Brevet FR3064124A1 — publié le 20180921

Système d'alimentation en énergie électrique notamment d'un réseau de bord d'un sous-marin La présente invention concerne un système d'alimentation en énergie électrique notamment d'un réseau de bord d'un sous-marin. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel système d'alimentation en énergie électrique qui comporte des moyens de stockage d'énergie électrique à base de batteries au lithium. Ces systèmes d'alimentation en énergie électrique comportent également des moyens de distribution de cette énergie électrique à destination de charges d'utilisateur, ces moyens de distribution d'énergie comportant des moyens de coupure et d'isolement de branches de raccordement des charges d'utilisateur au réseau, notamment en cas de court-circuit de celles-ci. De façon traditionnelle, les moyens de stockage d'énergie électrique pour ce type d'applications par exemple à des sous-marins, ont été basés sur l'utilisation de batteries au plomb. Les appareillages de protection du réseau ont alors été dimensionnés pour pouvoir couper des courants de court-circuit par exemple de ce type de batteries, ces courants pouvant par exemple s'élever jusqu'à 50 kA. Or la tendance actuelle est d'utiliser des batteries au lithium et en particulier des batteries lithium/ion, en tant que moyens de stockage d'énergie électrique pour le type d'applications envisagées. Or, les courants de court-circuit de telles batteries au lithium/ion sont beaucoup plus élevés que les courants de court-circuit des batteries au plomb. On cite par exemple des valeurs de 300 kA, c'est-à-dire des valeurs six fois plus élevées que les courants de court-circuit des batteries au plomb. Il se pose alors la question de savoir comment couper ou interrompre de tels courants de court-circuit avec des appareillages de protection de réseau de conception antérieure. La demanderesse a déjà proposé de réduire le courant de court-circuit en cas de défaut interne ou externe, en insérant dans la ligne de puissance de chaque branche en parallèle constituant le système de stockage d'énergie électrique, par exemple un hacheur de courant. Ce hacheur permet alors de limiter le courant de sortie de chaque branche à une valeur paramétrée à l'avance. 3064124 2 Ainsi le courant de court-circuit est limité à une valeur compatible avec les caractéristiques des appareillages de protection du réseau auquel est connectée la batterie. Cependant le développement de ce type de système à hacheurs est rendu 5 compliqué par la nécessité d'une coordination entre les différents hacheurs des différentes branches et une connaissance de l'impédance en aval du hacheur pour un bon fonctionnement de la solution. D'autres solutions ont été proposées comme par exemple dans le document EP 1 641 066. 10 Dans ce document on propose de réaliser la batterie par branche afin de limiter le courant de court-circuit. Le concept de base de cette structure est alors de limiter le courant de court-circuit en ne connectant qu'un nombre limité de branches. Ce document propose alors un système de gestion des connexions et des 15 déconnexions des branches et de charge des batteries. Ce système nécessite un circuit de décharge et un circuit de charge découplés par exemple par des diodes. De plus il impose une gestion complexe des capacités des différentes branches de la batterie lors de la charge et de la décharge. 20 Cette gestion nécessite de connaître très précisément les états de charge des branches pour éviter des courants d'échange trop importants entre branches lors de la connexion et de la déconnexion de celles-ci. Or la connaissance précise de l'état de charge d'une batterie au lithium n'est pas simple. 25 Une autre solution de limitation et de coupure des courants de court-circuit pour des batteries au lithium de forte capacité, notamment pour des applications aux sous-marins, a également été présentée en 2013. Ce système propose d'insérer, en cas de défaut sur le réseau, une résistance dans la ligne de puissance des branches de la batterie pour atténuer la valeur du courant 30 en dissipant une forte énergie calorifique. Un système d'interrupteurs statiques par exemple à semi-conducteur, permet de dévier le courant dans cette résistance en cas de surintensité détectée en sortie des branches de la batterie. Ce système nécessite un dispositif de réfrigération à eau et demande une étude 35 complète du plan de protection et de sélectivité du réseau électrique de chaque type de sous-marins où il est implanté, afin de définir la valeur de la résistance qui permettra de 3064124 3 limiter le courant de court-circuit à une valeur permettant le fonctionnement des systèmes de protection électrique du réseau. Une telle solution est décrite par exemple dans le document WO 2010/089338. Ainsi ces différentes solutions sont fondées sur une limitation du courant en sortie 5 des branches de la batterie en vue d'assurer la protection du réseau et la sélectivité du réseau en cas de défaut, cette limitation permettant d'assurer une valeur de courant fournie par la batterie compatible avec les caractéristiques des appareillages de protection du réseau. Mais on a vu que de tels systèmes sont complexes et compliqués à mettre ou 10 point et en oeuvre. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet l'invention a pour objet un système d'alimentation en énergie électrique notamment d'un réseau de bord d'un sous-marin, du type comportant des moyens de stockage d'énergie électrique à base de batteries au lithium et des moyens de distribution 15 de cette énergie électrique à destination de charges d'utilisateur, ces moyens de distribution comportant des moyens de coupure et d'isolement de branches de raccordement des charges d'utilisateur notamment en cas de court-circuit de celles-ci, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens de surveillance de l'évolution du courant de sortie des moyens de 20 stockage d'énergie électrique pour détecter l'apparition d'un court-circuit dans le réseau, - des moyens de déconnexion des moyens de stockage d'énergie électrique du reste du réseau en cas d'une telle détection, - des moyens de raccordement au réseau, de moyens de génération d'un courant de court-circuit maitrisé, pour déclencher le fonctionnement des moyens de coupure et 25 d'isolement associés à la branche en court-circuit, afin d'isoler celle-ci du reste du réseau, - des moyens de déconnexion du générateur de courant de court-circuit du réseau, et - des moyens de reconnexion des moyens de stockage d'énergie électrique au reste du réseau. 30 Suivant d'autres caractéristiques du système selon l'invention, prises seules ou en combinaison : - les moyens de surveillance de l'évolution du courant délivré par les moyens de stockage d'énergie électrique comportent des moyens d'analyse de la variation de ce courant dans le temps pour détecter l'apparition d'un court-circuit dès que cette variation 35 dépasse un seuil prédéterminé ; 3064124 4 - les moyens de stockage d'énergie électrique comportent plusieurs branches en parallèle dont chacune comportent des moyens de déconnexion ; - les moyens de déconnexion de la batterie comportent des organes commutateurs à semi-conducteur pilotés ; 5 - les organes commutateurs à semi-conducteur pilotés comprennent des transistors MOSFET ; - les moyens de coupure et d'isolement des branches de raccordement des charges d'utilisateur comprennent des disjoncteurs ; - les moyens de distribution comprennent au moins un tableau de batterie, au 10 moins un tableau principal et au moins un tableau secondaire de distribution d'énergie électrique, raccordés entre les moyens de stockage d'énergie et les charges d'utilisateur ; - il comporte en outre des moyens de mesure d'isolement du reste du réseau après déconnexion des moyens de stockage d'énergie, pour éviter de reconnecter ces moyens de stockage au réseau, en cas de détection d'un défaut d'isolement du réseau. 15 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente la structure générale d'une partie d'un système d'alimentation en énergie électrique notamment d'un réseau de bord d'un sous-marin, 20 - les figures 2 à 7 illustrent le fonctionnement d'un tel système selon un premier mode de réalisation, et - les figures 8 à 16 illustrent le fonctionnement d'un tel système selon un second mode de réalisation. On a en effet illustré sur la figure 1, un système d'alimentation en énergie 25 électrique notamment d'un réseau de bord d'un sous-marin. Celui-ci comporte des moyens de stockage d'énergie électrique à base de batteries au lithium, désignés par la référence générale 1. En fait ces moyens de stockage d'énergie comportent plusieurs branches de batteries en parallèle, désignées par les références générales 2, 3 et 4 par exemple sur 30 cette figure 1. Chacune de ces branches est raccordée à un tableau de batterie désigné par la référence générale 5, à travers des moyens de connexion/déconnexion, respectivement 6, 7 et 8. Comme cela sera décrit plus en détail par la suite, ces moyens de 35 connexion/déconnexion comportent par exemple des organes commutateurs à semi- 3064124 5 conducteur pilotés, tels que par exemple des transistors MOSFET, insérés dans les branches. Bien entendu, d'autres organes commutateurs à semi-conducteur peuvent être envisagés. 5 Le tableau de batterie 5 comporte également un disjoncteur désigné par la référence générale 9. Ce tableau de batterie 5 est relié à au moins un tableau principal de distribution d'énergie électrique, dont l'un est désigné par exemple par la référence générale 10 sur cette figure 1. 10 Ce tableau principal de distribution d'énergie électrique 10 comporte également par exemple plusieurs branches d'alimentation, dont chacune comporte également un disjoncteur. Ainsi une branche est illustrée sur cette figure et elle comporte un disjoncteur désigné par la référence générale 11 sur cette figure. 15 Cette branche d'alimentation permet de raccorder ce tableau principal 10 de distribution d'énergie électrique, à au moins un tableau secondaire de distribution d'énergie électrique, dont l'un est désigné par exemple par la référence générale 12 sur cette figure. Ce tableau secondaire de distribution d'énergie électrique 12 alimente des 20 branches de raccordement de charges d'utilisateur, comme par exemple la branche désignée par la référence générale 13 sur cette figure, à travers des moyens de coupure et d'isolement de branche, comprenant également par exemple un disjoncteur, désigné par la référence générale 14. Un générateur de court-circuit, désigné par la référence générale 15, est raccordé 25 au tableau de batterie 5, à travers des moyens de raccordement en forme de commutateur, désignés par la référence générale 16 sur cette figure, pilotables à la fermeture et à l'ouverture pour connecter ou déconnecter ce générateur 15 du tableau de batterie 5. Une telle structure d'alimentation est alors relativement classique dans la mesure 30 où les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent des branches de batteries au lithium, raccordées à un tableau de batterie, lui-même raccordé à travers une cascade de tableaux principal et secondaire de distribution, à des branches de raccordement de charges d'utilisateur. Chacun de ces tableaux comporte des moyens de coupure et d'isolement par 35 exemple à base de disjoncteurs, qui sont alors calibrés selon leur emplacement dans la 3064124 6 cascade d'alimentation, pour couper la branche correspondante et l'isoler du reste du réseau. Contrairement aux systèmes de l'état de la technique, qui proposaient de limiter la valeur du courant de court-circuit en sortie du système de batteries, dans le système 5 selon l'invention, on propose de déconnecter la batterie avant qu'elle n'ait atteint sa valeur maximale de courant de court-circuit. On utilise alors à cet effet des moyens de coupure comprenant des organes à semi-conducteur. Pour illustrer le problème évoqué précédemment concernant la valeur du courant 10 de court-circuit des batteries au lithium, on peut prendre comme exemple le cas d'une mise en parallèle de plusieurs packs de batteries pour des applications de plusieurs centaines de kilowatts/heure. Le courant de court-circuit du système peut atteindre des valeurs extrêmement importantes. 15 Par exemple si on considère cinquante packs de batteries en parallèle dont chacun peut fournir 4 kA, ceci se traduit par un courant de court-circuit du système de l'ordre de 20 kA. De façon classique, un fusible en courant continu selon les technologies actuelles n'a un pouvoir de coupure que de 100 kA maximum et doit être changé après fusion, ce 20 qui, dans les applications mentionnées, n'est pas envisageable ou du moins n'est pas acceptable, pour des raisons d'accessibilité et de disponibilité rapide de l'énergie après un défaut. De même, un disjoncteur à courant continu, qui lui peut être réarmé, n'a également un pouvoir de coupure que de l'ordre de 100 kA maximum selon les 25 technologies actuelles. Ainsi ces systèmes ne sont pas conçus pour pouvoir couper des valeurs de court-circuit au-delà de cette valeur. C'est la raison pour laquelle l'invention propose d'agir avant que le courant de court-circuit n'ait atteint sa valeur maximale. 30 Ceci permet de limiter le courant de court-circuit en deçà des valeurs acceptables par le ou les disjoncteurs ou le ou les fusibles tels que décrits, pour garantir l'ouverture du circuit tout en restant dans la zone dans laquelle l'appareillage de protection est apte à interrompre de courant. Un autre aspect à prendre en compte lors du dimensionnement de la protection 35 d'un tel circuit, et en particulier du calibrage des disjoncteurs, est la sélectivité des 3064124 7 différents éléments de l'ensemble de la chaîne ou de la cascade de disjoncteurs ou de fusibles de la distribution électrique du système. Pour cela, le courant de court-circuit doit être maitrisé. En particulier, il ne doit pas être limité trop bas sous peine de voir certains 5 disjoncteurs ouvrir trop lentement, voire même de ne pas ouvrir du tout, ce qui serait dangereux pour la protection du réseau de façon générale et des différents composants de celui-ci en particulier. Il ne faut pas non plus que le pack de batteries limite le courant de court-circuit à un niveau tel qu'il ne fasse pas disjoncter les protections aval de la distribution électrique 10 dans le réseau, sinon l'ensemble de l'installation sera totalement en défaut pour le moindre défaut local. A cet effet, dans le système d'alimentation selon l'invention, on utilise des moyens de surveillance de l'évolution du courant de sortie des moyens de stockage d'énergie électrique pour détecter l'apparition d'un court-circuit dans le réseau. 15 En particulier, ces moyens de surveillance analysent la variation de ce courant dans le temps pour détecter un franchissement d'un seuil limite de déclenchement caractéristique d'un défaut de court-circuit par exemple. Ces moyens de surveillance sont désignés par la référence générale 17 sur la figure 1. 20 Ces moyens de surveillance du courant sont alors utilisés pour déclencher le fonctionnement des différents moyens et organes de protection du système et du réseau, afin d'assurer la protection globale du réseau, la sélectivité du déclenchement et la remise à disposition d'énergie électrique de façon optimale ce qui est important pour ce type d'applications. 25 On a illustré sur les figures 2 à 7, un premier exemple de réalisation d'un tel système. On reconnaît sur ces figures 2 à 7, les différents éléments qui ont déjà été décrits en regard de la figure 1. Lors de l'apparition d'un défaut sur l'une des branches de charge d'utilisateur telle 30 que par exemple la branche 13, comme illustré sur la figure 2, les moyens 17 de surveillance de l'évolution du courant de sortie des moyens de stockage d'énergie électrique, détectent l'apparition de ce défaut et en particulier d'un court-circuit dans le réseau. Cette surveillance est une fait par exemple une analyse de la variation du courant 35 dans le temps de façon classique. 3064124 8 En réponse à cette détection de ce court-circuit, le système déclenche la déconnexion des moyens de stockage d'énergie électrique du reste du réseau, en ouvrant les organes commutateurs à semi-conducteur 6, 7 et 8, comme cela est illustré sur la figure 3. 5 Une fois ces organes commutateurs à semi-conducteur ouverts, le système raccorde au réseau et plus particulièrement au tableau 5, les moyens de génération de court-circuit 15, comme cela est illustré sur la figure 4, en fermant les moyens de raccordement 16. Comme cela a été indiqué précédemment, ces moyens de génération sont 10 adaptés pour provoquer un courant de court-circuit maîtrisé, permettant de déclencher le fonctionnement des moyens de coupure et d'isolement associés à la branche en défaut de court-circuit, afin d'isoler celle-ci du reste du réseau, comme cela est illustré sur la figure 5. En effet, la chaîne ou la cascade de disjoncteurs de protection du réseau, 15 implantés aux différents niveaux de celui-ci, est conçue et calibrée pour permettre d'obtenir la sélectivité évoquée précédemment, d'ouverture des branches en défaut comme la branche 13. Ceci permet alors d'isoler la branche et le défaut par rapport au reste du circuit d'alimentation. 20 Une fois ce défaut isolé, le système ouvre les moyens 16 de raccordement du générateur de court-circuit pour le déconnecter du réseau. Le disjoncteur 14 de la branche de charge d'utilisateur en défaut par exemple 13 étant ouvert, il est alors possible de reconnecter la batterie au réseau pour rendre à nouveau disponible l'énergie électrique, en refermant les organes commutateurs à semi- 25 conducteur 6, 7 et 8, comme illustré sur la figure 7. Ceci permet de rétablir l'alimentation du réseau à l'exception de la branche 13 en défaut. On conçoit qu'une telle structure présente un certain nombre d'avantages. En effet, en surveillant l'évolution du courant de sortie des moyens de stockage 30 d'énergie électrique, et en particulier, en analysant la variation de ce courant dans le temps pour détecter l'apparition d'un court-circuit, dès que cette variation dépasse un seuil prédéterminé, il est possible d'anticiper le fonctionnement des moyens de sécurité et de protection du réseau. En réponse le système provoque dans un premier temps la déconnexion de la 35 batterie. 3064124 9 Puis les moyens de génération de court-circuit sont raccordés au réseau pour provoquer le déclenchement du disjoncteur de protection de la branche de charge d'utilisateur en défaut. Ceci permet d'isoler ce défaut du reste du réseau. 5 Le générateur de court-circuit est ensuite déconnecté du réseau et il est possible de reconnecter la batterie à ce réseau pour rendre l'énergie électrique disponible. Sur les figures 8 à 16, on a illustré une variante de réalisation de ce système, qui incorpore en outre des moyens 20 de mesure d'isolement du reste du réseau après déconnexion des moyens de stockage d'énergie électrique, pour éviter de dimensionner 10 les moyens 16 afin qu'ils puissent supporter le courant de court-circuit des moyens de génération 15, à la fermeture. Le fonctionnement général de ce mode de réalisation du système selon l'invention est très proche de celui qui a été décrit précédemment. En effet lors de la détection de l'apparition d'un défaut, figure 8, le système 15 déconnecte la batterie du réseau, figure 9. Puis, comme cela est illustré sur la figure 10, le système ouvre le disjoncteur 9 du tableau de batterie 5, pour permettre, figure 11, aux moyens 20 de mesurer l'isolement du reste du réseau et déterminer si il est possible ou non de poursuivre le déroulement du processus d'isolement du défaut tel que décrit. 20 Si c'est le cas, sur la figure 12, le générateur de court-circuit 15 est raccordé au réseau par les moyens 16 et le disjoncteur 9 du tableau de batterie 5 est refermé, figure 13. Ceci permet alors de provoquer l'ouverture du disjoncteur associé à la branche en défaut comme cela est illustré sur la figure 14, pour isoler celui-ci du reste du réseau. 25 La déconnexion du générateur de courant de court-circuit est illustrée sur la figure 15 et la reconnexion de la batterie sur la figure 16. On conçoit donc que dans le système selon l'invention, on utilise des moyens à semi-conducteur à base de transistors MOSFET par exemple, en sortie de chaque branche de la batterie, dont la fonctionnalité est de s'ouvrir rapidement par exemple dans 30 un temps inférieur à 100 microsecondes, en cas de détection d'une montée trop importante du courant. Ceci permet alors de déconnecter la batterie avant que cette dernière n'ait établi sa valeur nominale de courant de court-circuit. Un générateur de courant de court-circuit est alors connecté au réseau. 35 Sa fonction est de fournir le courant de court-circuit suffisant pour éliminer le court- circuit par ouverture de l'appareillage de protection de la branche en défaut. 3064124 10 Une fois le défaut éliminé, le générateur de courant de court-circuit est isolé de ce réseau et la batterie est reconnectée au réseau. Différentes technologies de générateurs de courant de court-circuit peuvent être envisagées comme par exemple une technologie électromécanique. 5 Les moyens de raccordement du générateur de courant de court-circuit peuvent également être à base de technologie de commutateurs à semi-conducteur pilotés. Bien entendu d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. 10 REVENDICATIONS1.- Système d'alimentation en énergie électrique notamment d'un réseau de bord d'un sous-marin, du type comportant des moyens (1) de stockage d'énergie électrique à base de batteries au lithium et des moyens (5, 10, 12) de distribution de cette énergie électrique à destination de charges d'utilisateur, ces moyens de distribution comportant des moyens (9, 11, 14) de coupure et d'isolement de branches (13) de raccordement des charges d'utilisateur notamment en cas de court-circuit de celles-ci, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens (17) de surveillance de l'évolution du courant de sortie des moyens de stockage d'énergie électrique pour détecter l'apparition d'un court-circuit dans le réseau, - des moyens (6, 7, 8) de déconnexion des moyens de stockage d'énergie électrique du reste du réseau en cas d'une telle détection, - des moyens (16) de raccordement au réseau, de moyens (15) de génération d'un courant de court-circuit maitrisé, pour déclencher le fonctionnement des moyens (14) de coupure et d'isolement associés à la branche en court-circuit (13), afin d'isoler celle-ci du reste du réseau, - des moyens (16) de déconnexion du générateur de courant de court-circuit (15) du réseau, et - des moyens (6, 7, 8) de reconnexion des moyens de stockage d'énergie électrique au reste du réseau. 2.- Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (17) de surveillance de l'évolution du courant délivré par les moyens de stockage d'énergie électrique comportent des moyens d'analyse de la variation de ce courant dans le temps pour détecter l'apparition d'un court-circuit dès que cette variation dépasse un seuil prédéterminé. 3.- Système d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (1) de stockage d'énergie électrique comportent plusieurs branches en parallèle (2, 3, 4) dont chacune comportent des moyens de déconnexion (6, 7, 8). 4.- Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de déconnexion (6, 7, 8) de la batterie comportent des organes commutateurs à semi-conducteur pilotés. 3064124 12 5.- Système d'alimentation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les organes commutateurs à semi-conducteur pilotés comprennent des transistors MOSFET. 5 6.- Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de coupure et d'isolement des branches de raccordement des charges d'utilisateur comprennent des disjoncteurs (14). 7.- Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que les moyens de distribution comprennent au moins un tableau de batterie (5) , au moins un tableau principal (10) et au moins un tableau secondaire (12) de distribution d'énergie électrique, raccordés entre les moyens de stockage d'énergie et les charges d'utilisateur. 15 8.- Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (20) de mesure d'isolement du reste du réseau après déconnexion des moyens de stockage d'énergie, pour éviter de reconnecter ces moyens de stockage au réseau, en cas de détection d'un défaut d'isolement du réseau. 20