Brevet FR3132600A1 — publié le 20230811

Unité de commande de la puissance d’une batterie (1) comprenant au moins deux connexions entrantes (2,4) portant une tension continue et deux connexions (5a,5b) sortantes délivrant une tension continue, une première connexion (2) entrante étant connectée à un premier capteur de courant (2a) et à une barre de puissance haute tension (8) par l’intermédiaire d’un organe de protection (2c), la barre de puissance à haute tension étant connectée à une première connexion sortante (5a) par l’intermédiaire d’un premier fusible commandé (2b) et d’un deuxième capteur de courant (2d), et à une deuxième connexion sortante (5b) par l’intermédiaire d’un deuxième fusible commandé (3b) et d’un troisième capteur de courant (3d), un moyen de commande (9) est par ailleurs configuré pour commuter l’organe de protection (2c), le premier fusible commandé (2b) ou le deuxième fusible commandé (3b) en fonction des mesures reçues de sorte à isoler un défaut électrique. Figure pour l’abrégé : Fig 1 Unité de commande de la puissance d’une batterie, aéronef comprenant ladite unité de commande et procédé de commande correspondant. L’invention a pour domaine technique la protection électrique des réseaux d’alimentation d’aéronef, et plus particulièrement, la protection de réseaux d’alimentation en haute tension continue. Techniques antérieures Les réseaux électriques à bord d’un aéronef comprennent généralement soit la combinaison d’un réseau de tension alternative (115Vac ou 230Vac) et d’un réseau basse tension continu (28Vdc), soit un unique réseau de tension continue (28Vdc). Les aéronefs opérant via un réseau alternatif ont une puissance électrique embarquée totale comprise entre 50 à 500 kW (voire 1MW) tandis que les réseaux purement continus basse tension (acronyme BT) présentent des puissances embarquées plus limitées et inférieures à 100kW. A ce jour il n’existe pas de réseau pour aéronef en haute tension continue. De ce fait, il n’existe pas de composants permettant d’opérer à une tension de 800 VDC, et à des puissances de l’ordre de 100 à 250 kW. De tels réseaux seraient avantageux pour des aéronefs à propulsion électrique. L’évolution vers un réseau d’alimentation à haute tension continue d’une part et vers des sources d’énergie électrique constituées de batteries d’autre part, rend les solutions traditionnelles de protection (principalement de type I²t ) inutilisables. En effet, les profils de courants transitoires sont différents en haute tension continue de ceux rencontrés en haute tension alternative. Les niveaux d’énergie et les dynamiques associées sont totalement différents de ceux rencontrés dans des réseaux à haute tension alternative. La stratégie d’action de protection et de sélectivité de type I²t bien adaptée à une machine tournante n’est alors plus pertinente. De plus, le dimensionnement de cette protection pour des réseaux alternatifs est réalisé en fonction des conducteurs du réseau d’alimentation et du bobinage de la machine tournante. Les sources de nature capacitive rendent inadapté un tel dimensionnement de la protection de type I²t. Les sources capacitives, telles que des batteries de forte puissance, peuvent être soumises à des incidents inconnus des machines tournantes, entrainant un emballement thermique ou des courants de court-circuit de très forte puissance. Lors d’un échauffement excessif de la batterie au-delà d’une certaine température, la batterie est soumise à un phénomène d’emballement thermique, pouvant provoquer à terme une surpression et un dégagement gazeux. Cet échauffement peut être causé par un courant excessif, lorsque la batterie est en surcharge ou qu’elle subit un court-circuit. Les courants de court-circuit développés par de telles batteries (notamment de technologie Li-Ion) peuvent atteindre des valeurs de plusieurs milliers d’ampères à l’issue d’une montée très rapide peu de temps après l’établissement du court-circuit. Il est alors difficile d’interrompre des courants aussi élevés présentant un temps de montée très court, dans un encombrement et une masse raisonnable et compatible avec un aéronef. L’invention a ainsi pour but de répondre aux déficiences de l’état de l’art et en particulier aux limitations identifiées ci-dessus, concernant la protection de réseaux électriques à haute tension continue pour aéronef. De l’état de la technique antérieure, on connait les documents suivants. Le document EP 3 703 220 A1 décrit la régulation de la tension délivrée par un redresseur actif afin de pouvoir le connecter à une batterie. Le document EP 3 588 729 B1, le document EP 2 980 946 B1 et le document FR 3 050 882 décrivent des réseaux électriques classiques, qui visent à alimenter le réseau de bord d’un aéronef. Le document WO 2020/174165 A1 et le document FR 3 098 663 décrivent l’architecture d’un système de propulsion électrique, mais reste silencieux sur les boitiers de protection et distribution. Le document EP 3 683 911 A1 décrit une méthode de protection contre les défauts appliqué aux réseaux haute tension continue HVDC interconnectés. Aucun de ces documents ne résout le problème technique identifié plus haut. L’invention a pour objet une unité de commande de la puissance d’une batterie comprenant au moins deux connexions entrantes portant une tension continue et deux connexions sortantes délivrant une tension continue, une première connexion entrante étant connectée à un premier capteur de courant et à une barre de puissance haute tension par l’intermédiaire d’un organe de protection, la barre de puissance à haute tension étant connectée à une première connexion sortante par l’intermédiaire d’un premier fusible commandé et d’un deuxième capteur de courant et à une deuxième connexion sortante par l’intermédiaire d’un deuxième fusible commandé et d’un troisième capteur de courant, l’unité de commande comprenant par ailleurs un moyen de commande configuré pour commuter au moins l’un parmi l’organe de protection, le premier fusible commandé et le deuxième fusible commandé en fonction des mesures reçues du premier capteur de courant, du deuxième capteur de courant ou du troisième capteur de courant de sorte à isoler un défaut électrique dans l’unité de commande, l’une au moins des connexions entrantes ou l’une au moins des connexions sortantes. L’unité de commande peut comprendre un premier contacteur et une deuxième connexion entrante, le premier contacteur étant connecté d’une part au premier capteur de courant et d’autre part à l’organe de protection, la deuxième connexion entrante étant connectée au premier contacteur par l’intermédiaire d’un deuxième contacteur connecté au moyen de commande. L’unité de commande peut comprendre une troisième connexion entrante connectée à un troisième contacteur par l’intermédiaire d’un quatrième capteur de courant, le troisième contacteur étant connecté à la barre de puissance à haute tension, le troisième contacteur et le quatrième capteur de courant étant connectés au moyen de commande. Une barre de puissance secondaire peut être disposée entre un capteur de courant et le contacteur correspondant ou le fusible commandé correspondant. L’invention a également pour objet un aéronef muni d’une batterie et de deux moteurs électriques, comprenant une unité de commande de la puissance d’une batterie tel que décrit ci-dessus, dans lequel la première connexion entrante est connectée à la batterie, la première connexion sortante étant connectée au premier moteur électrique, la deuxième connexion sortante étant connectée au deuxième moteur électrique. L’aéronef peut comprendre une alimentation de secours et/ou étant connecté à un moyen de recharge stationnaire, dans lequel la deuxième connexion entrante est connectée au moyen de recharge stationnaire et la troisième connexion entrante est connectée à l’alimentation de secours. L’aéronef peut comprendre deux unités de commande de puissance d’une batterie connectées en parallèle par l’intermédiaire de leurs troisièmes connexions entrantes. L’aéronef peut comprendre deux unités de commande de puissance d’une batterie connectées en parallèle par leur deuxième connexion entrante, chaque unité de commande de puissance d’une batterie comprenant une liaison entre leur barre de puissance à haute tension et la première connexion sortante et la deuxième connexion sortante de l’autre unité de commande de puissance d’une batterie, chaque liaison étant munie d’un deuxième organe de protection commandé par le moyen de commande. L’invention a enfin pour objet un procédé de commande d’une unité de commande de la puissance électrique disposée dans un aéronef tel que décrit ci-dessus, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : • pour alimenter le moteur électrique par l’intermédiaire de la batterie, on commande le premier contacteur de sorte qu’il soit rendu passant tandis que l’on commande le deuxième contacteur et le troisième contacteur de sorte qu’ils soient rendus non passants, • pour alimenter le moteur électrique par l’intermédiaire de l’alimentation de secours, on commande le troisième contacteur de sorte qu’il soit rendu passant tandis que l’on commande le premier contacteur et le deuxième contacteur de sorte qu’ils soient rendus non passants, et • pour charger la batterie par le groupe de puissance auxiliaire, on commande le deuxième contacteur de sorte qu’il soit rendu passant tandis que l’on commande le premier contacteur et le troisième contacteur de sorte qu’ils soient rendus non passants. Lorsque l’on détecte un défaut sur l’alimentation d’un moteur électrique ou groupe de moteur électrique alimentés par l’une des connexions sortantes par l’intermédiaire de l’organe de protection, on peut réaliser les étapes suivantes : • on commande l’ouverture de l’organe de protection afin d’interrompre le courant circulant depuis la batterie, empêcher l’établissement d’un courant de court-circuit et éviter l’emballement thermique de la batterie, • on émet un message de défaut depuis l’organe de protection à destination du moyen de commande, • on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande vers le premier contacteur afin d’isoler physiquement la batterie, • on détermine la localisation du défaut en fonction des mesures du premier capteur de courant, du deuxième capteur de courant, du troisième capteur de courant et du quatrième capteur de courant par l’intermédiaire du moyen de commande, • on émet une commande d’activation depuis le moyen de commande vers le premier fusible commandé, • après le déclenchement du premier fusible commandé, on émet une commande de fermeture depuis le moyen de commande vers le premier contacteur et vers l’organe de protection afin de rétablir l’alimentation de l’autre moteur électrique. Lorsque l’on détecte un défaut sur la barre de puissance à haute tension, on peut réaliser les étapes suivantes : • on commande l’ouverture de l’organe de protection afin d’interrompre le courant circulant depuis la batterie, empêcher l’établissement d’un courant de court-circuit et éviter l’emballement thermique de la batterie, • on émet un message de défaut depuis l’organe de protection à destination du moyen de commande, • on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande vers le premier contacteur afin d’isoler physiquement la batterie, • on compare les mesures du premier capteur de courant, du deuxième capteur de courant, du troisième capteur de courant et du quatrième capteur de courant par l’intermédiaire du moyen de commande, et • on émet un message d’information de défaut d’alimentation en fonction du résultat de la comparaison. Lorsque l’on détecte un défaut sur la batterie par l’intermédiaire du moyen de commande en fonction des mesures du premier capteur de courant et/ou de l’organe de protection, on peut réaliser les étapes suivantes : • on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande vers le premier contacteur afin d’isoler physiquement la batterie, • on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande vers l’organe de protection, • on émet une commande de fermeture depuis le moyen de commande vers le troisième contacteur afin de rétablir l’alimentation des moteurs électriques, • on initie une séquence de pré-charge sur l’alimentation de secours afin de charger les capacités des moteurs électriques, et • une fois les capacités chargées, on active la ligne principale. Lorsque l’on détecte un défaut sur l’alimentation de secours par l’intermédiaire du moyen de commande en fonction des mesures du quatrième capteur de courant, on peut réaliser les étapes suivantes : • on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande vers le troisième contacteur afin d’isoler physiquement l’alimentation de secours, et • on émet une information de défaut de redondance de l’alimentation depuis le moyen de commande. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la illustre les principaux éléments d’une unité de commande de la puissance d’une batterie selon l’invention, - la illustre les principales étapes d’un procédé de commande d’une telle unité de commande, et - la illustre les principaux éléments d’un mode de réalisation alternatif d’une unité de commande de la puissance d’une batterie selon l’invention. Unité de commande de la puissance d’une batterie (1) comprenant au moins deux connexions entrantes (2,3) portant une tension continue et deux connexions (5a,5b) sortantes délivrant une tension continue, une première connexion (2) entrante étant connectée à un premier capteur de courant (2a) et à une barre de puissance haute tension (8) par l’intermédiaire d’un organe de protection (2c), la barre de puissance à haute tension étant connectée à une première connexion sortante (5a) par l’intermédiaire d’un premier fusible commandé (2b) et d’un deuxième capteur de courant (2d), et à une deuxième connexion sortante (5b) par l’intermédiaire d’un deuxième fusible commandé (3b) et d’un troisième capteur de courant (3d), l’unité de commande comprenant par ailleurs un moyen de commande (9) configuré pour commuter au moins l’un parmi l’organe de protection (2c), le premier fusible commandé (2b) et le deuxième fusible commandé (3b) en fonction des mesures reçues du premier capteur de courant (2a), du deuxième capteur de courant (2d) ou du troisième capteur de courant (3d) de sorte à isoler un défaut électrique dans l’unité de commande, l’une au moins des connexions entrantes ou l’une au moins des connexions sortantes. Unité de commande selon la revendication 1, comprenant un premier contacteur (5) et une deuxième connexion (3) entrante, le premier contacteur (5) étant connecté d’une part au premier capteur de courant (2a) et d’autre part à l’organe de protection (2c), la deuxième connexion (3) entrante étant connectée au premier contacteur (5) par l’intermédiaire d’un deuxième contacteur (6) connecté au moyen de commande (9). Unité de commande selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant une troisième connexion (4) entrante connectée à un troisième contacteur (7) par l’intermédiaire d’un quatrième capteur de courant (4a), le troisième contacteur (7) étant connecté à la barre de puissance à haute tension (8), le troisième contacteur (7) et le quatrième capteur de courant (4a) étant connectés au moyen de commande (9). Unité de commande selon la revendication 3, dans lequel une barre de puissance secondaire (2e,2f,2g,2h) est disposée entre un capteur de courant (2a,4a,2d,3d) et le contacteur correspondant (5,6) ou le fusible commandé (2b,3b) correspondant. Aéronef muni d’une batterie et de deux moteurs électriques, comprenant une unité de commande de la puissance d’une batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première connexion entrante (2) est connectée à la batterie, la première connexion sortante (5a) étant connectée au premier moteur électrique, la deuxième connexion sortante (5b) étant connectée au deuxième moteur électrique. Aéronef selon la revendication 5, comprenant une alimentation de secours et/ou étant connecté à un moyen de recharge stationnaire, dans lequel la deuxième connexion entrante (3) est connectée au moyen de recharge stationnaire et la troisième connexion entrante (4) est connectée à l’alimentation de secours. Aéronef selon la revendication 6, comprenant deux unités de commande de puissance d’une batterie (1a,1b) connectées en parallèle par l’intermédiaire de leurs troisièmes connexions entrantes (4). Aéronef selon la revendication 6, comprenant deux unités de commande de puissance d’une batterie (1a,1b) connectées en parallèle par leur deuxième connexion entrante (3), chaque unité de commande de puissance d’une batterie (1a,1b) comprenant une liaison entre leur barre de puissance à haute tension (8) et la première connexion sortante et la deuxième connexion sortante de l’autre unité de commande de puissance d’une batterie (1b,1a), chaque liaison étant munie d’un deuxième organe de protection (4c,5c) commandé par le moyen de commande (9). Procédé de commande d’une unité de commande de la puissance électrique (1) disposée dans un aéronef selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : pour alimenter le moteur électrique par l’intermédiaire de la batterie, on commande le premier contacteur (5) de sorte qu’il soit rendu passant tandis que l’on commande le deuxième contacteur (6) et le troisième contacteur (7) de sorte qu’ils soient rendus non passants, pour alimenter le moteur électrique par l’intermédiaire de l’alimentation de secours, on commande le troisième contacteur (7) de sorte qu’il soit rendu passant tandis que l’on commande le premier contacteur (5) et le deuxième contacteur (6) de sorte qu’ils soient rendus non passants, et pour charger la batterie par le groupe de puissance auxiliaire, on commande le deuxième contacteur (6) de sorte qu’il soit rendu passant tandis que l’on commande le premier contacteur (5) et le troisième contacteur (7) de sorte qu’ils soient rendus non passants. Procédé de commande selon la revendication 9, dans lequel, lorsque l’on détecte un défaut sur l’alimentation d’un moteur électrique ou groupe de moteur électrique alimentés par l’une des connexions sortantes (5a,5b) par l’intermédiaire de l’organe de protection (2c), on réalise les étapes suivantes : on commande l’ouverture de l’organe de protection (2c) afin d’interrompre le courant circulant depuis la batterie, empêcher l’établissement d’un courant de court-circuit et éviter l’emballement thermique de la batterie, on émet un message de défaut depuis l’organe de protection (2c) à destination du moyen de commande (9), on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande (9) vers le premier contacteur (5) afin d’isoler physiquement la batterie, on détermine la localisation du défaut en fonction des mesures du premier capteur de courant (2a), du deuxième capteur de courant (2d), du troisième capteur de courant (3d) et du quatrième capteur de courant (4a) par l’intermédiaire du moyen de commande (9), on émet une commande d’activation depuis le moyen de commande (9) vers le premier fusible commandé (2b), après le déclenchement du premier fusible commandé (2b), on émet une commande de fermeture depuis le moyen de commande (9) vers le premier contacteur (5) et vers l’organe de protection (2c) afin de rétablir l’alimentation de l’autre moteur électrique. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10, dans lequel, lorsque l’on on détecte un défaut sur la barre de puissance à haute tension (8), on réalise les étapes suivantes : on commande l’ouverture de l’organe de protection (2c) afin d’interrompre le courant circulant depuis la batterie, empêcher l’établissement d’un courant de court-circuit et éviter l’emballement thermique de la batterie, on émet un message de défaut depuis l’organe de protection (2c) à destination du moyen de commande (9), on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande (9) vers le premier contacteur (5) afin d’isoler physiquement la batterie, on compare les mesures du premier capteur de courant (2a), du deuxième capteur de courant (2d), du troisième capteur de courant (3d) et du quatrième capteur de courant (4a) par l’intermédiaire du moyen de commande (9), et on émet un message d’information de défaut d’alimentation en fonction du résultat de la comparaison. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel, lorsque l’on détecte un défaut sur la batterie par l’intermédiaire du moyen de commande (9) en fonction des mesures du premier capteur de courant (2a) et/ou de l’organe de protection (2c), on réalise les étapes suivantes : on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande (9) vers le premier contacteur (5) afin d’isoler physiquement la batterie, on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande (9) vers l’organe de protection (2c), on émet une commande de fermeture depuis le moyen de commande (9) vers le troisième contacteur (7) afin de rétablir l’alimentation des moteurs électriques, on initie une séquence de pré-charge sur l’alimentation de secours afin de charger les capacités des moteurs électriques, et une fois les capacités chargées, on active la ligne principale. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel, lorsque l’on détecte un défaut sur l’alimentation de secours par l’intermédiaire du moyen de commande (9) en fonction des mesures du quatrième capteur de courant (4a), on réalise les étapes suivantes : on émet une commande d’ouverture depuis le moyen de commande (9) vers le troisième contacteur (7) afin d’isoler physiquement l’alimentation de secours, et on émet une information de défaut de redondance de l’alimentation depuis le moyen de commande (9).