EP4639678A1 - Système de batterie de courant continu haute tension a module de stockage basse tension - Google Patents

Système de batterie de courant continu haute tension a module de stockage basse tension

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EP4639678A1
EP4639678A1 EP23841268.8A EP23841268A EP4639678A1 EP 4639678 A1 EP4639678 A1 EP 4639678A1 EP 23841268 A EP23841268 A EP 23841268A EP 4639678 A1 EP4639678 A1 EP 4639678A1
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EP
European Patent Office
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battery
voltage
voltage network
network
battery cells
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841268.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Guillaume Cherouvrier
Sophie BOUDAU
Philippe Naneix
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/249—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/35—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage
    • B64D27/357—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage using batteries
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J2105/30—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to electricity storage and restitution systems, in particular in vehicles using battery-type storage elements which constitute the only source of energy available for all on-board equipment.
  • the present invention aims in particular to constitute a hybrid storage system for electrically powered aircraft platforms making it possible to combine low-voltage and high-voltage restitutions.
  • Electric propulsion for conventional type aircraft (known as “CTOL” for the anglicism “Conventional Take Off and Landing”) or new mobility (called “VTOL” for the angldespite “Vertical Take Off and Landing”) requires strong electrical power which, for reasons of optimization of specific powers, motor efficiencies and wiring masses, operate at high direct voltage (or “HVDC” for “High Voltage Direct Current”) between six hundred Volts and eight hundred Volts.
  • CTL direct voltage
  • HVDC High Voltage Direct Current
  • HVDC batteries This electrical power is provided by HVDC batteries sized to provide sufficient power to ensure an aircraft flight mission with the necessary safety margin.
  • These batteries are made up of battery cells coupled in series and in coherent parallel chains to obtain the expected characteristics.
  • the batteries include modular battery modules.
  • the modules comprise battery cells arranged on the one hand in series to provide the desired voltage as the sum of the elementary voltages of each battery cell in series, and on the other hand arranged in parallel coherent chains of cells in series to obtain the current or the desired capacity in Ampere-hours as the sum of the currents or capacities of each parallel chain.
  • the management of the state of charge and the balancing of the cells is carried out by an electronic organ which manages the energy between the different cells so that they are electrically balanced between their state of charge, their voltage and their temperature. .
  • the Applicant is constantly working to reduce its negative climate impact through the use of methods and the exploitation of virtuous development and manufacturing processes and minimizing greenhouse gas emissions to the minimum possible to reduce the footprint environmental impact of its activity.
  • the invention is the result of technological research aimed at very significantly improving the performance of aircraft and, in this sense, contributes to reducing the environmental impact of aircraft.
  • the invention aims to overcome at least some of the aforementioned drawbacks and to propose a storage system capable of combining the advantages of speed, simplicity and reliability for its implementation, and this by delivering low voltage and high voltage. -DC voltage.
  • the subject of the invention is a hybrid high-voltage and low-voltage direct current battery system, comprising battery modules coupled to at least one control device and formed of battery cells arranged in parallel coherent chains of battery cells, the battery modules being distributed into two independent networks including a high-voltage network and a low-voltage network coupled in series, the low-voltage network comprising a battery module comprising a first subnetwork and a second sub-network electrically separated from the first sub-network by a physical separation element arranged on the battery module of said low-voltage network, each battery module of the high-voltage network comprising a number of parallel coherent chains of cells of battery equal to the number of parallel coherent chains of battery cells of each battery module of the first subnetwork.
  • the high-voltage network and the low-voltage network are each coupled to and controlled by a separate dedicated control device.
  • battery cells are adapted to be able to deliver a capacity of between five and twenty Ampere-hours.
  • each battery module fits in a parallelepiped having a height of between one hundred and eight and one hundred and twenty-eight millimeters, a width of between three hundred and twenty-one and three hundred and thirty-one millimeters, and a length of between three hundred and eighty-three and four hundred and three millimeters.
  • the battery modules of the high-voltage network and the first subnetwork are formed of the same number of battery cells, this number being an integer multiple of the number of parallel coherent chains of battery cells of the first subnetwork.
  • the battery modules each include ninety-six battery cells
  • the high-voltage network includes seven series-coupled battery modules
  • the low-voltage network includes a battery module that includes the first and second electrically separated subnetworks, the physical separation element being configured so that the first subnetwork comprises four parallel coherent chains of twelve battery cells so that on the one hand the second subnetwork comprises eight parallel coherent chains of twelve battery cells and on the other hand the high-voltage network modules comprise four parallel coherent chains of twenty-four battery cells.
  • the battery modules each comprise ninety-six battery cells
  • the high-voltage network comprises seven battery modules coupled in series
  • the low-voltage network comprises a battery module which includes the first and second sub-networks. electrically separated, the physical separation element being configured so that the first subnetwork comprises four parallel coherent chains of eight battery cells so that on the one hand the second subnetwork comprises eight parallel coherent chains of eight battery cells and on the other hand the high-voltage network modules comprise four parallel coherent chains of twenty-four battery cells.
  • the system may further provide that the battery modules each comprise ninety-six battery cells, the high-voltage network comprising five battery modules coupled in series and the low-voltage network comprising a battery module which includes the first and second electrically separated subnetworks, the element of physical separation being configured so that the first subnetwork comprises three parallel coherent chains of twelve battery cells so that on the one hand the second subnetwork comprises five parallel coherent chains of twelve battery cells and on the other hand the modules of the high-voltage network comprise three parallel coherent chains of thirty-two battery cells.
  • the system is adapted to fit in a parallelepiped having a height and a length of between four hundred and fifty and five hundred millimeters, and a width of between six hundred and fifty and six hundred and ninety millimeters.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a system as described above.
  • FIG 1 represents a battery system according to a first particular embodiment.
  • FIG 2 represents a second embodiment of the battery system.
  • FIG 3 shows a housing for the battery module.
  • FIG 4 represents battery modules coupled to an aircraft engine.
  • FIG 5 represents a first view of the installation of the system in an aircraft.
  • FIG 6 represents a second view of the installation of the system in an aircraft.
  • the hybrid high-voltage and low-voltage direct current battery system 1 comprises battery modules 2 coupled to at least one control device and formed of battery cells arranged in chains coherent parallel battery cells.
  • the battery modules 2 are divided into two independent networks including a high-voltage network 3 and a low-voltage network 4 coupled in series.
  • the low-voltage network 4 comprises a battery module 2 comprising a first sub-network 4A and a second sub-network 4B electrically separated from the first sub-network 4A by a physical separation element 8 arranged on the battery module 2 of said network low voltage 4.
  • Each battery module 2 of the high-voltage network 3 comprises a number of parallel coherent chains of battery cells equal to the number of parallel coherent chains of battery cells of each battery module 2 of the first subnetwork 4A.
  • the system benefits from the structuring of the battery modules 2 to constitute on the one hand the assembly of the high-voltage battery network 4A, used in particular for propulsion in an aircraft, and on the other hand a dedicated assembly and segregated network constituted by the low-voltage network 4B to power the low-voltage equipment of this aircraft.
  • each module 2 made up of a defined number of battery cells arranged in series in parallel chains of each module 2 to have the desired voltage level V3 and the capacity in Ampere-hours expected between the input of the high-voltage network 6 and the outputs 5,7 of the low-voltage network 4, it is possible to easily define the channels in each module 2.
  • the physical separation element arranged between the first and second sub-networks 4A, 4B of cells of the battery module 2 forming the low-voltage network 4 is provided to avoid any fault propagation from a sub-network 4A, 4B to the other, as well as to form an electrical interface to both be able to output sufficient propulsive power from the first subnetwork 4A and independently connect the non-propelling power to the different consumers thanks to the second subnetwork 4B.
  • the high-voltage network 3 and the low-voltage network 4 can each be coupled to and controlled by a separate dedicated control device.
  • the battery cells are, for example, adapted to be able to deliver a capacity of between five and twenty Ampere-hours.
  • the voltage, capacity and current performance of cells are characteristic of their chemistry.
  • the capacity is of the order of five Ampere-hours to twenty Ampere-hours, typically ten Ampere-hours.
  • the high-voltage network 3 further comprises seven battery modules 2 coupled in series and the low-voltage network 4 comprises a battery module 2 which includes the first and second electrically separated sub-networks 4A, 4B, the physical separation element 8 being configured so that the first subnetwork 4A comprises four parallel coherent chains of twelve battery cells so that on the one hand the second subnetwork 4B comprises eight parallel coherent chains of twelve cells battery and on the other hand the 4A high-voltage network modules comprise four parallel coherent chains of twenty-four battery cells.
  • the low-voltage network 4 comprises twelve cells in series of eight coherent chains in parallel, which allows its module 2 delivers a voltage V2 of fifty Volts and a capacity of eighty Ampere-hours.
  • the first and second electrically separated sub-networks 4A, 4B each are produced. of fifty Volts and forty Ampere-hours.
  • the advantage of this structuring of the battery modules 2 is to have a high-voltage network 3 configured to have a voltage V3 of seven hundred and fifty Volts with a capacity of forty Ampere-hours for electric propulsion, with a coherent chain four chains of battery cells in parallel whose balancing is ensured by the control device dedicated only to the first 4A subnetwork, and a battery pack configured to have a voltage V2 of fifty Volts and forty Ampere-hours which can be managed by a second control device and dedicated to powering the low-voltage equipment.
  • the battery modules 2 of the high-voltage network 3 and the first subnetwork 4A are formed of the same number of battery cells, this number being an integer multiple of the number of parallel coherent chains of battery cells of the first 4A subnetwork.
  • the battery modules 2 each comprise ninety-six battery cells
  • the high-voltage network 3 comprises seven battery modules 2 coupled in series
  • the low-voltage network 4 comprises a battery module 2 which includes the first and second electrically separated subnetworks 4A, 4B, the physical separation element 8 being configured so that the first subnetwork 4A comprises four parallel coherent chains of eight battery cells so that on the one hand the second subnetwork 4B comprises eight parallel coherent chains of eight battery cells and on the other hand the modules of the high-voltage network 4A comprise four parallel coherent chains of twenty-four battery cells.
  • the second embodiment of system 1 is slightly different from the first embodiment in that the low-voltage network 4 comprises a module 2 of the low-voltage network 4 having eight battery cells in series and twelve coherent chains in parallel delivering a voltage V2 of thirty-three Volts for one hundred and twenty Ampere-hours.
  • the first and second subnetworks 4A, 4B are configured to be able to deliver a voltage V2 of thirty-three Volts and respectively forty Ampere-hours, to be consistent with the high-voltage chain, and four -twenty Amperes-hour, for low-voltage loads.
  • the advantage of this structuring of the battery modules 2 of the second embodiment makes it possible to have a high-voltage battery pack configured to have a voltage V3 of seven hundred and forty Volts having a capacity of forty Ampere-hours for propulsion electric, with a coherent chain of four chains of cells in parallel that can manage the first control device to ensure balancing and monitoring, and a battery pack configured to have a voltage V2 of thirty-three Volts having a capacity of four -twenty Ampere-hours, coherent which can be managed by a second control device to power low-voltage equipment.
  • This V2 voltage of thirty-three Volts for low-voltage equipment is consistent with the regulatory voltage envelope of the aeronautical standard “DO 160” for which they are designed and qualified.
  • each battery module 2 can for example fit in a parallelepiped having a height D I of between one hundred and eighty and one hundred and twenty-eight millimeters, a width D2 of between three hundred and twenty-one and three hundred and thirty-one millimeters, and a length D3 of between three hundred and eighty-three and four hundred and three millimeters, which allows a high compactness of these modules 2, and to be able to install homogeneously in the aircraft to the extent that they are of the same dimensions and therefore can be integrated into identical boxes 9.
  • a height D I of between one hundred and eighty and one hundred and twenty-eight millimeters
  • a width D2 of between three hundred and twenty-one and three hundred and thirty-one millimeters
  • a length D3 of between three hundred and eighty-three and four hundred and three millimeters
  • the battery modules 2 each comprise ninety-six battery cells
  • the high-voltage network 3 comprises five battery modules 2 coupled in series
  • the low-voltage network 4 comprises a battery module 2 which includes the first and second electrically separated subnetworks 4A, 4B, the physical separation element 8 being configured so that the first subnetwork 4A comprises three parallel coherent chains of twelve battery cells so that on the one hand the second subnetwork 4B network comprises five parallel coherent chains of twelve battery cells and on the other hand the modules of the 4A high-voltage network comprise three parallel coherent chains of thirty-two battery cells.
  • the third embodiment comprises six battery modules 2 in series made up of five modules 2 which deliver a voltage V3 of one hundred and thirty-four Volts each and sixty Ampere-hours, as well as a battery module 2 which delivers a voltage V2 of fifty Volts of which the first subnetwork 4A has a capacity of sixty Ampere-hours for the propulsion chain and the second subnetwork 4B is one hundred amp-hours for avionics.
  • the assembly thus made up of six geometrically identical battery modules 2 produces a high-voltage battery for the aircraft propulsion chain delivering a voltage V3 of seven hundred and twenty-two Volts and sixty Ampere-hours and a low-voltage battery for avionics delivering a voltage V2 of fifty Volts and one hundred Ampere-hours.
  • the system can be adapted to fit in a parallelepiped having a height D5 and a length D4 of between four hundred and fifty and five hundred millimeters, and a width of between six hundred and fifty and six hundred and ninety millimeters.
  • the invention therefore also relates to an aircraft comprising a system 1 as described above.

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Abstract

Ce système comprenant un des modules de batterie (2) couplés à au moins un dispositif de commande et formés de cellules de batterie arrangées en chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie, les modules de batterie (2) étant répartis en deux réseaux indépendants dont un réseau haute-tension (3) et un réseau basse-tension (4) couplés en série, le réseau basse-tension (4) comportant un module de batterie (2) comportant un premier sous-réseau (4A) et un deuxième sous-réseau (4B) séparé électriquement du premier sous-réseau (4A) par un élément de séparation physique (8) disposé sur le module de batterie (2) dudit réseau basse-tension (4), caractérisé en ce que chaque module de batterie (2) du réseau haute-tension (3) comporte un nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie égal au nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie de chaque module de batterie (2) du premier sous-réseau (4A).

Description

DESCRIPTION
TITRE : SYSTÈME DE BATTERIE DE COURANT CONTINU HAUTE TENSION A MODUEE DE STOCKAGE BASSE TENSION
Domaine technique
La présente invention concerne les systèmes de stockage et de restitution d’ électricité, notamment dans des véhicules utilisant des éléments de stockage de type batterie qui constituent la seule source d’ énergie disponible pour l’ ensemble des équipements embarqués.
La présente invention vise notamment à constituer un système de stockage hybride pour des plateformes d’ aéronefs à propulsion électrique permettant de combiner les restitutions de basse-tension et de haute- tension.
Techniques antérieures
La propulsion électrique pour des avions de type conventionnels (dits « CTOL » pour l’ anglicisme « Conventional Take Off and Landing ») ou de nouvelle mobilité (dits « VTOL » pour l ’anglicisme « Vertical Take Off and Landing ») nécessitent de fortes puissance électrique qui, pour raison d’ optimisation des puissances massiques, de rendements des moteurs et des masses de câblage, fonctionnent à haute tension continue (ou « HVDC » pour « High Voltage Direct Current ») entre six cents Volts et huit cents Volts.
Cette puissance électrique est fournie par des batteries HVDC dimensionnées pour fournir l’ alimentation suffisante pour assurer une mission de vol de l’ aéronef avec la marge de sécurité nécessaire.
Ces batteries sont constituées de cellules de batteries couplées en série et en chaines cohérentes parallèle pour obtenir les caractéristiques attendues.
Pour s’intégrer dans les volumes restreints d’un aéronef et être compatibles avec les opérations de manutention et de sécurité des personnes, les batteries comportent des modules de batterie modulables.
Les modules comportent des cellules de batterie arrangées d’une part en série pour fournir la tension désirée comme somme des tensions élémentaires de chaque cellule de batterie en série, et arrangées d’ autre part en chaînes cohérentes parallèles de cellules en série pour obtenir le courant ou la capacité souhaitée en Ampères-heure comme somme des courants ou capacités de chaque chaine parallèle.
La gestion de l’état de charge et l’ équilibrage des cellules est réalisée par un organe électronique qui gère l’ énergie entre les différentes cellules de façon à ce qu’ elles soient équilibrées électriquement entre leur état de charge, leur tension et leur température.
Ces assemblages sont communément utilisées comme décrit dans les documents suivants : EP2932574B 1 , EP3694015A1 ,
US20220140409A1 ou encore EP2452391B 1.
Néanmoins, avec ces systèmes connus, le besoin de basse tension pour les équipements de navigation d’un aéronef est soit pourvu par des batteries basse-tension dédiées qui sont de capacité limitée, donc qui risquent de ne pas fournir l’ énergie nécessaire sur toute la durée d’un vol, soit par des convertisseurs placés entre les batteries principales haute-tension pour la propulsion électrique, qui induisent le risque de propager les courants de haute-tension vers les équipements de basse- tension qui pourraient être détruits par ce niveau de tension en cas de panne.
Par ailleurs, il est connu d’utiliser une solution de prélèvement de puissance électrique en un point intermédiaire de l’ assemblage de cellules des batteries haute-tension en courant continu à un niveau basse- tension, mais cela nécessite qu’il y ait un nombre de voies parallèles identique dans les assemblages de cellules ou des modules qui sont mis en série pour la gestion correcte des cellules de batterie, ce qui n’ est pas enseigné par l’ état actuel de la technique.
Exposé de l’invention
La Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative 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.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’ avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’ emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions.
L ’invention a pour but de pallier au moins certains des inconvénients précités et de proposer un système de stockage capable de cumuler des avantages rapidité, simplicité et fiabilité pour sa mise en œuvre, et ce en délivrant de la basse-tension et de la haute-tension en courant continu.
Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un système de batterie hybride haute-tension et basse-tension en courant continu, comportant des modules de batterie couplés à au moins un dispositif de commande et formés de cellules de batterie arrangées en chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie, les modules de batterie étant répartis en deux réseaux indépendants dont un réseau haute-tension et un réseau basse-tension couplés en série, le réseau basse-tension comportant un module de batterie comportant un premier sous-réseau et un deuxième sous-réseau séparé électriquement du premier sous-réseau par un élément de séparation physique disposé sur le module de batterie dudit réseau basse-tension, chaque module de batterie du réseau haute-tension comportant un nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie égal au nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie de chaque module de batterie du premier sous-réseau.
De préférence, le réseau haute-tension et le réseau basse-tension sont chacun couplés à et commandés par un dispositif de commande dédié distinct.
Par exemple, les cellules de batterie sont adaptées pour pouvoir délivrer une capacité comprise entre cinq et vingt Ampères-heure.
Avantageusement, chaque module de batterie tient dans un parallélépipède ayant une hauteur comprise entre cent-huit et cent-vingt- huit millimètres, une largeur comprise entre trois-cents-vingt-et-un et trois-cents-trente-et-un millimètres, et une longueur comprise entre trois- cents-quatre-vingt-trois et quatre-cents-trois millimètres.
Selon une forme de réalisation, les modules de batterie du réseau haute-tension et le premier sous-réseau sont formés d’un même nombre de cellules de batterie, ce nombre étant un multiple entier du nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie du premier sous- réseau.
Dans un mode de réalisation, les modules de batterie comportent chacun quatre-vingt-seize cellules de batterie, le réseau haute-tension comporte sept modules de batterie couplés en série et le réseau basse- tension comporte un module de batterie qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement, l’ élément de séparation physique étant configuré pour que le premier sous-réseau comprenne quatre chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau comporte huit chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie et d’autre part les modules du réseau haute-tension comportent quatre chaines cohérentes parallèles de vingt-quatre cellules de batterie.
Avantageusement, les modules de batterie comportent chacun quatre-vingt-seize cellules de batterie, le réseau haute-tension comporte sept modules de batterie couplés en série et le réseau basse-tension comporte un module de batterie qui inclut les premier et deuxième sous- réseaux séparés électriquement, l’ élément de séparation physique étant configuré pour que le premier sous-réseau comprenne quatre chaines cohérentes parallèles de huit cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau comporte huit chaines cohérentes parallèles de huit cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute- tension comportent quatre chaines cohérentes parallèles de vingt-quatre cellules de batterie.
Le système peut prévoir en outre que les modules de batterie comportent chacun quatre-vingt-seize cellules de batterie, le réseau haute-tension comportant cinq modules de batterie couplés en série et le réseau basse-tension comportant un module de batterie qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement, l’ élément de séparation physique étant configuré pour que le premier sous-réseau comprenne trois chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau comporte cinq chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute-tension comportent trois chaines cohérentes parallèles de trente-deux cellules de batterie.
De préférence, le système est adapté pour tenir dans un parallélépipède ayant une hauteur et une longueur comprises entre quatre cent cinquante et cinq cents millimètres, et une largeur comprise entre six cent cinquante et six cent quatre-vingt-dix millimètres.
L'invention concerne également un aéronef comportant un système tel que décrit précédemment.
Brève description des dessins
L’invention sera mieux comprise à l’étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
[Fig 1 ] représente un système de batterie selon un premier mode de réalisation particulier.
[Fig 2] représente un deuxième mode de réalisation du système de batterie.
[Fig 3] représente un boîtier pour le module de batterie.
[Fig 4] représente les modules de batterie couplés à un moteur d’ aéronef.
[Fig 5 ] représente une première vue de l’implantation du système dans un aéronef.
[Fig 6] représente une deuxième vue de l’implantation du système dans un aéronef.
Description détaillée
Dans le premier mode de réalisation illustré en Figure 1 , le système de batterie hybride haute-tension et basse-tension en courant continu 1 comporte des modules de batterie 2 couplés à au moins un dispositif de commande et formés de cellules de batterie arrangées en chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie. Les modules de batterie 2 sont répartis en deux réseaux indépendants dont un réseau haute-tension 3 et un réseau basse-tension 4 couplés en série.
Le réseau basse-tension 4 comporte un module de batterie 2 comportant un premier sous-réseau 4A et un deuxième sous-réseau 4B séparé électriquement du premier sous-réseau 4A par un élément de séparation physique 8 disposé sur le module de batterie 2 dudit réseau basse-tension 4.
Chaque module de batterie 2 du réseau haute-tension 3 comporte un nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie égal au nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie de chaque module de batterie 2 du premier sous-réseau 4A.
Ainsi, le système tire bénéfice de la structuration des modules de batterie 2 pour constituer d’une part l’ assemblage du réseau de batterie haute-tension 4A, utilisé notamment pour la propulsion dans un aéronef, et d’ autre part un assemblage dédié et ségrégué constitué par le réseau basse-tension 4B pour alimenter les équipements basse tension de cet aéronef.
Ainsi, à partir de modules de batterie 2 constitués d’un nombre défini de cellules de batterie agencées en série dans des chaines parallèles de chaque module 2 pour avoir le niveau de tension V3 désiré et la capacité en Ampères-heures attendue entre l’entrée du réseau haute- tension 6 et les sorties 5 ,7 du réseau basse-tension 4, il est possible de définir facilement les chaines dans chaque module 2.
L’ élément de séparation physique disposé entre les premier et deuxième sous-réseaux 4A,4B de cellules du module de batterie 2 formant le réseau basse-tension 4 est prévu pour éviter toute propagation de défaut d’un sous-réseau 4A,4B à l’ autre, ainsi que pour former une interface électrique pour à la fois pouvoir sortir une puissance propulsive suffisante du premier sous-réseau 4A et de façon indépendante connecter la puissance non propulsive aux différents consommateurs grâce au deuxième sous-réseau 4B . En outre, le réseau haute-tension 3 et le réseau basse-tension 4 peuvent être chacun couplés à un dispositif de commande dédié distinct et commandés par celui-ci.
En particulier, on peut prévoir un dispositif de commande dédié uniquement au premier sous-réseau 4A.
Cela permet d’avoir une surveillance des tensions V2 et courants du premier sous-réseau 4A, pour gérer le bon équilibrage de ses cellules de batterie.
Les cellules de batterie sont par exemple adaptées pour pouvoir délivrer une capacité comprise entre cinq et vingt Ampères-heure.
Les performances de tension, de capacité et d’intensité des cellules sont caractéristiques de leur chimie.
Ainsi, en considérant une tension de cellules de quatre virgule deux Volts, la capacité est de l ’ordre de cinq Ampères-heures à vingt Ampères- heures, typiquement de dix Ampères-heures.
En considérant une structure du module de batterie 2 à quatre- vingt-seize cellules, un assemblage de vingt-quatre cellules en série et quatre chaines cohérentes en parallèle pour le réseau haute-tension 3 , on réalise un module de batterie 2 du réseau haute-tension 3 délivrant une tension V3 de cent Volts et ayant une capacité de quarante Ampères- heures.
Dans le premier mode de réalisation, le réseau haute-tension 3 comporte en outre sept modules de batterie 2 couplés en série et le réseau basse-tension 4 comporte un module de batterie 2 qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement 4A,4B, l’ élément de séparation physique 8 étant configuré pour que le premier sous-réseau 4A comprenne quatre chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau 4B comporte huit chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute-tension 4A comportent quatre chaines cohérentes parallèles de vingt-quatre cellules de batterie.
Ainsi, le réseau basse-tension 4 comporte douze cellules en série de huit chaines cohérentes en parallèle, ce qui permet que son module 2 délivre une tension V2 de cinquante Volts et une capacité de quatre- vingts Ampères-heure.
En considérant un découpage dudit module 2 du réseau basse- tension 4 en deux sous-réseaux de cellules de batterie 4A,4B grâce à l’ élément de séparation physique 8, on réalise les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement 4A,4B chacun de cinquante Volts et quarante Ampères-heure.
L’ avantage de cette structuration des modules de batterie 2 est d’ avoir un réseau haute-tension 3 configuré pour avoir une tension V3 de sept cent cinquante Volts d’une capacité de quarante Ampères-heure pour la propulsion électrique, avec une chaine cohérente de quatre chaines de cellules de batterie en parallèle dont l’ équilibrage est assuré par le dispositif de commande dédié uniquement au premier sous-réseau 4A, et un pack batterie configuré pour avoir une tension V2 de cinquante Volts et quarante Ampères-heure pouvant être géré par un deuxième dispositif de commande et dédié à alimenter les équipements basse-tension.
Par exemple, les modules de batterie 2 du réseau haute-tension 3 et le premier sous-réseau 4A sont formés d’un même nombre de cellules de batterie, ce nombre étant un multiple entier du nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie du premier sous-réseau 4A.
Dans un deuxième mode de réalisation illustré par la Figure 2, les modules de batterie 2 comportent chacun quatre-vingt-seize cellules de batterie, le réseau haute-tension 3 comporte sept modules de batterie 2 couplés en série et le réseau basse-tension 4 comporte un module de batterie 2 qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement 4A,4B, l’ élément de séparation physique 8 étant configuré pour que le premier sous-réseau 4A comprenne quatre chaines cohérentes parallèles de huit cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau 4B comporte huit chaines cohérentes parallèles de huit cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute-tension 4A comportent quatre chaines cohérentes parallèles de vingt-quatre cellules de batterie.
Ainsi, le deuxième mode de réalisation du système 1 est légèrement différent du premier mode de réalisation en ce que le réseau basse-tension 4 comporte un module 2 du réseau basse-tension 4 ayant huit cellules de batterie en série et douze chaines cohérentes en parallèle délivrant une tension V2 de trente-trois Volts pour cent-vingt Ampères-heure.
Dans le deuxième mode de réalisation, les premier et deuxième sous-réseaux 4A,4B sont configurés pour pouvoir délivrer une tension V2 de trente-trois Volts et respectivement quarante Ampères-heure, pour être en cohérence avec la chaine haute-tension, et quatre-vingts Ampères- heure, pour les charges basse-tension.
L’ avantage de cette structuration des modules de batterie 2 du deuxième mode de réalisation permet d’ avoir un pack batterie haute- tension configuré pour avoir une tension V3 de sept-cent-quarante Volts ayant une capacité de quarante Ampères-heure pour la propulsion électrique, avec une chaine cohérente de quatre chaines de cellules en parallèle que pourra gérer le premier dispositif de commande pour assurer l’ équilibrage et la surveillance, et un pack batterie configuré pour avoir une tension V2 de trente-trois Volts ayant une capacité de quatre-vingts Ampères-heure, cohérent pouvant être géré par un deuxième dispositif de commande pour alimenter les équipements basse-tension.
Cette tension V2 de trente-trois Volts pour les équipements basse- tension est cohérente avec l’ enveloppe de tensions réglementaires du standard aéronautique « DO 160 » pour lequel ils sont conçus et qualifiés.
Les Figures 3 et 4 illustrent que chaque module de batterie 2 peut par exemple tenir dans un parallélépipède ayant une hauteur D I comprise entre cent-huit et cent-vingt-huit millimètres, une largeur D2 comprise entre trois-cents-vingt-et-un et trois-cents-trente-et-un millimètres, et une longueur D3 comprise entre trois-cents-quatre-vingt-trois et quatre- cents-trois millimètres, ce qui permet une forte compacité de ces modules 2, et de pouvoir les installer de façon homogène dans l ’ aéronef dans la mesure où ils sont de mêmes dimensions donc intégrables dans des boîtiers 9 identiques.
Dans un troisième mode de réalisation, les modules de batterie 2 comportent chacun quatre-vingt-seize cellules de batterie, le réseau haute-tension 3 comporte cinq modules de batterie 2 couplés en série et le réseau basse-tension 4 comporte un module de batterie 2 qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement 4A,4B, l’ élément de séparation physique 8 étant configuré pour que le premier sous-réseau 4A comprenne trois chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau 4B comporte cinq chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute-tension 4A comportent trois chaines cohérentes parallèles de trente-deux cellules de batterie.
Pour une chaine électrique propulsive avec des cellules de batterie de quatre virgule deux Volts et une capacité de cinq Ampères-heure par cellule, le troisième mode de réalisation comporte six modules de batterie 2 en série constitués de cinq modules 2 qui délivrent une tension V3 de cent trente-quatre Volts chacune et soixante Ampères-heures, ainsi qu’un module de batterie 2 qui délivre une tension V2 de cinquante Volts dont le premier sous-réseau 4A est de capacité de soixante Ampères-heure pour la chaine propulsive et le deuxième sous-réseau 4B est de cent Ampères-heure pour l’ avionique.
L ’ ensemble ainsi constitué de six modules de batterie 2 géométriquement identiques réalise une batterie haute-tension pour la chaine propulsive d’ aéronef délivrant une tension V3 de sept-cent-vingt- deux Volts et soixante Ampères-heures et une batterie basse-tension pour l’ avionique délivrant une tension V2 de cinquante Volts et cent Ampères- heures.
Comme illustré par les Figures 5 et 6, le système peut être adapté pour tenir dans un parallélépipède ayant une hauteur D5 et une longueur D4 comprises entre quatre-cent-cinquante et cinq-cents millimètres, et une largeur comprise entre six-cent-cinquante et six-cent quatre-vingt- dix millimètres.
Grâce aux dimensions identiques des six modules de batterie 2 décrites ci-dessus, l’installation sur un aéronef est facilitée par l’homogénéité des boîtiers 9 dans les zones dédiées aux éléments de stockage d’ énergie électrique des aéronefs, notamment des avions à propulsion électrique qui n’ont que ce type d’ énergie à bord pour assurer à la fois l ’alimentation des organes de propulsion 10 et l’ alimentation des équipements de navigation (avionique, radio, éclairage...). L’invention concerne donc également un aéronef comportant un système 1 tel que décrit ci-dessus.
On réalise ainsi un système 1 de batterie haute-tension pour la propulsion électrique, permettant de fournir de l’ énergie basse-tension pour alimenter des équipements de navigation basse-tension, et dans lequel les cellules de batterie assemblées dans chaque module de batterie 2 sont gérées par les dispositifs de commande dédiés correspondants comme s ’il s ’ agissait de batteries indépendantes mais intégrées dans des structures mécaniques identiques, grâce à des chaines de cellules cohérentes parallèles issues des assemblages de modules de batterie 2.
Ces chaînes permettent d’ avoir des voies physiquement et fonctionnellement indépendantes gérées indépendamment entre les équipements haute-tension et basse-tension, ce qui garantit qu’il ne peut pas y avoir de propagation de haute-tension sur les circuits et équipements basse-tension.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de batterie hybride haute-tension et basse-tension en courant continu ( 1 ), comportant des modules de batterie (2) couplés à au moins un dispositif de commande et formés de cellules de batterie arrangées en chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie, les modules de batterie (2) étant répartis en deux réseaux indépendants dont un réseau haute-tension (3) et un réseau basse-tension (4) couplés en série, le réseau basse-tension (4) comportant un module de batterie (2) comportant un premier sous-réseau (4A) et un deuxième sous-réseau (4B) séparé électriquement du premier sous-réseau (4A) par un élément de séparation physique (8) disposé sur le module de batterie (2) dudit réseau basse-tension (4), caractérisé en ce que chaque module de batterie (2) du réseau haute-tension (3) comporte un nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie égal au nombre de chaines cohérentes parallèles de cellules de batterie de chaque module de batterie (2) du premier sous-réseau (4A).
2. Système ( 1 ) selon la revendication 1 , dans lequel le réseau haute-tension (3) et le réseau basse-tension (4) sont chacun couplés à et commandés par un dispositif de commande dédié distinct.
3. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les cellules de batterie sont adaptées pour pouvoir délivrer une capacité comprise entre cinq et vingt Ampères-heure.
4. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque module de batterie (2) tient dans un parallélépipède ayant une hauteur (D l ) comprise entre cent-huit et cent- vingt-huit millimètres, une largeur (D2) comprise entre trois-cents-vingt- et-un et trois-cents-trente-et-un millimètres, et une longueur (D3) comprise entre trois-cents-quatre-vingt-trois et quatre-cents-trois millimètres.
5. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les modules de batterie (2) du réseau haute- tension (3) et le premier sous-réseau (4A) sont formés d’un même nombre de cellules de batterie, ce nombre étant un multiple entier du nombre de chaînes cohérentes parallèles de cellules de batterie du premier sous- réseau (4A).
6. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les modules de batterie (2) comportent chacun quatre-vingt-seize cellules de batterie, le réseau haute-tension (3) comporte sept modules de batterie (2) couplés en série et le réseau basse- tension (4) comporte un module de batterie (2) qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement (4A,4B), l’élément de séparation physique (8) étant configuré pour que le premier sous-réseau (4A) comprenne quatre chaînes cohérentes parallèles de douze cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau (4B) comporte huit chaînes cohérentes parallèles de douze cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute-tension (4A) comportent quatre chaînes cohérentes parallèles de vingt-quatre cellules de batterie.
7. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les modules de batterie (2) comportent chacun quatre-vingt- seize cellules de batterie, le réseau haute-tension (3) comporte sept modules de batterie (2) couplés en série et le réseau basse-tension (4) comporte un module de batterie (2) qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement (4A,4B), l’ élément de séparation physique (8) étant configuré pour que le premier sous-réseau (4A) comprenne quatre chaînes cohérentes parallèles de huit cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau (4B) comporte huit chaînes cohérentes parallèles de huit cellules de batterie et d’ autre part les modules du réseau haute-tension (4A) comportent quatre chaînes cohérentes parallèles de vingt-quatre cellules de batterie.
8. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les modules de batterie (2) comportent chacun quatre-vingt- seize cellules de batterie, le réseau haute-tension (3) comporte cinq modules de batterie (2) couplés en série et le réseau basse-tension (4) comporte un module de batterie (2) qui inclut les premier et deuxième sous-réseaux séparés électriquement (4A,4B), l’ élément de séparation physique (8) étant configuré pour que le premier sous-réseau (4A) comprenne trois chaînes cohérentes parallèles de douze cellules de batterie de sorte que d’une part le deuxième sous-réseau (4B) comporte cinq chaines cohérentes parallèles de douze cellules de batterie et d’autre part les modules du réseau haute-tension (4A) comportent trois chaines cohérentes parallèles de trente-deux cellules de batterie.
9. Système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, adapté pour tenir dans un parallélépipède ayant une hauteur (D5) et une longueur (D4) comprises entre quatre cent cinquante et cinq cents millimètres, et une largeur comprise entre six cent cinquante et six cent quatre-vingt-dix millimètres.
10. Aéronef comportant un système ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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