Brevet FR3056021A1 — publié le 20180316

Protection d'un dispositif d'accumulation d'énergie électrique L'invention concerne la protection d'un dispositif d'accumulation d'énergie électrique contre des agressions électromagnétiques. Pour accumuler de l'énergie électrique et permettre l'alimentation d'équipements, de nombreux types d'accumulateur d'énergie électrique sont actuellement disponibles tels que notamment de batteries de type lithium ion, cadmium nickel... On peut également mettre en oeuvre et des condensateurs électrochimiques de puissance comme accumulateur. Généralement, les dispositifs échangent de l'énergie électrique sous forme d'une tension continue. Ces dispositifs d'accumulation sont sensibles aux perturbations électromagnétiques, notamment celles transitant sur les lignes électriques raccordées aux dispositifs d'accumulation. Les perturbations, souvent de type haute fréquence, sollicitent les dispositifs d'accumulation ce qui entraine un vieillissement prématuré des dispositifs. Récemment avec l'augmentation de l'utilisation de dispositifs d'accumulation, des explosions, parfois inexpliquées, ont été constatées. A défaut de trouver la cause de ces explosions et pour en limiter les conséquences, on peut avoir recours à un confinement métallique des cellules élémentaires de stockage contenues dans les dispositifs d'accumulation. Le confinement métallique n'exclut pas les destructions des cellules mais permet de contenir la propagation des fumées et des flammes issues de l'explosion. On a également recours à une augmentation des épaisseurs du confinement métallique et des séparateurs à l'intérieur des dispositifs d'accumulation et à l'intérieur des dispositifs et notamment entre les bornes des dispositifs. Une cause probable d'explosion ou tout au moins d'échauffements excessifs réside dans la présence de perturbations électromagnétiques dans les équipements raccordés aux dispositifs d'accumulation ou à l'intérieur même des dispositifs d'accumulation. Pris isolément, le dispositif d'accumulation n'est généralement pas 30 ou peu susceptible aux perturbations électromagnétiques. L'équipement dans lequel est installé le dispositif d'accumulation peut comporter des éléments parasites tels que les inductances de câblages qui peuvent 3056021 2 résonner avec les capacités parasites présentes entre le boitier et les cellules élémentaires de stockage. A la fréquence de résonance, les courants induits par des ondes électromagnétiques sont grandement amplifiés et provoquent des 5 échauffements très élevés particulièrement sur les couches périphériques des cellules élémentaires de stockage. Ces échauffements peuvent conduire à la destruction des cellules. L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus 10 haut en proposant un nouveau dispositif d'accumulation d'énergie électrique comprenant des moyens de protection contre des perturbations électromagnétiques. Ces moyens permettent d'éviter ou tout au moins de limiter et d'atténuer la propagation des perturbations à l'intérieur du dispositif d'accumulation. Ces moyens forment une barrière permettant de bloquer les 15 perturbations aux bornes du dispositif d'accumulation pour éviter qu'elles n'atteignent les cellules élémentaires de stockage des dispositifs. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'accumulation d'énergie électrique comprenant un boitier en matériau conducteur de 20 l'électricité, au moins une cellule de stockage d'énergie électrique disposée dans le boîtier et deux bornes disposées en traversée du boitier, les bornes étant isolées électriquement du boitier, les bornes permettant un transfert d'énergie électrique entre l'au moins une cellule de stockage et l'extérieur du dispositif, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre, à l'intérieur 25 du boitier, une première impédance, reliant une première des bornes au boitier, la première impédance formant un filtre de type passe haut configuré pour évacuer vers le boitier une perturbation électromagnétique tendant à se propager par la première borne. Avantageusement, le dispositif comprend en outre, à l'intérieur du boitier, une seconde impédance reliant une seconde des bornes au boitier, la seconde impédance formant un filtre de type passe haut configuré pour évacuer vers le boitier une perturbation électromagnétique tendant à se propager par la seconde borne. 3056021 3 Avantageusement, le dispositif comprend en outre, à l'intérieur du boitier, une troisième impédance formant un filtre de type passe haut et reliant les deux bornes entre elles. Le dispositif peut comprendre, à l'intérieur du boitier, plusieurs 5 cellules de stockage d'énergie électrique reliés aux bornes et des impédances formant un filtre de type passe haut associées chacune à une des cellules de stockage d'énergie électrique. La ou les impédances peuvent comprendre chacune un condensateur et une résistance reliés en série ou en parallèle et/ou plusieurs 10 résistances reliées en parallèle et/ou plusieurs inductances L reliées en série ou en parallèle. Avantageusement, le dispositif comprend un moyen de comparaison d'une tension présente au point commun du condensateur et de la résistance de la première impédance et/ou de la seconde impédance à 15 une tension de référence et un moyen d'information d'un écart entre la tension présente au point commun et de la tension de référence. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation 20 donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente schématiquement un dispositif d'accumulation d'énergie électrique selon l'invention ; les figures 2a, 2b, 2c, 3a et 3b représentent plusieurs exemples d'impédances pouvant être mises en oeuvre dans le dispositif de la figure 1 ; 25 la figure 4 représente en perspective un exemple de disposition de composants du dispositif de la figure 1. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 30 La figure 1 représente schématiquement un dispositif 10 d'accumulation d'énergie électrique. Le dispositif 10 peut être intégré dans n'importe quel système embarqué, notamment à bord d'un aéronef. Le dispositif 10 comprend un boitier 12 à l'intérieur duquel se trouvent les composants du dispositif 10. Le boitier 12 est en matériau 35 conducteur de l'électricité. Il est par exemple formé d'une enveloppe 3056021 4 métallique ou en tout autre matériau conducteur. On peut par exemple réaliser le boitier en fibres de carbone noyées dans une résine. Le dispositif 10 comprend un ou plusieurs éléments de stockage d'énergie électrique disposés dans le boitier 12. Différents types d'élément de stockage peuvent 5 être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention, comme par exemple des batteries d'accumulateur ou des condensateurs électrochimiques. Sur la figure 1, plusieurs batteries V1, V2...Vn, formant chacune un élément de stockage, sont raccordées en série afin d'élever la tension d'utilisation du dispositif 10. Lorsque plusieurs éléments de stockage sont 10 mis en oeuvre, il est possible de les raccorder différemment, notamment en parallèle. Il est bien sûr possible de réaliser des raccordements à la fois en série et en parallèle de plusieurs éléments de stockage. Le dispositif comprend deux bornes 14 et 16 permettant de raccorder le dispositif 10 à un réseau extérieur. Les bornes 14 et 16 sont disposées en traversée du boitier 15 12. Les bornes 14 et 16 sont isolées électriquement du boitier 12. Un isolant 18 entoure la borne 14 et un isolant 20, la borne 16. Les isolants 18 et 20 peuvent assurer le maintien mécanique de leur borne respective 14 et 16 par rapport au boitier 12. Généralement, les dispositifs de stockage d'énergie fonctionnent en courant continu. La borne 14 forme la borne positive et la 20 borne 16, la borne négative du dispositif 10. Dans le cadre de l'invention, Il est possible de mettre en oeuvre un dispositif de stockage d'énergie fonctionnent en courant alternatif. Selon l'invention, le dispositif 10 comprend, à l'intérieur du boitier 12, au moins une impédance reliant une des deux bornes 14 ou 16 au boitier 25 12. L'impédance forme un filtre de type passe haut configuré pour évacuer vers le boitier une perturbation électromagnétique tendant à se propager par la borne reliée au boitier par l'impédance. La définition d'une fréquence de coupure du filtre passe haut est faite en fonction du type de perturbation que l'on souhaite filtrer. Pour un dispositif 10 fonctionnant en courant continu, la 30 fréquence de coupure peut être très basse, de l'ordre du kHz. Pour un dispositif fonctionnant en courant alternatif, la fréquence de coupure doit être supérieure à la fréquence du courant alternatif. Si une seule des bornes 14 ou 16 est reliée au boitier, on choisit celle dont le circuit externe au dispositif auquel la borne est raccordée est le plus susceptible de véhiculer des perturbations. Il s'agit généralement de perturbations haute fréquence que le 3056021 5 circuit peut véhiculer. Ces perturbations peuvent être issues de composants du circuit externe ou provenant de rayonnement électromagnétique reçu par les conducteurs du circuit externe. Dans le cas d'un dispositif 10 fonctionnent en courant continu, la borne négative peut être raccordée à une masse du 5 circuit externe. Cette masse peut être formée par un grand nombre de pièces mécaniques dont il est nécessaire de fixer le potentiel par exemple en assurant une bonne métallisation de leur surface. Ces pièces mécaniques peuvent constituer une antenne captant toute sorte de rayonnement électromagnétique. Il est donc avantageux de relier la borne négative 16 au 10 boitier 12 par l'intermédiaire d'une impédance formant un filtre passe haut. Dans la pratique, le dispositif de stockage 10 peut être raccordé à différents circuits externes et lors de la conception du dispositif il est avantageux de protéger les deux bornes 14 et 16 des perturbations électromagnétiques afin de standardiser la fabrication de dispositifs 10. A cet 15 effet, les deux bornes 14 et 16 sont reliées chacune au boitier 12 au travers d'une impédance formant chacune un filtre passe haut. Sur la figure 1, une impédance Z1 relie la borne 14 au boitier 10 et une impédance Z2 relie la borne 16 au boitier 10. En cas de panne d'une des impédances Z1 ou Z2, notamment en 20 cas de coupure de la liaison entre le boitier 12 et la borne respective, la protection contre les perturbations n'est plus assurée. Avantageusement, pour pallier ce problème, le dispositif 10 comprend une troisième impédance Z3 reliant les deux bornes 14 et 16. La troisième impédance Z3 forme également un filtre de type passe haut. Ainsi en cas de casse de l'impédance 25 Z1, des perturbations présentes sur la borne 14 peuvent tout de même être évacuées vers le boitier 12 au travers des impédances Z3 et Z2 disposées en série. De même, en cas de casse de l'impédance Z2, les perturbations présentes sur la borne 16 transitent vers le boitier 12 au travers des impédances Z3 et Z1 disposées en série. Le dispositif est ainsi tolérant à une 30 panne sur l'une des impédances Z1 ou Z2. Une panne sur l'impédance Z3 est également acceptable, l'évacuation des perturbations se fait alors par l'une des impédances Z1 ou Z2. Une panne peut être provoquée par une défaillance d'un composant d'une des impédances Z1, Z2 ou Z3. Cette défaillance peut être due au composant lui-même ou à une surcharge du 35 composant lors de son utilisation. 3056021 6 Les figures 2a, 2b et 2c représentent trois exemples d'impédances pouvant être mises en oeuvre dans le dispositif de la figure 1. La figure 2a représente un condensateur C, la figure 2b représente un condensateur C en 5 série avec une résistance R et la figure 2c représente un condensateur C, une inductance L et une résistance R, tous trois en série. Un condensateur seul, tel que représenté sur la figure 2a, peut suffire pour réaliser une impédance telle que Z1, Z2 ou Z3. Pour réaliser un filtre de type passe haut, la résistance série du condensateur peut suffire 10 pour former l'équivalent d'une résistance et d'un condensateur connecté en série. Plus précisément, dans le cas des impédances Z1 et Z2 la résistance série peut être répartie entre d'une part le conducteur reliant le borne concernée et le condensateur et d'autre part le conducteur reliant le condensateur au boitier 12. Dans le cas de l'impédance Z3, la résistance 15 peut être répartie entre les deux conducteurs reliant le condensateur C à chacune des bornes 14 et 16. Afin d'augmenter la valeur de la résistance R associée au condensateur C, il est possible d'ajouter un composant spécifique résistif en série avec le condensateur C tel que représenté sur la figure 2b. 20 De même, les conducteurs présentent généralement par eux mêmes une inductance qui peut être de l'ordre d'un nH par mm de longueur du conducteur. Il est possible d'augmenter la valeur de cette inductance en ajoutant un composant inductif L en série avec le condensateur C et la résistance R, comme représenté sur la figure 2c. Il est bien sur possible de 25 ne connecter en série qu'un condensateur C et un composant inductif L, la résistance étant assurée par les résistances séries de chaque composant L et C. Les figures 3a et 3b représentent des variantes d'impédances 30 dans lesquelles plusieurs condensateurs Ca et Cb et éventuellement plusieurs résistances Ra et Rb sont raccordées en parallèle Toutes les résistances présentent dans la figure 1 peuvent être associées en série et parallèle. A l'image de la figure 3b, il est également possible d'ajouter plusieurs composants inductifs L raccordés en série ou en parallèle. Ces 35 raccordements en parallèle permettent la redondance des composants et 3056021 7 assure une partie de la sécurité. Ainsi, lorsque l'un d'entre eux subit une panne, l'autre ou les autres permettent à l'impédance de remplir sa fonction. Les caractéristiques de l'impédance sont altérées mais la fonction reste remplie. Sur la figure 3b, un point commun des condensateurs Ca et Cb est 5 raccordé à un point commun des résistances Ra et Rb. Alternativement, il est possible de raccorder en parallèle plusieurs ensemble disjoints formé chacun par une résistance R et un condensateur C. Un composant inductif L peut également être ajouté en série et ou en parallèle dans chaque ensemble disjoint. 10 Dans l'exemple représenté deux composants de chaque type sont raccordés en parallèle. Il est bien entendu possible de prévoir un plus grand nombre de composants raccordés en parallèle. La présence d'un composant résistif ou résistance R spécifique 15 peut être mise à profit pour tester les impédances. Pour une impédance donnée, ce test est avantageusement effectué en comparant la tension mesurée dans l'impédance au point commun de la résistance R et du condensateur C à une tension de référence. Sur la figure 1, une résistance R1 est représentée en série avec l'impédance Z1 et une résistance R2 est 20 représentée en série avec l'impédance Z2. Il est bien entendu que les résistances R1 et R2 participent à la fonction de filtrage passe haut des impédances Z1 et Z2. La mesure réalisée pour le test est faite au point commun de l'impédance Z1 ou Z2 et de sa résistance associée en série R1 ou R2. Si l'impédance comprend déjà une résistance, il est bien sûr possible 25 de réaliser la mesure à l'une des bornes de cette résistance. Un défaut dans le condensateur C ou dans la résistance R modifie la tension mesurée. Il est possible d'améliorer la mesure en plaçant une résistance en parallèle du condensateur. Par exemple sur la figure 1, une résistance R3 est disposée en parallèle de l'impédance Z1 et une résistance R4 est disposée en 30 parallèle de l'impédance Z2. Les résistances R1 et R3 forment un diviseur de tension au point central duquel la mesure est effectuée. Il en est de même pour les résistances R4 et R2. Il est possible de prévoir un moyen de comparaison propre à chaque impédance Z1, Z2 ou Z3. Pour simplifier le dispositif, Il est 35 avantageux de prévoir un moyen de comparaison commun à plusieurs 3056021 8 impédances. Par exemple sur la figure 1, un moyen de comparaison 22 compare une tension de l'impédance Z1 et une tension de l'impédance Z2. Une résistance R5 est disposée entre la borne positive 14 et le point de comparaison de l'impédance Z2 afin de ramener la tension mesurée dans 5 l'impédance Z2 à une valeur voisine de celle mesurée dans l'impédance Z1. Associé au moyen de comparaison 22, le dispositif 10 comprend de plus un moyen d'information 24 d'un écart entre un résultat de la comparaison et un résultat attendu. Ce moyen d'information 24 peut être de 10 toute nature, signal sonore, visuel ou simplement un signal électrique disponible sur une borne 26 sortant du boitier 12. Le signal électrique peut être utilisé par un contrôleur extérieur ou intérieur au dispositif. En cas de signal indiquant une panne des moyens de protection électromagnétique, notamment une défaillance d'une des impédances Z1, Z2 ou Z3, le 15 contrôleur peut déconnecter le dispositif 10 du réseau dans lequel il est mis en oeuvre. Néanmoins le dispositif 10 est sécurisé par la redondance des composants et des filtres passe haut. La figure 4 représente en perspective un exemple de disposition 20 de composants du dispositif 10 qui comprend plusieurs cellules élémentaires de stockage d'énergie 30 disposées dans le boitier 12. Sur la figure 4 trois cellules 30 sont représentées. L'invention peut être mise en oeuvre quelque soit le nombre de cellules 30. Le raccordement des cellules 30 vers les bornes 14 et 16 n'est pas représenté ainsi que d'éventuelles cartes 25 électroniques du dispositif. Il est possible d'associer les différentes cellules 30 en série, en parallèle ou en combinant un raccordement en série et en parallèle. Un premier bloc de protection électromagnétique 32 est représenté au voisinage des bornes 14 et 16. Le bloc 32 comprend le ou les 30 impédances Z1, Z2, et, Z3, et éventuellement les résistances R1, R2, R3, R4 et R5 et les moyens de comparaison 22 et d'information 24. Ce bloc 32 est disposé le plus près possible des bornes 14 et 16 afin de limiter le cheminement de perturbations électromagnétiques à l'intérieur du boitier 12. Pour améliorer encore la protection du dispositif 10 vis-à-vis de 35 perturbations électromagnétiques, associée à chaque cellule 30, le dispositif 3056021 9 peut comprendre au moins une impédance telle que décrite précédemment. Sur la figure 4, associé à chaque cellule 30, un bloc de protection électromagnétique 34 est représenté. Chaque bloc 34 comprend comme le bloc 32, le ou les impédances Z1, Z2, et, Z3, et éventuellement les 5 résistances R1, R2, R3, R4 et R5 et les moyens de comparaison 22 et d'information 24. Chaque bloc 34 est disposé au plus près de la cellule 30 à laquelle il est associé. REVENDICATIONS1. Dispositif d'accumulation d'énergie électrique (10) comprenant un boîtier (12) en matériau conducteur de l'électricité, au moins une cellule (30) de stockage d'énergie électrique disposée dans le boitier (12) et deux bornes (14, 16) disposées en traversée du boitier (12), les bornes (14, 5 16) étant isolées électriquement du boitier (12), les bornes (14, 16) permettant un transfert d'énergie électrique entre l'au moins une cellule (30) de stockage et l'extérieur du dispositif (10), caractérisé en ce que le dispositif (10) comprend en outre, à l'intérieur du boitier (12), une première impédance (Z1, Z2), reliant une première des bornes (14, 16) au boîtier (12), 10 la première impédance (Z1, Z2) formant un filtre de type passe haut configuré pour évacuer vers le boitier (12) une perturbation électromagnétique tendant à se propager par la première borne (14, 16). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 15 comprend, à l'intérieur du boitier (12), une seconde impédance (Z2) reliant une seconde des bornes (14) au boitier (12), la seconde impédance (Z2) formant un filtre de type passe haut configuré pour évacuer vers le boitier (12) une perturbation électromagnétique tendant à se propager par la seconde borne (14). 20 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur du boitier (12), une troisième impédance (Z3) formant un filtre de type passe haut et reliant les deux bornes (14, 16) entre elles. 25 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur du boitier, plusieurs cellules (30) de stockage d'énergie électrique reliés aux bornes (14, 16) et des impédances (34) formant un filtre de type passe haut associées chacune 30 à une des cellules (30) de stockage d'énergie électrique. 3056021 11 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les impédances (Z1, Z2, Z3) comprennent chacune un condensateur (C) et une résistance (R) reliés en série. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les impédances (Z1, Z2, Z3) comprennent chacune plusieurs condensateurs (Ca, Cb) reliés en parallèle. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que la ou les impédances (Z1, Z2, Z3) comprennent chacune plusieurs résistances (Ra, Rb) reliées en parallèle. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les impédances (Z1, Z2, Z3) comprennent 15 chacune plusieurs inductances L reliées en série ou en parallèle. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de comparaison (22) d'une tension présente au point commun du condensateur (C) et de la résistance (R) à une tension de 20 référence et un moyen d'information (24) d'un écart entre la tension présente au point commun et de la tension de référence. 10. Dispositif selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de comparaison (22) d'une tension présente au 25 point commun du condensateur (C) et de la résistance (R) de la première impédance (Z1) et d'une tension présente au point commun du condensateur (C) et de la résistance (R) de la seconde impédance (Z2) et un moyen d'information (24) d'un écart entre un résultat mesuré de la comparaison et un résultat attendu. 30