Titre de l’invention : Platine générique de distribution de puissance électrique 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 général, 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 (acronyme de l’expression anglaise « 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.

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 relevées 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.

Dans sa demande de brevet FR 22 01421 , le Demandeur a proposé une platine générique de distribution électrique qui intègre 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.

Une vue de dessus d’un exemple 40 de la platine générique de distribution de puissance de la demande de brevet FR 22 01421 est représentée sur la figure 2 et une vue de dessous est représentée sur la figure 3.

Selon cette platine générique de distribution de puissance, les contacteurs (par exemple 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 première surface 41 de la platine sont montés aussi des borniers de puissance 31 a, 31 b, 34a, 34b pour connecter la platine au circuit de distribution de puissance, à la source d’une part et à la charge ou au réseau d’autre part. Des capuchons de protection de vis isolant 32a, 32b, 35a, 35b sont prévus pour éviter les risques de court-circuit entre les deux polarités par objet externe.

Sur la deuxième surface 42 de la platine sont montés des ensembles complémentaires des contacteurs, 48a, 48b, et d’autres composants. Selon l’exemple représenté sur la figure 2, les autres composants comportent : une sonde de courant 52, deux résistances 54, 55, et un contacteur de précharge 56. D’autres composants encore (par exemple un fusible) peuvent être présents mais ne sont pas représentés.

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.

Cette platine générique 40 peut servir pour mettre en oeuvre le circuit représenté sur la figure 1 , ainsi que d’autres circuits. La platine générique permet, notamment, 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. Des points de fixation 60, et des vis 61 permettent de fixer les ensembles complémentaires des contacteurs, 48a, 48b selon la configuration (en série ou en parallèle) voulue.

Les composants disposés sur la seconde surface majeure 42 de la platine 40 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 les 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 bornes de contact, 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 bornes de contact, les chambres de contact des premier et deuxième sous-ensembles étant alignées selon des directions respectives orthogonales.

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.

Ainsi, la platine générique modulaire ayant des contacteurs intégrés sur une platine de puissance et permettant deux configurations d’agencement facilite 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.

Or, la platine générique 40 permet aussi la réalisation de circuits qui ne nécessitent que deux contacteurs, c’est-à-dire des circuits qui omettent soit Kp soit Kn, auquel cas on peut supprimer, pour chaque contacteur omis, deux chambres de contact aux emplacements prévus sur la surface 41 de la platine. La figure 4 montre la zone 47a de la platine générique où se retrouvent alors les contacts fixes 37 _{1 ;} 37 ₂ lorsqu’une chambre de contact n’est pas montée à l’un des emplacements prévus sur la surface 41 de la platine : dans l’exemple représenté à la figure 4, la chambre de contact 45a a été omise du dispositif.

Comme on voit sur la figure 4, lorsqu’il n’y a pas de chambre de contact montée à l’un des emplacements prévus sur la surface 41 de la platine, les contacts fixes se retrouvent non isolés et la connexion de puissance est interrompue. Jusqu’ici, pour protéger les contacts fixes dans un tel cas de figure, on a proposé de monter un capot isolant 50 sur la surface 41 de la platine, ce capot isolant 50 recouvrant la zone 35a où se trouvent les contacts fixes. Pour assurer la connexion de puissance, on ajoute à l’ensemble une barre de puissance 30 ainsi que des éléments de fixation associés 39 (goujon de puissance, etc.). Une telle configuration est représentée sur la figure 5 (qui représente le cas où la chambre de contact 45b a été omise du dispositif).

Cette approche antérieure implique donc d’ajouter des pièces de connexion électrique (bornes, barre, quincailleries) et un capot isolant pour recouvrir les contacts fixes, ce qui augmente l’encombrement du dispositif. Un tel agencement est représenté sur la figure 5.

Par ailleurs, la barre de puissance présentée figure 5 comporte des assemblages mécaniques pour réaliser les connexions électriques dans le cas où une configuration à deux contacteurs serait utilisée. Ces connexions ne peuvent pas être complètement isolées et présentent donc des pièces métalliques sous tension à nu et exposées. Cela peut être dangereux pour les opérateurs de maintenance ou être la source de défaut électrique en présence d’un corps étranger métallique dans cette zone.

La présente invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus.

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 y compris pour permettre une adaptation qui implique l’absence d’un contact mobile à l’un des emplacements de montage prévus sur la platine.

Ces buts sont atteints par une platine de distribution électrique haute tension en continu, caractérisée en ce que : sur une première des surfaces majeures de la platine sont prévus des emplacements pour montage des chambres de bornes de contact fixe et mobile de deux contacteurs électromécaniques, une paire de contacts fixes étant prévue à chaque emplacement de montage de chambre de contact, tandis que sur la seconde surface majeure de la platine sont disposés des emplacements pour montage des ensembles complémentaires des deux contacteurs, ces ensembles comportant chacun un moteur respectif destiné à activer les bornes de contact de l’un des contacteurs respectifs, un composant de protection est monté à au moins un des emplacements de montage de chambre de contact, en lieu et place du contact mobile, ledit composant de protection comportant : un capot isolant définissant avec la surface de la platine un espace fermé comportant un shunt de connexion électrique agencé pour relier entre eux la paire de contacts fixe.

La platine selon la configuration exposée ci-dessus permet d’avoir la meilleure intégration possible, et permet de relier les contacts fixes dans un encombrement réduit.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le composant de protection de la platine de distribution électrique haute tension précitée comporte un ressort sous pression agencé pour appuyer le shunt de connexion contre les contacts fixes. De cette manière, la continuité du chemin de courant est assurée avec une fiabilité accrue.

Dans un mode de réalisation préférentiel, la platine de distribution électrique haute tension précitée inclut une fonction de précharge. Cette configuration permet d’obtenir une forte réduction en termes de masse et de 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 vue de dessus d’une platine générique de distribution haute tension en continu, avec des ensembles complémentaires de contacteur de puissance agencés selon une première orientation,

[Fig. 3] la figure 3 montre une vue de dessous de la platine de distribution haute tension de la figure 2,

[Fig. 4] la figure 4 montre une zone de contacteur fixe, à découvert, de la surface inférieure de la platine de distribution haute tension en continu de la figure 2,

[Fig. 5] la figure 5 montre une barre de puissance utilisée dans l’art antérieur pour protéger la zone de contacteur fixe,

[Fig. 6] la figure 6 est un schéma représentant une platine dotée, d’un côté, d’une barre de puissance selon la figure 5 et, de l’autre côté, d’un composant de protection selon un mode de réalisation de l’invention, et

[Fig. 7] la figure 7 est une vue en coupe d’un exemple du composant de protection représenté sur la figure 6.

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, y compris une adaptation impliquant l’absence d’une chambre de borne de contacts à l’un des emplacements prévus sur la platine.

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.

Comme il est décrit dans la demande de brevet FR 22 01421 , la platine est conçue de sorte que les contacteurs Kp et Kn puissent être montés dans deux orientations sur la même platine grâce à une géométrie et des entraxes judicieusement choisis. A cette fin, sur l’une des surfaces majeures de la platine, des emplacements sont prévus pour le montage de quatre chambres de contact logeant les bornes de contact fixe et mobile des contacteurs Kp et Kn. Or, selon l’application, on peut être amené à n’utiliser que l’un des deux contacteurs Kn et Kp.

Selon un exemple, la platine héberge 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-, un contacteur Kp haute tension continue sur la ligne HV+ ou un contacteur Kn haute tension continue sur la ligne HV-, et une électronique de contrôle pour les contacteurs Kp/Kn et K1 et pour la gestion des mesures de courant.

Selon cet exemple, comme le dispositif n’héberge que l’un des deux contacteurs Kn et Kp, il n’y a pas besoin de monter toutes les quatre chambres des bornes de contact fixe et mobiles. Plus précisément, on peut supprimer un contact mobile. Sur la platine il y a donc un emplacement de montage de chambre de borne de contact qui est dépourvu de chambre de contact. Comme une paire de contacts fixes est disposée à cet emplacement, selon un mode de réalisation de l’invention, on prévoit un composant nouveau pour protéger les contacts fixes et assurer la connexion de puissance. Il s’agit d’un composant qui correspond à un sous-ensemble qui protège les contacts fixes, et qui intègre un shunt électrique (une liaison conductrice, par exemple une liaison métallique) en lieu et place du contact mobile positionné pour être assis sur les contacts fixes.

Cette solution permet d’offrir en même temps une configurabilité de la platine tout en sécurisant les connexions électriques puisque la liaison ainsi réalisée par le shunt est capotée et totalement isolée.

La figure 6 représente une platine 100 qui intègre un composant de protection 200 selon un mode de réalisation de l’invention, ainsi qu’une barre de puissance 30 selon l’approche illustrée par la figure 5. Un rectangle R sur la figure 6 indique la région correspondant à la configuration selon le mode de réalisation de l’invention.

Afin de simplifier la présentation, des éléments pareils à ceux représentés sur les figures 2 à 5 sont désignés sur la figure 6 par des références équivalentes précédées par le chiffre 1 (ainsi, par exemple, la chambre de contact 146a de la figure 6 est équivalente à la chambre de contact 46a de la figure 3). La description des éléments concernés est donc omise ou raccourcie ci-dessous.

Sur la figure 6, les deux configurations sont présentées côte à côte afin de permettre une comparaison visuelle entre ces configurations et, ainsi, une meilleure appréciation des avantages découlant de l’invention, notamment en termes du volume réduit occupé par la solution selon l’invention. Or, l’homme du métier comprendra que, dans la pratique, il est préférable de n’utiliser que la solution prévue par l’invention, c’est-à-dire des composants de protection 200 à tous les emplacements de montage de chambre de borne de contact qui sont dépourvus de chambre de contact/contact mobile.

Le composant de protection 200 est un élément qui comporte une liaison conductrice (par exemple une plaque métallique étroite 212 selon l’exemple de la figure 7) agencée pour servir de shunt de connexion de puissance, c’est-à-dire pour assurer la connexion de puissance en reliant les contacts fixes qui se retrouvent à l’emplacement de montage de chambre de contact où l’on monte ce composant de protection 200. Le composant de protection 200 comporte aussi un capot isolant 201.

La figure 6 montre la différence d’intégration et de volume entre la solution actuelle et le mode de réalisation de l’invention dans le rectangle R. Le montage des éléments sur la gauche correspond à l’état antérieur avec une barre de puissance qui se trouve à nu et exposé. Le montage présenté sur la partie droite montre le mode de réalisation proposé pour optimiser l’encombrement et supprimer la barre sous tension.

Le mode de réalisation proposé permet de supprimer le goujon de puissance 139 et la barre de puissance 130 non recouverte d’isolant, ainsi que le capot isolant 150.

La platine 100 comporte une plaque 110 qui sert de « structure » mécanique pour supporter l’ensemble. Selon un mode de réalisation de l’invention, la plaque 110 est faite en époxy, par exemple de type FR4 ou FR5.

La platine 100 accueille les composants suivants :

- des borniers de puissance 31 a, 31 b, 34a, 134b pour connecter la platine au circuit de distribution de puissance, à la source d’une part, et à la charge ou au réseau d’autre part

- des capuchons de protection de vis isolant 32a, 32b, 35a, 35b pour éviter les risques de court-circuit entre les deux polarités par objet externe

- les chambres de contacteur 46a, 46b, 46A, 46b, et

- le composant 200 de protection qui correspond à un sous-ensemble à shunt intégré.

Comme on peut le voir sur la figure 6, l’utilisation du composant de protection 200 permet de réduire le nombre de pièces et d’avoir une meilleure intégration, ce qui procure des gains en masse et rend la modularité la plus simple possible. Une standardisation adaptée aux différentes configurations de la platine générique de distribution de puissance électrique haute tension continue (HVDC) du sous ensemble 200 shunt de contact de puissance est alors possible.

La figure 7 représente une vue en coupe d’un exemple de réalisation du composant de protection 200 de la figure 6. Selon cet exemple, le composant de protection 200 se compose des éléments suivants :

- une barre mobile de connexion 212 : transfert de puissance entre les deux pastilles de contact.

- un écrou de maintien 213 : fixation entre la barre mobile et l’axe de translation

- une pastille de contact 214 : transfert de la puissance les barres de puissance HV et le contact mobile, et - un axe 215, il permet le collage par translation et maintien de la pression contact entre les pastilles et les barres de puissance à l’etat actif. A l’etat de repos il garantit un décollage des contacts.

Dès lors qu’il comporte le shunt de connexion de puissance agencé pour relier les contacts fixes, et l’isolement fourni par un capot ou autre, le composant de protection 200 peut se voir modifié par rapport à l’exemple représenté sur la figure 7, par exemple selon les besoins de l’application ou les souhaits du concepteur. Par exemple, on peut ajouter un ressort pour assurer l’affirmation.

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.

Les dispositifs prévus par l’invention permettent de réduire le nombre de pièces et d’avoir une meilleure intégration afin d’avoir des gains en masse et de rendre la modularité la plus simple possible. Une standardisation adaptée aux différentes configurations de la platine générique de distribution de puissance électrique haute tension continue (HVDC) du sous ensemble shunt de contact de puissance est alors possible.