WO2025074055A1 - Dispositif et procede de protection d'une installation electrique - Google Patents

Dispositif et procede de protection d'une installation electrique Download PDF

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WO2025074055A1
WO2025074055A1 PCT/FR2024/051273 FR2024051273W WO2025074055A1 WO 2025074055 A1 WO2025074055 A1 WO 2025074055A1 FR 2024051273 W FR2024051273 W FR 2024051273W WO 2025074055 A1 WO2025074055 A1 WO 2025074055A1
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electrical
threshold
intensity
current
command
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Pending
Application number
PCT/FR2024/051273
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English (en)
Inventor
Florence GIRAULT
Jérôme Valire
Rym NOUALI
Philippe Naneix
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for DC applications
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators

Definitions

  • the present invention relates to the general field of the protection of an electrical installation, and more particularly to the protection of a high voltage direct current power supply system.
  • electric vertical take-off and landing (eVTOL) aircraft platforms use a new electric propulsion system powered by high-voltage batteries.
  • high-voltage batteries which contain significant amounts of energy, generally incorporate electrical protections based on fuses to be able to interrupt the line in the event of a clear short circuit, i.e. when the two short-circuited points directly touch each other. These fuses thus protect the electrical source.
  • the fuses and contactors usually present in high-voltage electrical networks do not completely protect the electrical installation present between the electrical source and the load.
  • the invention relates to a method for protecting an electrical installation placed between an electrical power supply and an electrical load, said electrical installation comprising:
  • At least two sensors configured to measure the electrical current flowing between the power supply and the load
  • the pyrotechnic electrical cut-off device is capable of opening the power circuit by a fuse effect when the currents are high (for example for currents up to 5 kA) or by a mechanical breaking effect thanks to the pyrotechnic actuator (present in the pyrofuse) for lower currents.
  • the association of the pyrofuse and the power contactor makes it possible to open the power distribution line as soon as a short circuit or an overload appears.
  • the method comprises opening a fuse of said electrical installation.
  • the method comprises:
  • the method comprises,
  • This fuse provides additional protection for the electrical installation in the event of a major short circuit.
  • the method comprises:
  • said opening of said pyrotechnic electrical cut-off device is operational after a first time delay.
  • said opening of said power contactor is operational after a second time delay.
  • the invention also relates to an electrical device for protecting an electrical installation intended to be placed between an electrical power supply and an electrical load, the electrical power supply comprising positive and negative terminals, the device comprising:
  • a power contactor comprising a first contact intended to be connected to the positive terminal of the power supply and a second contact intended to be connected to the negative terminal of the power supply;
  • At least two sensors configured to measure the electric current flowing between the power supply and the electric load
  • a pyrotechnic electrical cut-off device placed in series with the power contactor, and a controller configured to receive the electrical current measured by the sensors and to
  • the invention also relates to a high-voltage DC electrical power distribution board comprising the protection device according to at least one of the embodiments of the present invention and an electrical circuit for energizing an electrical load.
  • the invention also relates to an aircraft comprising an electrical protection device according to at least one of the embodiments of the present invention or a distribution board according to at least one of the embodiments of the present invention.
  • Figure 1 shows, schematically and partially, the electrical protection device according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 schematically represents a method for controlling the protection device of Figure 1 according to an embodiment of the invention
  • Figure 3 represents charts of the time evolution of the intensity in the different elements affected by an electrical fault. Description of the embodiments
  • the term “pyrofuse” designates the pyrotechnic electrical cut-off device.
  • Figure 1 shows, schematically and partially, an electrical protection device 100 according to one embodiment of the invention.
  • the device 100 makes it possible to electrically protect an electrical installation which would be placed between the positive 1011 and negative 1012 terminals of an electrical power supply 101 and an electrical load 102.
  • the electrical installation which is protected is formed of the device 100 and the power harnesses connecting the electrical load 102 and the electrical power supply 101 to the device 100.
  • the device 100 comprises a power contactor 120, a pyrotechnic electrical cut-off device 130, more commonly called a pyrofuse, two sensors at 161 and 162, a pre-charge circuit 150, a relay 140 and a controller 110.
  • the power contactor 120 and the pyrofuse 130 are connected in series.
  • the power contactor 120 comprises a first contact 121 which is connected to the positive terminal 1011 of the power supply 101 and a second contact 122 which is connected to the negative terminal 1012 of the power supply 101. It makes it possible to cut off the flow of current between the power supply 101 and the electrical load 102.
  • the power contactor 120 has the particular characteristic of being able to open in 20 ms maximum for a current lower than its breaking capacity. This time is mainly due to mechanical constraints of the component.
  • the sensors 161 and 162 are configured to measure the electrical currents flowing between the power supply 101 and the power contactor 120.
  • the sensors 161 and 162 may be sensors of different types such as, for example, but not limited to, Hall effect sensors, or LEM sensors, or Néel effect sensors.
  • the pre-charging electrical circuit 150 comprises input terminals 151 and 152 which are placed between the power supply 101 and the power contactor 120 and output terminals 153 and 154 which are connected to the electrical load 102. It makes it possible to limiting the electrical current flowing to the electrical load 102 before closing the power contactor 120.
  • the relay 140 is connected to the input terminals 151 and 152 of the pre-charging electrical circuit 150 in order to be able to connect or disconnect it from the main electrical network.
  • the pyrofuse 130 is connected to the negative terminal 1012 of the power supply 101 and to the second contact 122 of the power contactor 120.
  • the pyrofuse 130 has the particular characteristic of being able to open in 3 ms maximum and for a current of several kiloamperes. This time is mainly due to the detection of the fault, and the ignition of the pyrotechnic device.
  • the controller 110 is configured to receive the current measurements from the sensors 161 and 162 and to implement the method described with reference to FIG. 2.
  • the device 100 may also comprise a fuse connected to the positive terminal 1011 of the power supply 101 and to the first contact 121 of the power contactor 120.
  • This fuse makes it possible to protect the power supply 101 in the event of a high current, for example between 5 kA and 50 kA, and also to have a dissimilarity of the electrical protection compared to the other devices mentioned (power contactor 120 and pyrofuse 130)
  • the device 100 may also comprise a magnetic probe, integrated at the level of the pyrofuse 130.
  • This magnetic probe makes it possible to detect a short circuit and to trigger the opening of the pyrofuse 130 to protect the electrical installation. This makes it possible to detect an abnormal current in a dissimilar manner to the current sensors 161 and 162 and thus to improve the safety of the device 100.
  • Figure 2 schematically represents a logic diagram of the control method implemented by the protection device 110 of Figure 1 according to one embodiment of the invention.
  • the method comprises, step El, the measurement of the electric current flowing in the protection device 100 using the sensors 161, 162 and the comparison of the measured current I with a first current threshold Si.
  • a first current threshold Si When the intensity of the measured current is greater than Si then we monitor that this intensity remains between the threshold Si and a second threshold S2, step E2.
  • the opening of the pyrofuse is triggered, step E4. This opening is triggered, for example, only after 5ms, step E3. This time delay can be linked
  • the opening time of the pyrofuse for example 3ms as indicated previously.
  • the pyrofuse can be triggered in at least two ways.
  • the pyrofuse can comprise a magnetic sensor and it triggers its opening autonomously.
  • it can be controlled by a command from the controller 110 or from an external system. If the pyrofuse opens, step E5, then the method ends. It can be noted that the pyrofuse, following its opening, must be changed, for example during a maintenance operation.
  • step E5 If the pyrofuse does not open (for example because it has a fault), step E5, the change in the intensity I is detected during a step E6 and if this intensity is lower than the intensity which leads to a break in the contactor 120 (for example 4000A), then the opening of the contactor 120 is commanded, step E7.
  • the current cannot be measured up to 4000A. It can be ensured during the system design phase that the fuse will open the circuit before the contactor for current values exceeding the contactor capability threshold.
  • step E8 the method ends. Otherwise, if the contactor 120 does not open, we proceed to step E9 in which the is triggered. The method ends following step E9.
  • step E2 If, during step E2, the measured intensity is greater than Si but remains less than S2, then we move on to step Eli after a time delay of 200 ms for example, step E10. This time delay is preferably adjustable and can be adjusted according to the characteristics of the installation.
  • step Eli an instruction to open the contactor 120 is transmitted, as during the previous step E7. If, following the command to open the contactor 120, the contactor 120 opens, step E12, the process ends. Otherwise, if the contactor 120 does not open, we proceed to step E13 in which we transmit a command to open the pyrofuse 130. If the pyrofuse 130 opens, step E14, the process ends. Otherwise, if the pyrofuse 130 does not open, we proceed to step E9 in which the fuse is triggered.
  • the first current threshold Si is for example between the nominal current and 1 kA
  • the second current threshold S2 is for example between 1 kA and 5 kA.
  • the first current threshold Si is equal to the nominal current
  • the second current threshold S2 is equal to 1 kA.
  • the threshold of 1 kA is adjustable, for example according to the characteristics of the installation and the capacities of the contactor linked to the conditions of use and in particular the altitude.
  • the 5kA threshold may depend on the capabilities of the pyrotechnic device.
  • Another object of the invention is a high-voltage DC electrical power distribution board comprising the protection device of the invention and an electrical circuit for energizing an electrical load.
  • the electrical energizing circuit is an electronic pre-charging system which makes it possible to charge the capacitors of the electrical loads by limiting the current, to avoid high current draws (current of a few kiloamperes) linked to the energizing of the capacitors of the high-voltage loads. This makes it possible to protect the electrical network during switching by being optimized in mass and volume compared to a conventional resistance system.
  • the board can thus be connected at its output terminals to the various electrical loads of the aircraft and at its input terminals to the electrical power sources of the aircraft.
  • the electrical power source can for example be a high voltage battery and the electrical load an electric motor.
  • the pyrofuse can thus, for example, be controlled by the overall aircraft system and/or by the emergency system.
  • the distribution board as described makes it possible to optimize the distribution of the electrical components of the protection device and the power-up circuit as well as the various electrical protections of the components present on the board.
  • the measurement or detection of excessive current intensity can also be carried out by a magnetic current probe integrated into the pyrofuse.
  • Figure 3 represents an evolution of the electrical protection curves and the main constraints of the different components according to certain embodiments.
  • time is represented on the abscissa and intensity is represented on the ordinate.
  • the time and intensity scales are logarithmic scales. It is understood that the values illustrated on these curves are given as an example.
  • the curves represent the intensity acceptable by different components of an aircraft, for a corresponding duration, represented by the time on the abscissa. We therefore see that the different components are capable of supporting high intensities for shorter durations than lower intensities.
  • the “fuse” curve represents an approximation of the melting curve of the power fuse integrated into the battery.
  • the “wiring 2” curve represents the energy limit acceptable by a type 2 cable, without there being any damaging effect (so-called “no-damage” curve) expressed in Amperes over time.
  • type 2 wiring can withstand an intensity slightly greater than 10000A for 300ms and withstand an intensity greater than the S2 threshold, approximately 380A for a continuous duration.
  • the “engine” curve represents the acceptable energy limit in the engine beyond which it can no longer contain this energy (piercing of the casing for example) and the fault can propagate to its environment.
  • the “engine envelope” points represent the operating points of the engine in its functional regimes.
  • This graph also shows the thresholds S1 and S2 implemented in the present invention.
  • the thresholds S1 and S2 are determined so as to ensure that none of the components is exposed for a duration t to an intensity greater than that which it cannot withstand for this duration t.
  • S2 is set at 350 Amperes and S1 at 250 Amperes.
  • the threshold S2 is set so as to be lower than the smoke curve of cable 2, curve “wiring 2”.
  • the threshold Si is set so as to be higher than the operational current levels of the motors and corresponds to the so-called “overload” threshold.
  • the maximum height in intensity of the pyrofuse and contactor curves correspond to the maximum capacity of the components. According to the example given in figure 3, we can see that these values correspond to 5000A for the pyrofuse and to 4000A for the contactor.
  • Wiring 2 is protected by the pyrofuse and by the contactor, the threshold S2 can be determined so that it can protect wiring 2 from a possible fire. It can be seen that for a duration of 1000s and beyond, wiring 2 can withstand an intensity slightly higher than the value of threshold S2. Thus, wiring 2 is effectively protected by both the contactor and the pyrofuse.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de protection d'une installation électrique ladite installation électrique comprenant : - un contacteur - au moins deux capteurs de mesure du courant électrique, - un dispositif de coupure électrique pyrotechnique, le procédé comprenant : - la mesure de l'intensité du courant, - la comparaison entre ladite intensité dudit courant et deux seuils, et - si ladite intensité est comprise entre un premier seuil et un second seuil, - la transmission d'une commande d'ouverture dudit contacteur de puissance, - si ladite intensité est supérieure audit second seuil, - la transmission d'une commande de déclenchement d'ouverture du dispositif de coupure électrique pyrotechnique, - si le dispositif de coupure électrique pyrotechnique ne s'ouvre pas, - la comparaison entre ladite intensité du courant et une troisième valeur seuil, - si ladite intensité du courant est inférieure à ladite troisième valeur seuil, la transmission d'une commande d'ouverture dudit contacteur.

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif et procédé de protection d'une installation électrique
Domaine Technique
[0001] La présente invention se rapporte au domaine général de la protection d'une installation électrique, et plus particulièrement de la protection d'un système d'alimentation haute tension continue.
Technique antérieure
[0002] Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers Etats. En particulier, une norme ambitieuse s'applique à la fois aux nouveaux types d'avions mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L'aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
[0003] Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d'améliorer de manière significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l'environnement et dont l'intégration et l'utilisation dans l'aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d'amélioration de l'efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l'emploi de méthodes et l'exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
[0004] Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent notamment sur l'emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion.
[0005] Dans ce cadre, les plateformes d'aéronef à décollage et atterrissage verticaux électriques (eVTOL, « electric vertical take-off and landing »), d'aéronefs à décollage et atterrissage conventionnels électriques (eCTOL, « electric conventional take-off and landing ») et des petits aéronefs pour les vols courts (Air Taxi) utilisent une nouvelle propulsion électrique alimentée par des batteries haute tension. Ces batteries haute tension, qui contiennent des quantités importantes d'énergie, intègrent généralement des protections électriques à base de fusibles pour pouvoir interrompre la ligne en cas court-circuit franc, c'est-à-dire lorsque les deux points mis en court-circuit se touchent directement. Ces fusibles permettent ainsi de protéger la source électrique.
[0006] Cependant, lors de surcharge ou de courant circulant dans un court-circuit impédant, c'est-à-dire lorsque les deux points mis en court-circuit sont reliés par un milieu impédant, il existe une première zone grise entre la protection assurée par les fusibles et celle assurée par un contacteur de puissance, dans laquelle le câblage avion n'est pas protégé. Il existe également une deuxième zone grise lors de très forts courants de court-circuit qui peuvent faire léviter le contacteur et l'endommager, et également limiter le courant circulant dans le fusible, ce qui retarde son déclenchement.
[0007] Ainsi, les fusibles et contacteurs habituellement présents dans les réseaux électriques haute tension, par exemple alimentés à base de batteries haute tension, ne protègent pas complètement l'installation électrique présente entre la source électrique et la charge.
[0008] Il est donc souhaitable de disposer d'un moyen de protection électrique permettant de protéger l'installation électrique des systèmes alimentés par une batterie haute tension continue.
Exposé de l'invention
[0009] L'invention concerne un procédé de protection d'une installation électrique placée entre une alimentation électrique et une charge électrique, ladite installation électrique comprenant :
- un contacteur de puissance
- au moins deux capteurs configurés pour mesurer le courants électrique circulant entre l'alimentation électrique et la charge,
- un dispositif de coupure électrique pyrotechnique placé en série avec le contacteur de puissance le procédé comprenant :
- la mesure de l'intensité du courant circulant dans l'installation électrique,
- la comparaison entre ladite intensité dudit courant et un premier seuil et un second seuil, ledit second seuil étant supérieur audit premier seuil, et
- si ladite intensité est comprise entre ledit premier seuil et ledit second seuil,
- la transmission d'une première commande d'ouverture dudit contacteur de puissance,
- si ladite intensité est supérieure audit second seuil,
- la transmission d'une première commande de déclenchement d'ouverture du dispositif de coupure électrique pyrotechnique,
- si le dispositif de coupure électrique pyrotechnique ne s'ouvre pas, suite à ladite première commande de déclenchement dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique,
- la comparaison entre ladite intensité du courant et une troisième valeur seuil représentative d'une valeur de rupture dudit contacteur de puissance,
- si ladite intensité du courant est inférieure à ladite troisième valeur seuil, la transmission d'une seconde commande d'ouverture dudit contacteur de puissance.
[0010] Le dispositif de coupure électrique pyrotechnique, plus communément appelé pyrofuse, est capable d'ouvrir le circuit de puissance par un effet fusible lorsque les courants sont importants (par exemple pour des courants allant jusqu'à 5 kA) ou par un effet de casse mécanique grâce à l'actionneur pyrotechnique (présent dans le pyrofuse) pour les courants plus faibles.
[0011] Ainsi, grâce au dispositif de l'invention, l'association du pyrofuse et du contacteur de puissance permet d'ouvrir la ligne de distribution de puissance dès qu'un court-circuit ou une surcharge apparaît.
[0012] En effet, en cas de surcharge, par exemple lorsque le courant mesuré par les capteurs est compris entre le courant nominal et 1 kA), le courant de défaut est vu par les mesures de courant faites par les capteurs et le contrôleur peut commander l'ouverture du contacteur. Tandis qu'en cas de court-circuit, par exemple lorsque le courant mesuré par les capteurs est compris entre 1 kA et 5 kA, c'est le pyrofuse qui sera ouvert pour protéger l'installation électrique.
[0013] Selon certains modes de réalisation, si entre ladite intensité du courant est supérieure à ladite troisième valeur seuil, le procédé comprend l'ouverture d'un fusible de ladite installation électrique.
[0014] Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend :
- si ledit contacteur ne s'ouvre pas, suite à ladite transmission de la première commande d'ouverture dudit contacteur de puissance,
- la transmission d'une seconde commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique.
[0015] Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend,
- si ledit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130). ne s'ouvre pas, suite à la transmission d'une seconde commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130), l'ouverture dudit fusible de ladite installation électrique.
[0016] Ce fusible permet d'avoir une protection supplémentaire de l'installation électrique en cas de court-circuit important.
[0017] Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend :
- si ledit pyrofuse ne s'ouvre pas, suite à la transmission d'une seconde commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique, l'ouverture dudit fusible de ladite installation électrique.
[0018] Selon certains modes de réalisation, ladite ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique est opérationnelle après une première temporisation.
[0019] Selon certains modes de réalisation, ladite ouverture dudit contacteur de puissance est opérationnelle après une seconde temporisation.
[0020] L'invention concerne également un dispositif électrique de protection d'une installation électrique destinée à être placée entre une alimentation électrique et une charge électrique, l'alimentation électrique comprenant des bornes positive et négative, le dispositif comprenant :
- un contacteur de puissance comprenant un premier contact destiné à être connecté à la borne positive de l'alimentation électrique et un deuxième contact destiné à être connecté à la borne négative de l'alimentation électrique ;
- au moins deux capteurs configurés pour mesurer le courant électrique circulant entre l'alimentation électrique et la charge électrique ;
- un dispositif de coupure électrique pyrotechnique placé en série avec le contacteur de puissance, et un contrôleur configuré pour recevoir le courant électrique mesuré par les capteurs et pour
- mesurer l'intensité du courant circulant dans l'installation électrique,
- comparer ladite intensité dudit courant et un premier seuil et un second seuil, ledit second seuil étant supérieur audit premier seuil, et
- si ladite intensité est comprise entre ledit premier seuil et ledit second seuil,
- transmettre une première commande d'ouverture dudit contacteur de puissance,
- si ladite intensité est supérieure audit second seuil,
- transmettre une première commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique
- si le dispositif de coupure électrique pyrotechnique ne s'ouvre pas, suite à ladite première commande de déclenchement dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique,
- la comparaison entre ladite intensité du courant et une troisième valeur seuil représentative d'une valeur de rupture dudit contacteur de puissance (120),
- si ladite intensité du courant est inférieure à ladite troisième valeur seuil, la transmission d'une seconde commande d'ouverture dudit contacteur de puissance.
[0021] L'invention concerne également une platine de distribution de puissance électrique haute tension continue comprenant le dispositif de protection selon au moins un des modes de réalisation de la présente invention et un circuit électrique de mise sous tension d'une charge électrique.
[0022] L'invention concerne également un aéronef comprenant un dispositif électrique de protection selon au moins un des modes de réalisation de la présente invention ou une platine de distribution selon au moins un des modes de réalisation de la présente invention.
[0023] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexes qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.
Brève description des dessins
[0024] [Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, le dispositif électrique de protection selon un mode de réalisation de l'invention,
[0025] [Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique, un procédé de contrôle du dispositif de protection de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention,
[0026] [Fig. 3] La figure 3 représente des abaques d'évolution temporelle de l'intensité dans les différents éléments affectés par un défaut électrique. Description des modes de réalisation
[0027] Dans la description, le terme « pyrofuse » désigne le dispositif de coupure électrique pyrotechnique.
[0028] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un dispositif 100 électrique de protection selon un mode de réalisation de l'invention.
[0029] Le dispositif 100 permet de protéger électriquement une installation électrique qui serait placée entre les bornes positive 1011 et négative 1012 d'une alimentation électrique 101 et une charge électrique 102. L'installation électrique que l'on protège est formée du dispositif 100 et des harnais de puissance reliant la charge électrique 102 et l'alimentation électrique 101 au dispositif 100.
[0030] Le dispositif 100 comprend un contacteur de puissance 120, un dispositif de coupure électrique pyrotechnique 130, plus communément appelé pyrofuse, deux capteurs à 161 et 162, un circuit de pré-charge 150, un relais 140 et un contrôleur 110.
[0031] Le contacteur de puissance 120 et le pyrofuse 130 sont montés en série.
[0032] Le contacteur de puissance 120 comprend un premier contact 121 qui est connecté à la borne positive 1011 de l'alimentation électrique 101 et un deuxième contact 122 qui est connecté à la borne négative 1012 de l'alimentation électrique 101. Il permet de couper la circulation du courant entre l'alimentation électrique 101 et la charge électrique 102.
[0033] A titre d'exemple, le contacteur de puissance 120 a notamment pour caractéristique la possibilité de s'ouvrir en 20 ms au maximum pour un courant inférieur à son pouvoir de rupture. Ce temps est principalement dû à des contraintes mécaniques du composant.
[0034] Les capteurs 161 et 162 sont configurés pour mesurer les courants électriques circulant entre l'alimentation électrique 101 et le contacteur de puissance 120.
[0035] Les capteurs 161 et 162 peuvent être des capteurs de différents types tels par exemple, mais non limitativement, des capteurs à effet hall, ou des capteurs LEM, ou des capteurs à effet Néel.
[0036] Le circuit électrique de pré-charge 150 comprend des bornes d'entrée 151 et 152 qui sont placées entre l'alimentation électrique 101 et le contacteur de puissance 120 et des bornes de sortie 153 et 154 qui sont connectées à la charge électrique 102. Il permet de limiter le courant électrique circulant vers la charge électrique 102 avant la fermeture du contacteur de puissance 120.
[0037] Le relais 140 est connecté aux bornes d'entrée 151 et 152 du circuit électrique de pré-charge 150 afin de pouvoir le connecter ou le déconnecter du réseau électrique principal.
[0038] Le pyrofuse 130 est connecté à la borne négative 1012 de l'alimentation électrique 101 et au deuxième contact 122 du contacteur de puissance 120.
[0039] A titre d'exemple, le pyrofuse 130 a notamment pour caractéristique la possibilité de s'ouvrir en 3 ms au maximum et pour un courant de plusieurs kilo-ampères. Ce temps est principalement dû à la détection du défaut, et à l'allumage du dispositif pyrotechnique.
[0040] Le contrôleur 110 est configuré pour recevoir les mesures de courant des capteurs 161 et 162 et pour mettre en œuvre le procédé décrit en référence à la figure 2.
[0041] Le dispositif 100 peut également comprendre un fusible connecté à la borne positive 1011 de l'alimentation électrique 101 et au premier contact 121 du contacteur de puissance 120. Ce fusible permet de protéger l'alimentation électrique 101 en cas de fort courant, par exemple entre 5 kA et 50 kA, et également d'avoir une dissimilarité de la protection électrique par rapport aux autres dispositifs cités (contacteur de puissance 120 et pyrofuse 130)
[0042] Le dispositif 100 peut encore comprendre une sonde magnétique, intégré au niveau du pyrofuse 130. Cette sonde magnétique permet de détecter un court-circuit et de déclencher l'ouverture du pyrofuse 130 pour protéger l'installation électrique. Cela permet de détecter un courant anormal de manière dissimilaire des capteurs de courant 161 et 162 et ainsi d'améliorer la sécurité du dispositif 100.
[0043] La figure 2 représente, de manière schématique, un logigramme du procédé de contrôle mis en œuvre par le dispositif de protection 110 de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention.
[0044] Préalablement aux étapes de ce procédé, on considère que le contacteur de puissance 120, le pyrofuse 130 sont fermés à la charge électrique 102.
[0045] Le procédé comprend, étape El, la mesure du courant électrique circulant dans le dispositif 100 de protection grâce aux capteurs 161, 162 et la comparaison du courant mesuré I à un premier seuil de courant Si. Lorsque l'intensité du courant mesurée est supérieure à Si alors on surveille que cette intensité reste comprise entre le seuil Si et un second seuil S2, étape E2. Lorsque l'intensité I mesurée passe au-dessus du seuil S2, on déclenche l'ouverture du pyrofuse, étape E4. Cette ouverture n'est déclenchée par exemple, qu'après 5ms, étape E3. Cette temporisation peut être liée
- au temps de détection du défaut,
- au temps d'ouverture du pyrofuse, par exemple 3ms comme indiqué précédemment.
[0046] Le déclenchement du pyrofuse peut se faire selon au moins deux manières. Selon un premier mode de réalisation, le pyrofuse peut comprendre un capteur magnétique et il déclenche son ouverture de manière autonome. Selon un second mode de réalisation, il peut être commandé par une commande issue du contrôleur 110 ou d'un système externe. Si le pyrofuse s'ouvre, étape E5, alors le procédé se termine. On peut noter que le pyrofuse, suite à son ouverture, doit être changé, par exemple lors d'une opération de maintenance.
[0047] Si le pyrofuse ne s'ouvre pas (par exemple parce qu'il présente un défaut), étape E5, on détecte, lors d'une étape E6, l'évolution de l'intensité I et si cette intensité est inférieure à l'intensité qui conduit à une rupture du contacteur 120 (par exemple 4000A), alors on commande l'ouverture du contacteur 120, étape E7.
[0048] Dans la pratique on ne peut pas mesurer le courant jusqu'à 4000A. On peut s'assurer lors de la phase de conception du système que le fusible ouvrira le circuit avant le contacteur pour les valeurs de courant dépassant le seuil de capabilité du contacteur.
[0049] Par rupture, on peut entendre que la protection du contacteur n'est plus opérationnelle car au-delà de 4000A par exemple, le contacteur peut se coller sous l'effet de la forte intensité du courant et ne plus s'ouvrir. Sinon, si l'intensité supérieure à l'intensité qui conduit à une rupture du contacteur 120, on passe à l'étape E9 dans laquelle le fusible s'ouvre.
[0050] Si, suite à la commande d'ouverture du contacteur 120, le contacteur 120 s'ouvre, étape E8, le procédé se termine. Sinon, si le contacteur 120 ne s'ouvre pas, on passe à l'étape E9 dans laquelle le se déclenche. Le procédé se termine suite à l'étape E9.
[0051] Si, lors de l'étape E2 l'intensité mesurée est supérieure à Si mais reste inférieure à S2, alors, on passe à l'étape Eli après une temporisation de 200 ms par exemple, étape E10. Cette temporisation est réglable de préférence et peut être ajustée en fonction des caractéristiques de l'installation. Lors de l'étape Eli, on transmet une instruction d'ouverture du contacteur 120, comme lors de l'étape E7 précédente. Si, suite à la commande d'ouverture du contacteur 120, le contacteur 120 s'ouvre, étape E12, le procédé se termine. Sinon, si le contacteur 120 ne s'ouvre pas, on passe à l'étape E13 dans laquelle on transmet une commande d'ouverture du pyrofuse 130. Si le pyrofuse 130 s'ouvre, étape E14, le procédé se termine. Sinon, si le pyrofuse 130 ne s'ouvre pas, on passe à l'étape E9 dans laquelle le fusible se déclenche.
[0052] Le premier seuil de courant Si est par exemple compris entre le courant nominal et 1 kA, et le deuxième seuil de courant S2 est par exemple compris entre 1 kA et 5 kA. Selon un autre exemple, le premier seuil de courant Si est égal au courant nominal et le deuxième seuil de courant S2 est égal à 1 kA. Le seuil de lkA est réglable, par exemple en fonction des caractéristiques de l'installation et des capacités du contacteur lié aux conditions d'utilisation et en particulier l'altitude.
[0053] Le seuil de 5kA peut dépendre des capacités du dispositif pyrotechnique.
[0054] Un autre objet de l'invention est une platine de distribution de puissance électrique haute tension continue comprenant le dispositif de protection de l'invention et un circuit électrique de mise sous tension d'une charge électrique. Le circuit électrique de mise sous tension est un système électronique de précharge qui permet de charger les capacités des charges électriques en limitant le courant, pour éviter les appels de courant importants (courant de quelques kiloampères) liés à la mise en ligne des condensateurs des charges haute tension. Cela permet de protéger le réseau électrique à la commutation en étant optimisé en masse et en volume par rapport à un système classique de résistance.
[0055] Dans le cas d'un aéronef à propulsion électrique, la platine peut ainsi être connectée à ses bornes de sortie aux différentes charges électriques de l'aéronef et à ses bornes d'entrée aux sources d'alimentation électrique de l'aéronef. La source d'alimentation électrique peut par exemple être une batterie haute tension et la charge électrique un moteur électrique.
[0056] Elle peut également être connectée au système global de contrôle de l'aéronef et au système de secours de l'aéronef. Le pyrofuse peut ainsi, par exemple, être contrôlé par le système global de l'aéronef et/ou par le système de secours.
[0057] De plus, la platine de distribution telle que décrite permet d'optimiser la distribution des composants électriques du dispositif de protection et du circuit de mise sous tension ainsi que les différentes protections électriques des composants présents sur la platine. [0058] La mesure ou détection d'une intensité de courant trop importante peut en plus être réalisée par une sonde magnétique de courant intégrée au pyrofuse.
[0059] La figure 3 représente une évolution des courbes de protection électrique et les principales contraintes des différentes composantes selon certains modes de réalisation. Sur la figure 3, le temps est représenté en abscisse et l'intensité est représentée en ordonnées. Les échelles temps et intensité sont des échelles logarithmiques. Il est entendu que les valeurs illustrées sur ces courbes sont données à titre d'exemple.
[0060] Les courbes représentent l'intensité acceptable par différents composants d'un aéronef, pendant une durée correspondante, représentée par le temps en abscisse. On voit donc que les différents composants sont capables de supporter des intensités élevées pendant des durées plus courtes que des intensités plus faibles.
[0061] La courbe « fusible » représente une approximation de la courbe de fusion du fusible de puissance intégré à la batterie.
[0062] La courbe « câblage 2 » représente la limite d'énergie acceptable par un câble de type 2, sans qu'il n'y ait d'effet d'endommagement (courbe dite « no-damage ») exprimée en Ampère dans le temps. Par exemple, un câblage de type 2 peut supporter une intensité légèrement supérieure à 10000A pendant 300ms et supporter une intensité supérieure au seuil S2, environ 380A pendant une durée continue.
[0063] La courbe « moteur » représente la limite d'énergie acceptable dans le moteur au- delà de laquelle il ne peut plus contenir cette énergie (percement du carter par exemple) et le défaut peut se propager à son environnement.
[0064] Les points « enveloppe moteur » représentent les points de fonctionnement du moteur dans ses régimes fonctionnels.
[0065] Sur ce graphe, sont également représentés les seuils Si et S2 mis en œuvre dans la présente invention. Les seuils SI et S2 sont déterminés de manière à permettre qu'aucun des composants ne soit exposé pendant une durée t à une intensité supérieure à celle qu'il ne peut supporter pendant cette durée t. Selon l'exemple de la figure 3, S2 est fixé à 350 Ampère et SI à 250 Ampère.
[0066] Le seuil S2 est fixé de manière à être inférieur à la courbe de fumée du câble 2, courbe « câblage 2 ».
[0067] Le seuil Si est fixé de manière à être supérieur aux niveaux de courant opérationnel des moteurs et correspond au seuil dit « d'overload ». [0068] La hauteur maximale en intensité des courbes pyrofuse et contacteur correspondent à la capacité maximale des composants. Selon l'exemple donné en figure 3, on peut voir que ces valeurs correspondent à 5000A pour le pyrofuse et à 4000A pour le contacteur
[0069] Le câblage 2 est protégé par le pyrofuse et par le contacteur, le seuil S2 peut être déterminé de manière à ce qu'il puisse protéger le câblage 2 d'un éventuel incendie. On peut voir que pour une durée de 1000s et au-delà, le câblage 2 peut supporter une intensité légèrement supérieure à la valeur du seuil S2. Ainsi, le câblage 2 est protégé efficacement à la fois par le contacteur et par le pyrofuse.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de protection d'une installation électrique placée entre une alimentation électrique (101) et une charge électrique (102), ladite installation électrique comprenant :
- un contacteur de puissance (120)
- au moins deux capteurs (161, 162) configurés pour mesurer le courant électrique circulant entre l'alimentation électrique et la charge (102),
- un dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130) placé en série avec le contacteur de puissance (120), le procédé comprenant :
- la mesure de l'intensité du courant circulant dans l'installation électrique,
- la comparaison entre ladite intensité dudit courant et un premier seuil (Si) et un second seuil (S2), ledit second seuil (Si) étant supérieur audit premier seuil (S2), et
- si ladite intensité est comprise entre ledit premier seuil (Si) et ledit second seuil (S2),
- la transmission d'une première commande d'ouverture dudit contacteur de puissance (120),
- si ladite intensité est supérieure audit second seuil (S2),
- la transmission d'une première commande de déclenchement d'ouverture du dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130),
- si le dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130) ne s'ouvre pas, suite à ladite première commande de déclenchement dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130),
- la comparaison entre ladite intensité du courant et une troisième valeur seuil représentative d'une valeur de rupture dudit contacteur de puissance (120),
- si ladite intensité du courant est inférieure à ladite troisième valeur seuil, la transmission d'une seconde commande d'ouverture dudit contacteur de puissance (120).
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 comprenant :
- si ladite intensité du courant est supérieure à ladite troisième valeur seuil, l'ouverture d'un fusible de ladite installation électrique.
[Revendication 3] Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant
- si ledit contacteur ne s'ouvre pas, suite à ladite transmission de la première commande d'ouverture dudit contacteur de puissance (120),
- la transmission d'une seconde commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130).
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 3 comprenant
- si ledit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130). ne s'ouvre pas, suite à la transmission d'une seconde commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130), l'ouverture dudit fusible de ladite installation électrique.
[Revendication 5] Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130) est opérationnelle après une première temporisation.
[Revendication 6] Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite ouverture dudit contacteur de puissance (120) est opérationnelle après une seconde temporisation.
[Revendication 7] Dispositif (100) électrique de protection d'une installation électrique destinée à être placée entre une alimentation électrique (101) et une charge électrique (102), l'alimentation électrique (101) comprenant des bornes positive (1011) et négative (1012), le dispositif comprenant :
- un contacteur de puissance (120) comprenant un premier contact (121) destiné à être connecté à la borne positive (1011) de l'alimentation électrique et un deuxième contact (122) destiné à être connecté à la borne négative (1012) de l'alimentation électrique ;
- au moins deux capteurs (161, 162) configurés pour mesurer le courant électrique circulant entre l'alimentation électrique (101) et la charge électrique (102) ;
- un dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130) placé en série avec le contacteur de puissance (120), et un contrôleur (110) configuré pour recevoir le courant électrique mesuré par les capteurs et pour
- mesurer l'intensité du courant circulant dans l'installation électrique, - comparer ladite intensité dudit courant et un premier seuil (Si) et un second seuil (S2), ledit second seuil (S2) étant supérieur audit premier seuil (Si), et
- si ladite intensité est comprise entre ledit premier seuil (Si) et ledit second seuil (S2),
- transmettre une première commande d'ouverture dudit contacteur de puissance (120),
- si ladite intensité est supérieure audit second seuil (S2),
- transmettre une première commande de déclenchement d'ouverture dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130)
- si le dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130) ne s'ouvre pas, suite à ladite première commande de déclenchement dudit dispositif de coupure électrique pyrotechnique (130),
- la comparaison entre ladite intensité du courant et une troisième valeur seuil représentative d'une valeur de rupture dudit contacteur de puissance (120),
- si ladite intensité du courant est inférieure à ladite troisième valeur seuil, la transmission d'une seconde commande d'ouverture dudit contacteur de puissance (120).
[Revendication 8] Platine de distribution de puissance électrique haute tension continue comprenant le dispositif de protection selon la revendication 7 et un circuit électrique de mise sous tension d'une charge électrique.
[Revendication 9] Aéronef comprenant un dispositif électrique de protection selon la revendication 7 ou une platine de distribution selon la revendication 8.
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