Titre de l'invention : PLATINE GENERIQUE DE DISTRIBUTION DE PUISSANCE ELECTRIQUE HAUTE TENSION EN CONTINU

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine de la distribution électrique de puissance notamment dans un aéronef, et plus particulièrement à une platine générique de distribution de puissance électrique haute tension continue.

Technique antérieure

Pour distribuer la puissance dans un réseau, d’un aéronef, de distribution électrique de puissance, on utilise généralement des unités de distribution électriques dotées de contacteurs électromécaniques de puissance, Kn et Kp, destinés à commuter les lignes de puissances HV+ et HV entre une source et une charge. Les contacteurs de puissance, Kn et Kp, servent pour commuter la puissance d’une part et pour isoler la ligne d’autre part.

En générale, dans la distribution de puissance, les contacteurs Kn et Kp sont associés à d’autres composants tels qu’un circuit de précharge. Le circuit de précharge est inclus sur la ligne de puissance HV+ avec un contacteur K1 et une résistance de puissance R1 . Un capteur de courant permet en outre de mesurer le courant dans les lignes HV+ et HV- afin de contrôler des contacteurs Kp, Kn et K1 et d’assurer la protection en courant de la ligne de distribution. Une électronique de commande active des moteurs servant à piloter les contacteurs. L’ensemble constitue un BPMU (Bus Power Management Unit) qui peut par exemple être utilisé entre une batterie haute tension et un moteur électrique dans le cas d’une propulsion tout électrique d’un petit aéronef. Ce BPMU est un exemple d’un dispositif de coupure haute tension à résistance de précharge.

La figure 1 représente la synoptique générale d’un exemple 10 d’un tel BPMU selon l’art antérieur.

Comme on peut le voir sur la figure 1 , le BPMU 10 destiné à être contenu dans l’unité de distribution de puissance comporte une branche parallèle (branche de précharge 12) à l’élément 14 de commutation principal Kp / Kn disposé entre la source de puissance électrique et les lignes haute et basse tensions HV+ et HV- alimentant la charge. Ce couple Kp ! Kn de contacteurs électromécaniques assure une isolation galvanique à l’état ouvert et une impédance très faible (une centaine de mV sous courant nominal) à l’état fermé. Ces contacteurs électromécaniques sont classiquement commandés depuis un module de commande 16 selon des informations de tension et/ou courant relevés en amont et en aval de ces contacteurs.

Les éléments de la branche parallèle 12 de précharge, un contacteur K1 et une résistance de limitation R1 , présentent une impédance définie pour avoir un courant I2 déterminé par la tension de source / R1 correspondant au courant de précharge de la charge (typiquement de quelques dizaines d’Ampères). Le contacteur K1 est aussi de type électromécanique pour assurer une isolation galvanique à l’état ouvert et commandé également par le module de commande 16.

La réalisation physique des unités de distribution électrique de puissance se base sur un boîtier et/ou une platine. L’agencement spécifique des différents composants du BPMU dépend de l’application et, donc, l’unité de distribution de puissance doit être réalisée « sur mesure » à chaque fois, en fonction de l’application. Seuls les composants de base (commutateurs, moteurs, résistances, et autres) sont des produits génériques et constituent les briques réutilisées pour les applications. Pour résumer, des unités de distribution sont conçues pour s’adapter au besoin à partir d’éléments discrets intégrés mécaniquement.

L’art antérieur propose différentes tentatives de promouvoir une approche modulaire basée sur l’utilisation de briques standardisées comportant des sous-ensembles réutilisables.

La figure 2 montre une photographie d’un exemple d’un module générique 20 avec motif de contacteurs pour une matrice de distribution de puissance selon une première approche. Ce module générique 20, défini à priori, permet de réaliser les interconnexions de puissance nécessaires selon le cas d’application.

Le module 20 représenté sur la figure 2 est un boîtier de distribution de puissance intégrant des commutateurs 22 agencés en matrice, et des éléments de mesure (non visibles sur la photographie). Un nombre important de câbles 24 est nécessaire pour relier les éléments de commutation 22 et les éléments de mesure à deux borniers 26 28 qui sont également intégrés au boîtier. Etant donné qu’il faut prévoir des applications différentes, il y a des composants superflus et la masse et le volume du dispositif sont importants. La figure 3 montre une photographie d’un exemple d’un module générique 30 selon une deuxième approche, qui intègre dans une platine elle-même des éléments électromécaniques.

Le module 30 représenté sur la figure 3 est une platine destinée à l’emploi dans une unité de distribution de puissance et, selon l’exemple représenté, comporte deux contacteurs 32 intégrés mécaniquement à la platine pour en faire une partie intégrante. En d’autres termes, les contacteurs 32 ne sont pas démontables. Des emplacements 34 sont prévus sur la platine pour d’autres contacteurs mais, encore une fois, en position prédéfinie et fixe.

Les solutions modulaires ou d’intégration proposées jusqu’ici ont l’inconvénient de définir des configurations « a priori » pour lesquelles le cas d’utilisation doit s’adapter pour répondre au besoin spécifique de distribution de puissance. Ils ne sont, donc, génériques que dans une mesure limitée.

Exposé de l’invention

La présente invention a donc pour objectif principal de proposer une platine générique de distribution de puissance électrique, modulaire, avec des contacteurs intégrés sur la platine de puissance, configurée pour permettre une adaptation au besoin d’utilisation de distribution et de précharge dans un réseau haute tension continue.

Ces buts sont atteints par une platine de distribution électrique haute tension en continu, ayant deux surfaces majeures opposées, la platine intégrant deux contacteurs de puissance électromécaniques, caractérisée en ce que :

- sur une première des surfaces majeures de la platine sont disposées des chambres de bornes de contact fixe et mobile des deux contacteurs électromécaniques, tandis que sur la seconde surface majeure de la platine sont disposés des ensembles complémentaires des deux contacteurs, chaque ensemble complémentaire de contacteur comportant un moteur destiné à activer les bornes de contact du contacteur concerné,

- et en ce que d’autres composants disposés sur la seconde surface majeure de la platine sont agencés de manière à laisser un espace libre constituant une zone de fixation des ensembles complémentaires des deux contacteurs, la zone de fixation étant dimensionnée pour permettre l’agencement des ensembles complémentaires des contacteurs selon deux orientations orthogonales permettant aux moteurs d’activer des bornes de contact de différents sous-ensembles des chambres de contact et ainsi de réaliser des configurations en parallèle ou en série des contacteurs.

L’invention proposée prévoit une platine générique modulaire avec des contacteurs intégrés sur une platine de puissance qui permettent deux configurations d’agencement pour permettre une adaptation au besoin d’utilisation de distribution et de précharge dans un réseau haute tension continue. Le fort niveau d’intégration des composants sur la platine de puissance permet d’optimiser la masse et le volume de la fonction. La modularité de la solution permet également de répondre à différents besoins grâce aux configurations proposées qui permettent de la rendre générique.

Avantageusement, les entraxes des chambres des contacteurs et les entraxes des ensembles complémentaires des contacteurs sont dimensionnés pour aligner les contacts des deux contacteurs avec les moteurs correspondants des ensembles complémentaires des contacteurs selon la première et la deuxième orientation des ensembles complémentaires des contacteurs.

Dans un mode de réalisation préférentiel, sur la seconde surface majeure de la platine, des points de fixation sont prévus, points dont le nombre et les positions sont choisis pour assurer la fixation des ensembles complémentaires des contacteurs sur la platine, au moyen de la coopération entre ces points de fixation sur la platine et des éléments de fixation complémentaires prévus sur les ensembles complémentaires des contacteurs, que les ensembles complémentaires des contacteurs soient orientés selon la première configuration ou selon la deuxième configuration. Cet agencement des points de fixation assure l’intégration robuste des contacteurs à la platine tout en respectant la nature configurable de l’ensemble.

Dans un mode de réalisation préférentiel, la platine de distribution électrique haute tension précitée inclue une fonction de précharge. Cette configuration permet d’obtenir une forte réduction en termes de masse et volume par rapport aux dispositifs proposés précédemment qui comportent une fonction de précharge.

L’invention se rapporte aussi à une unité de distribution électrique haute tension en continu dotée de la platine de distribution haute tension précitée. Dans un mode de réalisation préférentiel, l’unité de distribution électrique haute tension précitée est montée entre une unité de stockage et un bus haute tension continue (HVDC) d’un aéronef. Avantageusement, l’unité de stockage peut être une batterie ou une supercapacité.

L’invention se rapporte aussi à un réseau de distribution électrique de puissance d’un aéronef comportant une unité de distribution de puissance électrique telle que précitée.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : [Fig. 1] la figure 1 montre la synoptique générale d’un exemple d’une unité de distribution électrique dotée de contacteurs électromécaniques de puissance selon l’art antérieur,

[Fig. 2] la figure 2 montre une photographie d’un module générique avec motif de contacteurs de l’art antérieur,

[Fig. 3] la figure 3 montre une photographie d’une platine de l’art antérieur intégrant des contacteurs non démontables,

[Fig. 4] la figure 4 montre une platine de distribution haute tension en continu selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, avec des ensembles complémentaires de contacteur de puissance agencés selon une première orientation,

[Fig. 5] la figure 5 est un schéma représentant l’activation des bornes de contact par les moteurs lorsque les ensembles complémentaires de contacteur sont agencés selon la première orientation,

[Fig. 6] la figure 6 montre la platine de distribution haute tension en continu de la figure 4 vue de la gauche,

[Fig. 7] la figure 7 montre la platine de distribution haute tension en continu de la figure 4 lorsque les ensembles complémentaires de contacteur sont agencés selon une deuxième orientation,

[Fig. 8] la figure 8 est un schéma représentant l’activation des bornes de contact par les moteurs lorsque les ensembles complémentaires de contacteur sont agencés selon la deuxième orientation,

[Fig. 9] la figure 9 est une vue de dessous de la platine selon la figure 4, et [Fig. 10] la figure 10 est une vue de dessous de la platine selon la figure 7. Description des modes de réalisation

L’invention repose sur la configuration d’une platine de distribution électrique haute tension de manière à y intégrer un nombre important de composants tout en permettant une adaptation au besoin d’utilisation de distribution et de précharge dans un réseau haute tension continue.

La platine peut servir, notamment, à la réalisation d’un BPMU light dont la synoptique générale correspond à celle représentée à la figure 1 . Un tel BPMU light peut, par exemple, être utilisé entre un moyen de stockage haute tension (par exemple, une batterie, une super-capacité) et un moteur électrique dans le cas d’une propulsion tout électrique d’un petit aéronef.

Selon un exemple, la platine héberge le contacteur Kp haute tension continue sur la ligne HV+ dans cette configuration, le contacteur Kn haute tension continue sur la ligne HV- dans cette configuration, le contacteur K1 haute tension continue pour ligne de précharge sur la ligne de puissance HV+, la résistance de puissance R1 pour limitation de courant dans la ligne de précharge sur la ligne HV+, un capteur de courant sur les lignes HV+ et HV-, et une électronique de contrôle pour les contacteurs Kp, Kn et K1 et pour la gestion des mesures de courant.

Selon les besoins de l’application visée, il peut y avoir intérêt à ce que les contacteurs Kp et Kn soient en parallèle pour gérer indépendamment les lignes de puissance HV+ et HV-. En revanche, dans d’autres cas d’application, il peut être nécessaire que les contacteurs Kp et Kn soient en série pour avoir une double isolation des lignes HV+ et HV-. La nature de la charge et la criticité de la fonction peut appeler l’une ou l’autre de ces configurations.

Selon l’invention, la platine est conçue de sorte que les contacteurs principaux Kp et Kn puissent être montés dans deux orientations sur la même platine grâce à une géométrie et des entraxes judicieusement choisis. Grâce à cette configuration de la platine, on peut mettre les contacteurs Kp et Kn soit en parallèle soit en série permettant une adaptation au besoin d’utilisation de distribution et de précharge dans un réseau haute tension continue.

La figure 4 montre un exemple de réalisation d’une platine générique de distribution électrique haute tension en continu selon un mode de réalisation préféré de l’invention. La figure 4 représente une configuration avec Kp et Kn en parallèle lorsqu’ils sont montés dans une des deux orientations prévues, cette orientation étant vue depuis la droite sur la figure 4 et depuis la gauche sur la figure 6. La figure 5 est un schéma montrant l’activation des bornes de contact des contacteurs Kn et Kp selon la configuration parallèle.

Comme illustré à la figure 4, les contacteurs Kp, Kn sont intégrés à la platine 40 qui sert de support mécanique à l’ensemble pour rendre compacte la solution et réduire au maximum les interfaces électriques et mécaniques. Les moteurs, contacts auxiliaires et poutre de la partie mobile sont d’un côté de la platine, tandis que les chambres de contacts (fixes et mobiles) sont de l’autre côté de la platine.

Plus particulièrement, la platine 40 a deux surfaces majeures opposées, 41 et 42. Sur la première surface 41 sont montées quatre chambres de contact 45a, 46a, 45b et 46b logeant les bornes de contact fixe et mobile des contacteurs Kp et Kn. Pour prévenir des arcs électriques ces chambres de contact 45a, 46a, 45b et 46b peuvent être, par exemple, des chambres à vide ou des chambres remplies d’huile.

Sur la deuxième surface 42 de la platine sont montées des ensembles complémentaires des contacteurs, 48a, 48b, et d’autres composants 52 à 58. Selon l’exemple représenté sur la figure 4, les autres composants 52 à 58 comportent : une sonde de courant 52, deux résistances 54, 55, un contacteur de précharge 56, et un fusible 58 (visible sur la figure 6).

Les ensembles complémentaires des contacteurs, 48a, 48b, comportent les moteurs, contacts auxiliaires et poutre de la partie mobile des contacteurs Kp et Kn. Les moteurs sont indiqués par 51a et 51 b sur les dessins. Le moteur 51 a active Kp.

Les composants disposés sur la seconde surface majeure de la platine sont agencés de manière à laisser un espace libre constituant une zone de fixation ZF (voir à la figure 6) des ensembles complémentaires 48a, 48b des deux contacteurs. La zone de fixation ZF est dimensionnée pour permettre l’agencement des ensembles complémentaires des contacteurs 48a, 48b selon deux orientations orthogonales. Une première orientation selon laquelle chacun des moteurs des ensembles complémentaire de contacteur active les bornes d’un premier sous- ensemble respectif des chambres de borne de contact 45a, 46a, 45b et 46b, et une deuxième orientation selon laquelle chacun des moteurs des ensembles complémentaire de contacteur active les bornes d’un deuxième sous-ensemble respectif des chambres de borne de contact 45a, 46a, 45b et 46b, les chambres de contact des premier et deuxième sous-ensembles étant alignés selon des directions respectives orthogonales. Les figures 4, 6 et 9 montrent la première orientation des ensembles complémentaire de contacteur 48a, 48b. Selon cette première orientation, le moteur 51 a peut ouvrir ou fermer les bornes de contact disposées dans les deux chambres de contact 45a et 46a qui sont disposées du même côté de la platine. Le sous- ensemble de chambres de contact concerné comporte deux chambres de contact 45a et 46a qui sont disposées le long d’une première ligne parallèle à la longueur de la platine.

De manière semblable, selon cette première orientation des ensembles complémentaire de contacteur 48a, 48b, le moteur 51 b peut ouvrir ou fermer les bornes de contact disposées dans les chambres de contact 45b et 46b qui sont disposées de l’autre côté de la platine. Le sous-ensemble de chambres de contact concerné comporte deux chambres de contact 45b et 46b qui sont disposées le long d’une deuxième ligne parallèle à la longueur de la platine.

Cette première orientation des ensembles complémentaire de contacteur 48a, 48b permet aux moteurs de commander les contacteurs Kp, Kn en parallèle, comme il est représenté sur la figure 5.

Les figures 7 et 10 montrent la deuxième orientation des ensembles complémentaire de contacteur 48a, 48b. Selon cette deuxième orientation, le moteur 51 a peut ouvrir ou fermer les bornes de contact disposées dans les chambres de contact 45a et 45b qui sont disposées vers la même extrémité de la platine. Le sous-ensemble de chambres de contact concerné comporte deux chambres de contact 45a et 45b qui sont disposées le long d’une troisième ligne parallèle à la largeur de la platine.

De manière semblable, le moteur 51 b peut ouvrir ou fermer les bornes de contact disposées dans les deux chambres de contact 46a et 46b qui sont disposées vers l’autre extrémité de la platine. Le sous-ensemble de chambres de contact concerné comporte deux chambres de contact 46a et 46b qui sont disposées le long d’une quatrième ligne qui est parallèle à la largeur de la platine.

Cette deuxième orientation des ensembles complémentaire de contacteur 48a, 48b permet aux moteurs de commander les contacteurs Kp, Kn en série, comme il est représenté sur la figure 8.

Afin d’accommoder les deux orientations des ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b, les autres composants disposés sur la deuxième surface 42 de la platine 40 s’écartent les uns des autres pour laisser place à la zone de fixation ZF. Les dimensions de la zone de fixation ZF sont suffisamment grandes pour accueillir les ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b, selon les deux orientations prévues. Par ailleurs, le positionnement des quatre chambres de bornes de contact 45a, 46a, 45b et 46b est en relation avec l’entraxe des ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b, notamment l’entraxe des moteurs 51 a, 51 b, pour aligner les contacts des deux contacteurs avec les moteurs correspondants des ensembles complémentaires des contacteurs selon la première et la deuxième orientation des ensembles complémentaires des contacteurs.

En outre, la platine 40 comporte des points de fixation 60 aptes au montage des ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b, que ces derniers se trouvent orientés selon la première orientation ou bien orientés selon la deuxième orientation. Plus particulièrement, des points de fixation 60 aptes à coopérer avec des moyens de fixation complémentaires 62 sur les ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b sont prévus : à certains emplacements sur la platine qui correspondent aux positions des moyens de fixation complémentaires 62, lorsque les ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b sont positionnés selon la première orientation, et

- à d’autres emplacements sur la platine qui correspondent aux positions des moyens de fixation complémentaires 62, lorsque les ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b sont positionnés selon la deuxième orientation.

Selon l’exemple des figures 4, 6 et 7, les points de fixation 60 comportent des trous lisses et des vis 61 tandis que les moyens de fixation des ensembles complémentaires de contacteur 48a, 48b comportent des supports 62. L’homme du métier comprendra que d’autres éléments de fixation complémentaires peuvent être employés sur la platine et dans les ensembles complémentaires de contacteur.

La platine générique proposée constitue une brique modulaire adaptable au besoin d’utilisation de distribution et de précharge dans un réseau haute tension continue. Elle comporte des contacteurs intégrés sur une platine de puissance permettant deux configurations d’agencement pour permettre une opération «en série » ou «en parallèle ». Les interfaces mécaniques sont identiques pour les deux configurations, comme montré sur les figures 4, 6 et 7. La modularité de la solution permet de répondre à différents besoin grâce aux configurations proposées qui permettent de la rendre générique. Par ailleurs, la platine générique proposée permet d’optimiser la masse et le volume de l’unité de distribution électrique de puissance, et une réduction de coût.

Selon d’autres modes de réalisation de l’invention, une platine telle que décrite ci- dessus est incorporée dans une unité de distribution électrique de puissance, par exemple une unité de distribution électrique montée entre une unité de stockage et un bus haute tension continue (HVDC) d’un aéronef.

Selon d’autres mode de réalisation de l’invention, un réseau de distribution électrique de puissance d’un aéronef comporte une unité de distribution électrique haute tension en continu intégrant une platine telle que décrite ci-dessus. L’invention trouve application notamment dans l’industrie aéronautique et l’industrie automobile, par exemple en relation avec un canal de génération, une batterie HVDC, une pile à combustible, la distribution primaire, la distribution secondaire, la propulsion électrique, la propulsion hybride, etc.