM & CPU) CL, et un réservoir d'énergie RE. 10 Chaque contrôleur d'alimentation CAj est propre à être connecté à au moins un organe électrique Oi d'un système (ici un avion), comprend un convertisseur local CV1 de type DC/DC (courant continu/courant continu) et propre à être couplé (directement ou indirectement) à chaque voie d'alimentation locale VAk. 15 Le/chaque contrôleur local CL est propre à interfacer au moins un contrôleur d'alimentation CAj avec au moins un calculateur externe CE, comprend un convertisseur local CV1 de type DC/DC, et est propre à être couplé à au moins une voie d'alimentation locale VAk. Dans les exemples de réalisation illustrés non limitativement sur les 20 figures 1 et 2, le dispositif DD comprend deux voies d'alimentation locales VA1 et VA2 (k = 1 ou 2) qui sont toutes les deux couplées à deux contrôleurs d'alimentation CA1 et CA2 (j = 1 ou 2) et à un contrôleur local CL. Le premier contrôleur d'alimentation CA1 alimente ici deux organes électriques 01 et 02 (i = 1 ou 2), le second contrôleur d'alimentation CA2 alimente ici trois organes 25 électriques 03, 04 et 05 (i = 3 à 5), et le contrôleur local CL est couplé à un unique calculateur externe CE. Mais le premier contrôleur d'alimentation CA1 pourrait alimenter un unique organe électrique ou bien plus de deux organes électriques. De même, le second contrôleur d'alimentation CA2 pourrait alimenter un ou deux organes électriques ou bien plus de trois organes 30 électriques. Egalement de même, le contrôleur local CL pourrait être couplé à plusieurs (au moins deux) calculateurs externes. Par ailleurs, le dispositif DD pourrait comprendre plus ou moins de deux contrôleurs d'alimentation CAj (ce qui est souvent le cas, notamment dans un avion), et/ou plusieurs contrôleurs 3048564 5 locaux CL. Le réservoir d'énergie RE est couplé à chaque voie d'alimentation locale VAk, au convertisseur local CV1 d'au moins un contrôleur d'alimentation CAj et au convertisseur local CV1 d'au moins un contrôleur 5 local CL. Ce réservoir d'énergie RE est destiné à maintenir l'alimentation des contrôleurs d'alimentation CA1 et CA2 et de chaque contrôleur local CL durant un temps défini en cas d'interruption des sources externes de l'avion. La réserve d'énergie est donc pleinement destinée aux besoins internes du io dispositif DD. Le réservoir d'énergie RE peut, par exemple, comporter des condensateurs ou super condensateurs. Par ailleurs, ce réservoir d'énergie RE peut, par exemple, présenter un type dit direct ou un type dit commuté, selon les besoins. 15 Ce réservoir d'énergie RE peut éventuellement comprendre un convertisseur destiné à élever la tension de sa réserve d'énergie. Dans ce cas, il peut, par exemple, être de type BOOST ou BUCK-BOOST non inverseur à deux ou quatre commutateurs. Lorsque le réservoir d'énergie RE peut gérer ou fixer la tension de 20 sa réserve d'énergie, plusieurs stratégies de gestion peuvent être mises en oeuvre lors de transitoires de faible amplitude du réseau électrique avion. Ainsi, on peut, par exemple, effectuer une élévation de tension permanente pour obtenir une tension de réserve d'énergie régulée au-delà de l'amplitude maximale du réseau électrique avion, ou bien une élévation intermédiaire, 25 éventuellement combinée à un mode « suiveur » (de non conversion) lors de transitoires supérieurs à la tension de régulation de la réserve d'énergie. Il est important de noter que chaque voie d'alimentation locale VAk est dépourvue de convertisseur de type DC/DC. Chaque convertisseur DC/DC d'un contrôleur d'alimentation CAj ou 30 d'un contrôleur local CL est donc agencé de manière à pouvoir être alimenté « directement » via une ligne réseau électrique de son système, sans conversion intermédiaire, excepté pour les conversions associées à certaines variantes de la réserve d'énergie. Cela permet de s'affranchir des 3048564 6 convertisseurs DC/DC dans chaque voie d'alimentation locale VAk, et donc de réduire non seulement le nombre de composants utilisés dans le dispositif DD, mais également le nombre de types de composant utilisés dans le dispositif DD et l'encombrement du dispositif DD. Cela s'avère avantageux en 5 termes de coûts, de rationalisation industrielle et de possibilités d'implantation. On notera, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que le dispositif DD peut éventuellement comprendre, par exemple en amont du réservoir d'énergie RE, un premier filtre Fl de type dit à mode commun et mis en commun de chaque voie d'alimentation locale VAk, et/ou un second 10 filtre F2 de type dit à mode différentiel et mis en commun de chaque voie d'alimentation locale VAk. Ce premier filtre Fl est destiné à filtrer les perturbations de mode commun, tandis que le second filtre F2 est destiné à filtrer les perturbations de mode différentiel. 15 On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que le dispositif DD peut éventuellement comprendre, en amont de son éventuel premier filtre F1, un ensemble de composants électroniques El destiné à éviter une propagation de défaut vers l'amont (et donc vers le réseau électrique avion) de problèmes électriques survenus en aval (par 20 exemple dans une voie d'alimentation locale VAk ou un organe électrique 0i), comme par exemple en cas de court-circuit, ainsi qu'à prémunir d'une propagation de défaut entre les voies d'alimentation locales VAk (lorsque le dispositif DD en comprend plusieurs). Cet ensemble de composants électroniques El constitue une 25 interface de type N vers 1, où N est le nombre de voies d'alimentation locales VAk. Cette interface El peut, par exemple, comprendre N fonctions OU à diodes. Lorsque N = 2, comme illustré non limitativement, on a une interface El de type 2 vers 1, par exemple comprenant deux fonctions OU à diodes. On notera également, comme illustré non limitativement sur les 30 figures 1 et 2, que le dispositif DD peut éventuellement comprendre, par exemple entre son éventuel ensemble El et son éventuel premier filtre F1, un limiteur de courant Ll mis en commun de chaque voie d'alimentation locale VAk. Ce limiteur de courant Ll est plus particulièrement utile lorsque la 3048564 7 réserve d'énergie RE comprend principalement des condensateurs ou super condensateurs, sans moyens propres à gérer ou fixer la tension. On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que chaque voie d'alimentation locale VAk peut éventuellement 5 comprendre en entrée (en amont de l'éventuel ensemble E1) un module de protection MP, de préférence pas mis en commun, et destiné à détourner (ou diriger) vers la structure (ici de l'avion) les impulsions électriques dangereuses provenant du réseau électrique avion. Le module de protection MP doit être placé le plus proche possible des interfaces physiques (connecteurs) et doit la donc être dédié à une interface avec une source avion externe. Dans l'exemple de la figure 1 le dispositif DD comprend deux voies d'alimentation locales VA1 et VA2 (k = 1 ou 2) de type dit à courant continu (ou DC) dont la plupart des éléments fonctionnels (RE et éventuellement E1, L1, Fl et F2), hormis leurs éventuels modules de protection MP respectifs, 15 sont mis en commun. Mais le dispositif DD pourrait comporter plus ou moins de deux voies d'alimentation locales VAk de type dit à courant continu. Cet agencement de la figure 1 est adapté à l'alimentation continue (ou DC) d'organes électriques. Dans l'exemple de la figure 2 le dispositif DD comprend une voie 20 d'alimentation locale VA1 (k = 1) de type dit à courant continu et une voie d'alimentation locale VA2 (k = 2) de type dit à courant alternatif (ou AC) qui ont en commun plusieurs éléments fonctionnels (RE et éventuellement E1, L1, Fl et F2). Cela permet d'alimenter certains organes électriques Oi en courant continu et certains autres organes électriques Oi' (i' # i) en courant 25 alternatif en fonction de leurs agencements respectifs. La voie d'alimentation locale VA1 (de type DC) est similaire à celle décrite plus haut en référence à la figure 1. Par conséquent, tout ce qui a été dit précédemment à propos de la voie d'alimentation locale VA1 de la figure 1 s'applique également à la voie d'alimentation locale VA1 de la figure 2. La 30 voie d'alimentation locale VA2 (de type AC) comprend notamment un convertisseur CV2 de type AC/AC et un ensemble de composants électroniques E2 destiné à mettre en forme l'énergie issue du réseau alternatif (AC) de l'avion pour la rendre compatible avec l'énergie issue du réseau 3048564 8 continu (DC) de l'avion. L'ensemble de composants électroniques E2 peut, par exemple, constituer au moins un redressement à diodes. Un tel convertisseur CV2 constitue alors avec l'ensemble de composants électroniques E2 ce que l'homme de l'art appelle parfois un convertisseur de 5 type AC(TRI)/DC. Dans un autre mode de réalisation, l'ensemble de composants électronique E2 peut, par exemple, être un redresseur à six diodes associé à des filtres, le convertisseur CV2 étant alors par exemple un convertisseur DC/DC. Comme la voie d'alimentation locale VA1, la voie d'alimentation locale la VA2 peut également comprendre un éventuel module de protection MP (similaire à celui décrit plus haut) en amont du convertisseur CV2. Dans les exemples des figures 1 et 2, chaque convertisseur local CV1 peut, par exemple, être de type « flyback » ou « isolated buck » (ou « buck avec enroulement auxiliaire isolé ») ou « forward » ou de n'importe quelle 15 topologie dérivée du type forward (comme par exemple « single switch forward », « two switches forward », « push pull », « half bridge » ou « full bridge »). D'une manière générale, chaque convertisseur local CV1 est préférentiellement constitué de composants électroniques intégrés tolérant 20 une large plage de tension d'entrée (comme c'est notamment le cas sur un réseau électrique d'un système tel qu'un avion). On notera que le dispositif DD pourrait comporter plus d'une voie d'alimentation locale à courant continu (DC) et/ou plus d'une voie d'alimentation locale à courant alternatif (AC). 25 L'invention offre plusieurs avantages, parmi lesquels : - une suppression des convertisseurs d'alimentation centralisés qui permet une connexion directe des contrôleurs d'alimentation (ou SSPCs) et du contrôleur local au réseau électrique du système pour prélever l'énergie dont ils ont besoin sans conversion d'énergie électrique intermédiaire, 30 - une adaptation possible aux alimentations alternatives (AC) par insertion d'un convertisseur de type AC(Tri)/DC dont la tension de sortie est similaire au réseau électrique du système, de manière à standardiser chaque 3048564 9 convertisseur DC/DC au sein des contrôleurs d'alimentation CAj. Cette adaptation peut, dans le cas d'une association de carte DC et de carte AC (siège de pertes plus importantes que la carte DC) et d'un dimensionnement du convertisseur AC(Tri)/DC pour qu'il génère 5 nominalement une tension inférieure à celle du réseau électrique DC du système, permettre aux SSPCs et contrôleur local des deux cartes AC et DC de consommer en priorité sur le réseau électrique DC afin de ne pas générer de perte au sein du convertisseur AC(Tri)/DC additionnel et de la carte AC. On comprendra en effet que cela permettrait de réduire les 10 pertes des cartes AC en les déplaçant en condition normale vers les cartes DC et donc d'homogénéiser la répartition des pertes entre cartes DC et AC. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de distribution électrique et de système décrits ci-avant, seulement à titre 15 d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le seul cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1, Dispositif de distribution électrique (DD) comprenant au moins un contrôleur d'alimentation (CAj) propre à être connecté à au moins un organe électrique (01), au moins un contrôleur local (CL) propre à interfacer au moins un contrôleur d'alimentation (CAj) avec au moins un calculateur externe (CE), et au moins une voie d'alimentation locale (VAk) propre à alimenter au moins un contrôleur d'alimentation (CAj) et ledit contrôleur local io (CL), caractérisé en ce que chaque contrôleur d'alimentation (CAj) et chaque contrôleur local (CL) comprennent chacun un convertisseur local (CV1) de type DC/DC et propre à être couplé à chaque voie d'alimentation locale (VAk), et en ce qu'il comprend un réservoir d'énergie (RE) couplé à chaque voie d'alimentation locale (VAk), au dit convertisseur local (CV1) d'au moins 15 un contrôleur d'alimentation (CAj) et au dit convertisseur local (CV1) d'au moins un contrôleur local (CL). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier filtre (F1) de type dit à mode commun et mis en commun de chaque voie d'alimentation locale (VAk) et/ou un second filtre (F2) de type dit 20 à mode différentiel et mis en commun de chaque voie d'alimentation locale (VA). 3. Dispositif selon l'une des revendications 'I et 2, caractérisé en ce que ledit réservoir d'énergie (RE) est de type direct ou de type commuté. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 25 qu'il comprend au moins deux voies d'alimentation locales (VAk) de type dit à courant continu. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une voie d'alimentation locale (SA1) de type dit à courant continu, et au moins une voie d'alimentation locale (SA2) de type dit 30 à courant alternatif et comprenant un convertisseur (CV2) de type AC/AC et un ensemble de composants électroniques (E2) propre à mettre en forme l'énergie issue d'un réseau alternatif pour la rendre compatible avec l'énergie issue d'un réseau continu. 3048564 11 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque convertisseur local (CV1) est de type « flyback », ou « isolated buck », ou « forward » et chaque dérivé du type « forward ». 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce 5 qu'il comprend un ensemble de composants électroniques (El) propre à éviter une propagation de défaut vers l'amont de problèmes électriques survenus en aval et à prémunir d'une propagation de défaut entre voles d'alimentation locales (VAk). 8. Système comprenant au moins un organe électrique (0i), 10 caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un dispositif de distribution électrique (DD) selon l'une des revendications précédentes, couplé à au moins un organe électrique (0i).