FR3017239A1

FR3017239A1 - Coupe-circuit pyrotechnique

Info

Publication number: FR3017239A1
Application number: FR1450850A
Authority: FR
Inventors: Francois Gaudinat; Alain Magne
Original assignee: NCS Pyrotechnie et Technologies SAS
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-08-07
Anticipated expiration: 2034-02-04
Also published as: WO2015117878A1; FR3017239B1

Abstract

Coupe-circuit comprenant : - un boitier, - au moins une portion de circuit électrique comprenant deux bornes de connexion et un conducteur électrique agencé entre les deux bornes de connexion, - un piston, agencé mobile pour passer d'une première position vers une deuxième position en coupant ladite au moins une portion de circuit électrique en au moins deux tronçons séparés de conducteur électrique, et chaque tronçon étant relié à une des bornes de connexion, - un actionneur pyrotechnique agencé pour faire passer le piston de la première position à la deuxième position lorsqu'il est mis à feu, caractérisé en ce que, lorsque le piston est dans la deuxième position, le boîtier et le piston sont agencés pour définir deux chambres de coupure distinctes séparées par le piston, et en ce que chacun des deux tronçons sont séparés par le piston.

Description

COUPE-CIRCUIT PYROTECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale un coupe-circuit comprenant un actionneur pyrotechnique, destiné à être monté sur un véhicule automobile, et en particulier sur un véhicule électrique. Dans de tels véhicules électriques, il faut prévoir de pouvoir couper les 5 lignes électriques reliant les dispositifs de stockage d'énergie électrique (batteries, super condensateurs, ...) au reste du véhicule, pour mettre ce dernier en sécurité, si un accident survient par exemple. En raison des puissances en jeu, et des caractéristiques des circuits électriques, des arcs électriques vont survenir lors de la coupure et remettre en cause la coupure 10 du circuit voire l'intégrité du coupe circuit si ces arcs ne sont pas maitrisés. Il est connu dans l'art antérieur des coupe-circuits tels que celui divulgué dans le document EP0359467A2, et qui proposent des agencements spécifiques pour éteindre les arcs électriques. En contrepartie, ce système présente notamment l'inconvénient d'être encombrant. 15 Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients des documents de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de proposer un coupe-circuit compact et qui procure une coupure rapide. Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un coupe-circuit 20 comprenant : - un boitier, - au moins une portion de circuit électrique comprenant deux bornes de connexion et un conducteur électrique agencé entre les deux bornes de connexion, 25 - un piston, agencé mobile pour passer d'une première position vers une deuxième position en coupant ladite au moins une portion de circuit électrique en au moins deux tronçons indépendants de conducteur électrique, et chaque tronçon étant relié à une des bornes de connexion, - un actionneur pyrotechnique agencé pour faire passer le piston de la première position à la deuxième position lorsqu'il est mis à feu, caractérisé en ce que, lorsque le piston est dans la deuxième position, le boîtier et le piston sont agencés pour définir deux chambres de coupure distinctes séparées par le piston, et en ce que lesdits au moins deux tronçons sont séparés par le piston. Le coupe-circuit selon la présente invention permet de limiter la formation d'arcs électriques entre les deux tronçons de conducteur, car ils sont séparés par le piston lorsque celui ci est dans la deuxième position, et chaque tronçon de conducteur débouche dans une seule des deux chambres de coupure qui sont distinctes, une fois que l'actionneur pyrotechnique a fonctionné. De tels arcs électriques peuvent se créer lorsque le coupe circuit est relié à un circuit électrique sous tension, avec des tensions allant de OV à 600V et des courants allant de OA à 5000A sur des charges inductives allant jusqu'à 2500pH (micro-Henry) pour une intensité inférieure à 500A et jusqu'à 150pH pour une intensité de 5000A. Le coupe-circuit selon l'invention permet de couper le courant de manière fiable en moins de 10ms et même moins de 5ms, de manière définitive, car le coupe-circuit, comprenant un actionneur pyrotechnique, celui-ci ne peut servir qu'une fois. Avantageusement, le piston est agencé pour couper un pont de ladite au moins une portion de circuit en deux points de coupure distincts, et pour déplacer le pont coupé lors de son passage vers la deuxième position. Selon cette mise en oeuvre, le coupe-circuit découpe un pont et ce dernier est emmené par le piston. En conséquence, pour assurer une continuité électrique une fois le pont coupé, il faut former deux arcs électriques entre le pont et chaque tronçon de conducteur, et ces deux arcs sont en série, ce qui augmente automatiquement la tension d'arc totale, une fois le pont séparé de la portion de circuit électrique.

Avantageusement, le pont présente au moins une portion amincie pour faciliter la découpe. Avantageusement, le coupe-circuit comprend au moins une partie en matériau plastique agencée pour être retirée par ablation par un arc 5 électrique créé lors de la coupure de ladite au moins une portion. La matière plastique qui se fait retirer par ablation par l'arc électrique est vaporisée et change la conductivité du milieu dans lequel se propage l'arc électrique, ce qui augmente encore la tension de l'arc. Cela permet d'atteindre plus rapidement une tension d'arc totale supérieure à la tension d'alimentation. La 10 surface de la partie en matériau plastique peut par exemple être sublimée sous l'action du flux de chaleur élevé créé par l'arc électrique. Avantageusement, le boîtier comprend une matrice de découpe agencée pour découper en coopération avec le piston ladite au moins une portion lorsque le piston passe dans la deuxième position. 15 Avantageusement, la partie en matériau plastique recouvre au moins partiellement la matrice. La partie en matière plastique recouvre partiellement la matrice, elle se trouve donc à proximité immédiate ou est même en contact avec la portion de circuit au niveau de la zone de rupture, c'est à dire là où l'arc électrique sera formé. En étant au plus proche de l'arc électrique, la 20 partie en matière plastique peut être plus facilement retirée par ablation par l'arc électrique confiné entre le piston et la matière plastique.. Avantageusement, chaque chambre de coupure comprend des moyens d'extinction de l'arc électrique, formés par au moins un empilage de plaques ferromagnétiques isolées électriquement les unes des autres. Un tel 25 dispositif d'extinction avec des plaques ferromagnétiques tend à diviser l'arc électrique en une multitude d'arcs électriques entre les plaques ferromagnétiques. Ces plaques peuvent comprendre des entailles en forme de Vé favorisant de déplacement de l'arc dans les plaques et sa division. Il est à noter que les deux empilages de plaques ferromagnétiques sont 30 séparés par le piston lorsque celui-ci est dans la deuxième position. - 4 - Avantageusement, le coupe-circuit comprend : - une pièce distale, conductrice et formant une paroi distale de chacune des deux chambres, - deux pièces proximales, conductrices et formant chacune une autre paroi 5 de l'une de chaque chambre de coupure, - deux empilages de plaques ferromagnétiques, chacun étant pris en sandwich entre la pièce distale et l'une des pièces proximales. Avantageusement, le coupe circuit comprend des plaques plastiques insérées entre les plaques ferromagnétiques. Les arcs électriques vont 10 rencontrer les plaques plastiques dont une partie va être retirée par ablation. On peut envisager de surmouler ou injecter les plaques plastiques entre les plaques ferromagnétiques. La coupure est améliorée, car les arcs électriques formés entre les plaques ferromagnétiques pourront facilement retirer du plastique par ablation des plaques plastiques ce qui augmentera la tension 15 des arcs, et donc ce qui améliorera la coupure du circuit. Avantageusement, les plaques plastiques comprennent une rainure centrale. La rainure centrale force les arcs divisés à passer le long de la rainure et à retirer par ablation plus de matière plastique de chaque plaque plastique. La rainure peut être agencée tout le long de chaque plaque 20 plastique ou non. Avantageusement, l'un du piston et/ou de la pièce distale comprend une empreinte agencée pour recevoir le pont coupé, une fois le piston dans la deuxième position. Le pont coupé est ainsi reçu par une partie femelle (l'empreinte sur le piston et/ou la pièce distale) complémentaire lorsque le 25 piston est dans la deuxième position, de sorte que l'arc électrique sera préférentiellement transféré vers la pièce distale. Avec aucune partie en saillie, le pont coupé ne peut être le point de départ d'un arc électrique. Avantageusement, le piston sépare les chambres de coupure d'une chambre de combustion agencée pour contenir des gaz produits par 30 l'actionneur pyrotechnique et le piston est agencé pour contenir les gaz -5 produits par l'actionneur pyrotechnique de manière à éviter toute augmentation de la conductivité dans les chambres de coupure. Avantageusement, le coupe circuit est agencé pour bloquer ou maintenir le piston en place lorsque ce dernier est dans la deuxième position.

Le piston ne peut pas revenir en arrière afin d'éviter le risque de contact électrique entre les deux tronçons lors d'un éventuel retour en arrière. A cet effet, on peut envisager de prévoir une étanchéité suffisante de la chambre de combustion pour obtenir un maintient de la pression des gaz de l'allumeur et/ou montage serré du piston dans la deuxième positon.

Avantageusement, le coupe-circuit comprend des moyens de freinage agencés pour freiner le piston après la découpe, pour lui éviter de prendre de la vitesse et limiter le risque d'endommagement de la structure (on peut envisager par exemple d'implanter des nervures sur le piston ou sur la chambre).

Avantageusement, le boîtier et le piston comprennent des moyens de guidage du piston dans le boîtier, et ces moyens de guidage sont agencés pour allonger un trajet pour un arc électrique formé directement entre lesdits au moins deux tronçons. Les moyens de guidage peuvent être une rainure et un index, et en les agençant entre les deux chambres de coupure, le chemin d'une chambre à l'autre est allongé, ce qui augmente la difficulté à former un arc électrique entre les deux chambres. On peut envisager de limiter le jeu entre le piston et le boîtier pour augmenter un retrait de matière plastique par ablation d'au moins un de ces composants si un arc électrique se forme entre eux. Un jeu inférieur ou égal 25 à 0.4 millimètres favorise une telle érosion. Avantageusement, lorsque le piston est dans la deuxième position, le pont est placé entre le piston et la pièce distale. Cela permet de garantir que l'arc créé sera découpé par les empilages de plaques ferromagnétiques. En effet, le contact entre le pont et la pièce distale aura pour effet de supprimer 30 tout risque de maintien d'arc entre une plaque ferromagnétique et le pont qui -6 maintiendrait l'arc au bord des plaques ferromagnétiques et l'empêcherait de se diviser. Le trajet de l'arc du pont vers les plaques ferromagnétiques est facilité car la pièce distale est conductrice. Avantageusement, la matrice est métallique et en contact avec les 5 deux tronçons de la portion de circuit électrique et les parties proximales ce qui permet de résister au contraintes de fonctionnement et de garantir une continuité électrique (avec les deux pièces proximales) de manière à faciliter l'établissement des arcs électriques entre les parties distales et proximales et ainsi garantir une découpe efficace desdits arcs dans les empilements de 10 plaques ferromagnétiques. Avantageusement, le piston coupe un pont de la portion de circuit en deux points de coupure distincts, et le piston dans la deuxième position place le pont en butée sur la pièce distale. Avantageusement, le coupe-circuit comprend un évent par chambre 15 de coupure, operculé avec un opercule agencé pour se rompre au-delà d'une pression prédéterminée de chaque chambre de coupure. Cette mise en oeuvre améliore la résistance du coupe-circuit en cas de forte élévation de température, qui pourrait générer une pression trop importante dans les chambres de coupure. La pression prédéterminée est bien entendu la 20 différence de pression entre la chambre de coupure en question et la pression qui règne à l'extérieur du coupe circuit (en général la pression atmosphérique). Un second aspect de l'invention est un dispositif de distribution de courant comprenant au moins un coupe-circuit selon le premier aspect de 25 l'invention. Un troisième aspect de l'invention est un véhicule automobile comportant au moins un coupe-circuit selon le premier aspect de l'invention. Avantageusement, le véhicule comprend un dispositif de propulsion électrique. - 7 - Avantageusement, le véhicule comprend au moins un dispositif de stockage d'énergie électrique relié au dispositif de propulsion par l'intermédiaire dudit au moins un coupe-circuit. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 5 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe d'un coupe-circuit selon la présente invention, avant fonctionnement ; 10 - la figure 2 représente le coupe-circuit de la figure 1, après fonctionnement ; - la figure 3 représente une vue isométrique de plaques comprises dans le coupe-circuit de la figure 1. La figure 1 représente un coupe-circuit comprenant : 15 - un boîtier 10, - une portion 20 de circuit électrique comprenant deux bornes de connexion 23a, 23b et un conducteur électrique agencé entre les deux bornes de connexion 23a, 23b, - un piston 30 dans une première position, 20 - un actionneur pyrotechnique 40 agencé pour faire passer le piston 30 de la première position vers une deuxième position (visible sur la figure 2) lorsqu'il est mis à feu. La portion 20 de circuit électrique est située entre le piston 30 et une matrice 31, qui donne dans une chambre principale 60. La chambre 25 principale 60 contient deux empilages distincts de plaques ferromagnétiques 51 qui sont séparées les une des autres par de l'air. Comme le montre la figure 3, ces plaques ferromagnétiques 51 ont chacune une extrémité taillée en V, dirigée vers la partie centrale de la chambre principale 60. Ces empilages de plaques ferromagnétiques 51 servent à éteindre un arc électrique, comme cela sera expliqué dans les passages relatifs à la figure 2. Ces plaques ferromagnétiques 51 sont prises en sandwich d'une part par une pièce distale 53 qui couvre au moins une partie d'une paroi de la 5 chambre principale opposée au piston 30, et d'autre part par deux pièces proximales 54 qui recouvre la paroi de la chambre principale 60 proche de la matrice 31. En d'autres termes, la pièce distale 53 s'étend au dessus des deux empilages de plaques ferromagnétiques 51, et une pièce proximale 54 se trouve en dessous de chaque empilage de plaques ferromagnétiques 51, 10 à proximité de la matrice 31. La figure 2 représente le coupe-circuit de la figure 1, après fonctionnement. S'il faut ouvrir ou couper la portion 20 de circuit électrique, alors l'actionneur pyrotechnique (un allumeur électro-pyrotechnique par exemple, bien connu dans le domaine technique des coussins de sécurité 15 gonflables) est mis à feu. Les gaz chauds émis par l'actionneur pyrotechnique ont pour effet de pousser le piston 30 dans le boîtier 10, et le piston 30 passe de la première position de la figure 1 pour aller dans une deuxième position telle que représentée. Lors de son mouvement, le piston 30 va cisailler un pont 22 de la 20 portion 20 de circuit électrique, en assurant une fonction de poinçon qui coopère avec la matrice 31. Une fois le pont 22 coupé, celui-ci est déplacé par le piston 30, parallèlement à sa position initiale avant découpe. La portion 20 de circuit électrique étant soumise à une tension, deux arcs électriques vont se créer entre les tronçons 21a, 21b et chaque extrémité du pont 22. Le 25 piston 30 est évidemment en matière isolante et peut être réalisé en polyoxyméthylène (ou polyformaldéhyde) (POM), en polyamide (PA6.6), ou polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Pour couper le circuit, la tension d'arc doit être supérieure à la tension du circuit. L'objectif est donc d'atteindre le plus vite possible une tension d'arc 30 supérieure à la tension du réseau, ce que tend à faire le coupe-circuit selon -9 l'invention en formant deux arcs électriques en série puisque la tension aux bornes du coupe circuit sera la somme des tensions des arcs formés. De plus, en option, la matrice 31 comporte une peau extérieure en matière plastique de type polyoxyméthylène (ou polyformaldéhyde (POM) ou 5 polyméthacrylate de méthyle (PMMA)), et tout arc créé entre le pont 22 et les tronçons 21a, 21b doit passer entre le piston 30 et la matrice 31, ce qui favorise une ablation de la matière plastique de la matrice 31 et/ou du piston 30. Cette ablation est due à la forte chaleur de l'arc électrique et résulte en une génération de gaz (de combustion de la matière plastique, ou de 10 vaporisation), ce qui augmente la tension de l'arc électrique par diminution de la conductivité des gaz présents à proximité de la matrice 31. Pour favoriser cette ablation au niveau de la matrice 31, on peut envisager de choisir un ajustement entre le piston 30 et la matrice 31 inférieur ou égal à 0.4 millimètres, ou encore mieux, un ajustement serré (jeu 15 négatif) entre ces deux composants sous condition de laisser au moins un passage maîtrisé entre le piston et la matrice 31 pour le passage des deux arcs électriques créés. Une fois le piston 30 dans la deuxième position comme représenté figure 2, ce dernier sépare la chambre principale 60 de la figure 1 en deux 20 chambres de coupure distinctes, et le piston sépare donc les deux tronçons 21a et 21b. Le piston 30 forme donc une barrière physique entre les deux tronçons 21a et 21b et empêche la formation d'arc électrique entre eux. Cela permet de diminuer la distance entre les deux tronçons 21a et 21b, et une dimension du piston de 5 millimètres ± 0.5 millimètres est tout à fait 25 satisfaisante. L'invention n'est cependant pas limitée à cette plage de valeur, et une réduction de taille est encore possible. Suite à la formation des deux arcs électriques lors de la coupure, chacun d'eux sera emprisonné dans une des chambres de coupure lorsque le piston est dans la deuxième position. Comme expliqué ci-dessus, chaque 30 chambre de coupure comprend un empilage de plaques ferromagnétiques 51 -10- isolées électriquement les unes des autres, avec une entaille en Vé orientée vers le piston 30, et agencées entre la pièce distale 53 et une pièce proximale 54. Cet agencement a pour effet de provoquer une force de Laplace sur chaque arc électrique, qui a tendance à pousser les arcs vers le fond de l'entaille en Vé et les découper en sous-arcs. L'invention propose en outre en option d'insérer entre chaque plaques ferromagnétiques 51 une plaque en plastique 52 de type polyoxyméthylène (ou polyformaldéhyde (POM) ou polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Ces plaques en plastique 52 sont représentées en figure 3, et comprennent une rainure centrale préférentiellement dans l'axe des entailles en Vé pour laisser passer l'arc électrique entre les plaques ferromagnétiques 51. Une épaisseur typique de chaque plaque en plastique 52 va de 0.5 millimètres à 2 millimètres, et la rainure centrale peut avoir une largeur comprise entre 0.5 millimètres et 2 millimètres.

On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. En particulier, certaines matières plastiques ont été citées à titre d'exemple pour le piston 30, la matrice 31 et les plaques de plastique 52, et il est à noter que chaque composant ayant ses spécificités, des matières différentes peuvent être choisies pour chaque pièce.

Claims

REVENDICATIONS1. Coupe-circuit comprenant : - un boitier (10), - au moins une portion (20) de circuit électrique comprenant deux bornes de 5 connexion (23a, 23b) et un conducteur électrique agencé entre les deux bornes de connexion (23a, 23b), - un piston (30), agencé mobile pour passer d'une première position vers une deuxième position en coupant ladite au moins une portion (20) de circuit électrique en au moins deux tronçons (21a, 21b) indépendants de conducteur 10 électrique, et chaque tronçon étant relié à une des bornes de connexion (23a, 23b), - un actionneur pyrotechnique (40) agencé pour faire passer le piston (30) de la première position à la deuxième position lorsqu'il est mis à feu, caractérisé en ce que, lorsque le piston (30) est dans la deuxième position, le 15 boîtier (10) et le piston (30) sont agencés pour définir deux chambres de coupure distinctes séparées par le piston (30), et en ce que lesdits au moins deux tronçons (21a, 21b) sont séparés par le piston (30).
2. Coupe-circuit selon la revendication précédente, dans lequel le piston (30) est agencé pour couper un pont (22) de ladite au moins une 20 portion (20) de circuit en deux points de coupure distincts, et pour déplacer le pont (22) coupé, lors de son passage vers la deuxième position.
3. Coupe-circuit selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins une partie en matériau plastique agencée pour être retirée par ablation par un arc électrique créé lors de la coupure de ladite au 25 moins une portion (20).
4. Coupe-circuit selon la revendication précédente, dans lequel le boîtier (10) comprend une matrice (31) de découpe agencée pour découper en coopération avec le piston ladite au moins une portion lorsque le piston-12- (30) passe dans la deuxième position, et dans lequel la partie en matériau plastique recouvre au moins partiellement la matrice (31).
5. Coupe-circuit selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque chambre de coupure comprend des moyens d'extinction de l'arc 5 électrique, formés par au moins un empilage de plaques ferromagnétiques (51) isolées électriquement les unes des autres.
6. Coupe-circuit selon la revendication précédente comprenant : - une pièce distale (53), conductrice et formant une paroi distale de chacune des deux chambres 10 - deux pièces proximales (54), conductrices et formant chacune une autre paroi de l'une de chaque chambre de coupure, - deux empilages de plaques ferromagnétiques (51), chacun étant pris en sandwich entre la pièce distale (53) et l'une des pièces proximales (54).
7. Coupe-circuit selon l'une des revendications 5 ou 6, comprenant 15 des plaques plastiques (52) insérées entre les plaques ferromagnétiques (51).
8. Coupe-circuit selon la revendication précédente, dans lequel les plaques plastiques (52) comprennent une rainure centrale.
9. Coupe-circuit selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel 20 l'un du piston (30) et/ou de la pièce distale (53) comprend une empreinte agencée pour recevoir le pont coupé (22), une fois le piston (30) dans la deuxième position.
10. Coupe-circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le boîtier (10) et le piston (30) comprennent des moyens de guidage 25 du piston (30) dans le boîtier (10), et ces moyens de guidage sont agencés pour allonger un trajet pour un arc électrique formé directement entre lesdits au moins deux tronçons (21a, 21b).
11. Coupe-circuit selon l'une des revendications précédentes, comprenant un évent de chaque chambre de coupure, operculé avec un-13- opercule agencé pour se rompre au-delà d'une pression prédéterminée de chaque chambre de coupure.
12. Dispositif de distribution de courant comprenant au moins un coupe-circuit selon l'une des revendications précédentes.
13. Véhicule automobile comportant au moins un coupe-circuit selon l'une des revendications 1 à 11.
14. Véhicule automobile selon la revendication précédente, comprenant un dispositif de propulsion électrique.